田富君，張紅旗，張祥祥，陳興玉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

為了提高裝配質(zhì)量和裝配效率，降低裝配成本及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，人們對(duì)計(jì)算機(jī)輔助裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量的研究，在裝配信息建模、裝配序列規(guī)劃、裝配路徑規(guī)劃等方面取得了一定的成果，并逐步應(yīng)用到企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中。然而，目前我國(guó)大部分企業(yè)仍然采用傳統(tǒng)的二維工藝文件，二維工藝文件只能包含文字描述、二維裝配圖等靜態(tài)的二維工藝信息，文字描述信息很難對(duì)復(fù)雜的裝配過(guò)程進(jìn)行明確的描述，二維裝配圖通常作為文字描述的補(bǔ)充，只能對(duì)零部件的局部裝配結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行示意性表達(dá)，對(duì)于零部件的裝配過(guò)程、裝配路徑則不能表達(dá)，不利于操作人員快速理解產(chǎn)品的裝配過(guò)程，時(shí)常需要裝配工藝設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

隨著三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)在企業(yè)中的逐步應(yīng)用，三維裝配工藝文件已經(jīng)成為企業(yè)的迫切需求。為了實(shí)現(xiàn)裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真信息的現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配工藝信息發(fā)布技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果。王成恩等[1]和劉檢華等[2]分別開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的裝配工藝信息瀏覽器，實(shí)現(xiàn)了工藝信息查看和裝配仿真視頻的播放功能，然而，這種仿真視頻無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)裝配操作人員進(jìn)行交互。夏平均等[3]在Solid Works上面開(kāi)發(fā)了一個(gè)裝配現(xiàn)場(chǎng)示教系統(tǒng)，Lei Chen等[4]和吳東琦等[5]分別以3DVIA Composer控件為三維模型瀏覽器，開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維裝配指令系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維模型的現(xiàn)場(chǎng)交互操作和仿真，但依賴(lài)于特定的三維模型瀏覽器。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)三維模型的重用和共享，各軟件廠商推出了許多輕量化格式，如達(dá)索的3DXML格式、西門(mén)子的JT格式、PTC公司的PVS格式、Adobe的通用3D(Universal 3D,U3D)格式[6]。其中，U3D格式獨(dú)立于任何計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design, CAD）平臺(tái)，可以將其他CAD格式轉(zhuǎn)換為U3D格式，解決了其他格式在異構(gòu)平臺(tái)下不兼容的問(wèn)題。此外，Adobe公司的便攜文件格式（Portable Document Format, PDF）是一種通用文件格式，其跨平臺(tái)、跨語(yǔ)言、跨軟件的特性, 可以使其運(yùn)行于不同的操作系統(tǒng)和不同的程序語(yǔ)言版本中，已成為電子文檔長(zhǎng)期保存格式的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。Adobe Acrobat 7.0之后版本支持U3D文件格式的輕量化模型，為本文的研究提供了基礎(chǔ)。本文通過(guò)對(duì)U3D標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出了一種三維輕量化裝配工藝文件的生成方法，并對(duì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。

1 三維裝配工藝文件生成過(guò)程

三維裝配工藝文件的生成過(guò)程如圖1所示，包括工藝模板的定制、工藝信息的處理、輕量化模型的嵌入、三維裝配仿真動(dòng)畫(huà)的映射、仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼的生成五部分。

圖1 三維裝配工藝文件生成過(guò)程

1）工藝模板的定制：不同企業(yè)的裝配工藝文件在頁(yè)面布局等外觀形式上存在著差異，因此，就需要針對(duì)企業(yè)的需求，為企業(yè)定制符合該企業(yè)實(shí)際要求的工藝模板。

2）工藝信息的處理：將裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的工藝信息以可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（eXtensible Markup Language, XML）文件導(dǎo)出，并對(duì)XML文件進(jìn)行解析，將工藝信息插入到工藝模板對(duì)應(yīng)的位置。

3）輕量化模型嵌入：將裝配體的三維模型轉(zhuǎn)換為U3D格式的輕量化模型，并以3D注釋的形式嵌入到工藝模板的特定位置。

4）三維裝配仿真動(dòng)畫(huà)的映射：對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真產(chǎn)生的裝配路徑信息進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換成U3D模型的裝配仿真動(dòng)畫(huà)信息。

5）仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼的生成：生成控制三維裝配仿真動(dòng)畫(huà)的代碼，并將仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼與裝配工步關(guān)聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真過(guò)程的控制，使其按照工步去仿真。

2 裝配工藝信息處理

裝配工藝信息模型是裝配工藝文件信息的來(lái)源，但裝配工藝信息模型包含產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息、裝配工藝信息、裝配仿真信息，這些信息包含了很多裝配工藝設(shè)計(jì)的過(guò)程性信息，這些過(guò)程性信息一般不體現(xiàn)在裝配工藝文件當(dāng)中。此外，裝配工藝文件需要對(duì)裝配工藝信息模型當(dāng)中的信息進(jìn)行匯總，這些匯總信息包括工藝路線(xiàn)信息、零部件配套信息、儀器設(shè)備信息、工裝信息等。為此，本文通過(guò)對(duì)裝配工藝信息模型進(jìn)行分析，建立了裝配工藝發(fā)布信息模型，如圖2所示。

圖2 裝配工藝發(fā)布信息模型

裝配工藝發(fā)布信息模型包括管理信息、匯總信息和詳細(xì)的裝配工藝信息。管理信息包括裝配工藝規(guī)程代號(hào)、裝配工藝規(guī)程名稱(chēng)、工藝版次、產(chǎn)品型號(hào)、部（組）件號(hào)、編制單位等信息；匯總信息包括工藝路線(xiàn)信息、零部件配套信息、儀器設(shè)備匯總信息、工裝匯總信息。工藝路線(xiàn)信息是裝配工序的匯總，工藝人員不查看詳細(xì)的裝配工序內(nèi)容即可以獲取總體的裝配過(guò)程。零部件配套信息是指裝配過(guò)程所需要的全部零部件信息的集合，從各裝配工序的配套零部件信息中匯總而得到。儀器設(shè)備匯總信息是裝配過(guò)程中所使用的儀器設(shè)備的集合，從各裝配工序的儀器設(shè)備信息中匯總得到。工裝匯總信息包含了裝配過(guò)程中所使用的工裝的全部集合，從裝配工步的工裝信息中匯總得到；裝配工序包含工序的零部件配套信息、儀器設(shè)備信息、詳細(xì)的裝配工步信息和裝配仿真動(dòng)畫(huà)信息，是指導(dǎo)工人裝配的重要依據(jù)。

3 裝配仿真信息處理

3.1 輕量化模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

U3D格式的輕量化模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。零件列表唯一記錄了裝配結(jié)構(gòu)中的零件信息，裝配體結(jié)構(gòu)中的多個(gè)零件可以引用零件列表中的同一個(gè)零件。零件列表中的零件記錄了零件的幾何信息，而裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)中的零件記錄了零件的位姿矩陣信息以及零件的一些屬性信息。例如，裝配結(jié)構(gòu)信息中的零件（1）和零件（2）引用了零件列表中的同一個(gè)零件，零件（1）和零件（2）具有相同的幾何信息，但它們具有不同的位姿矩陣，這樣，零件（1）和零件（2）就處于場(chǎng)景中的不同位置。零件列表中的零件是類(lèi)，而裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)中的零件是零件列表中零件的一個(gè)實(shí)例。

在U3D中，仿真動(dòng)畫(huà)信息存儲(chǔ)于動(dòng)畫(huà)資源當(dāng)中，每一個(gè)裝配單元通常對(duì)應(yīng)一個(gè)動(dòng)畫(huà)資源，每個(gè)動(dòng)畫(huà)資源包含多個(gè)裝配路徑信息，每個(gè)裝配路徑由一系列的關(guān)鍵幀組成，每個(gè)關(guān)鍵幀記錄了裝配單元的旋轉(zhuǎn)、位置、縮放和時(shí)間信息，如圖3所示。

3.2 輕量化三維模型的嵌入

在PDF當(dāng)中，輕量化模型以3D注釋的形式存儲(chǔ)于頁(yè)面當(dāng)中，在PDF頁(yè)面當(dāng)中插入3D注釋的步驟如下[7]：

步驟1：新建3D注釋?zhuān)付?D注釋插入的頁(yè)碼，以及3D注釋在頁(yè)面中的位置。

步驟2：聲明3D數(shù)據(jù)流，并建立包含有U3D格式工藝模型的3D數(shù)據(jù)流對(duì)象，然后將流對(duì)象加入注釋字典，創(chuàng)建特征字典并聲明用于模型控制的JavaScript腳本代碼；

步驟3：設(shè)定默認(rèn)視圖，包括指定了3D 模型的初始視圖，方位、位置、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、背景、渲染模式、光照、節(jié)點(diǎn)等參數(shù)信息；

步驟4：設(shè)定注釋外觀，提供一個(gè)沒(méi)有激活3D模型的注釋外觀用于不支持3D模型的場(chǎng)景；

步驟5：設(shè)定激活字典，聲明在何種方式下3D模型會(huì)被激活。

3.3 三維裝配仿真動(dòng)畫(huà)的映射

裝配過(guò)程仿真確定裝配單元裝配到指定位置的運(yùn)動(dòng)路徑，是位姿矩陣不斷變化的過(guò)程。位姿矩陣確定了裝配單元在空間中的位置和姿態(tài)，位姿矩陣由4×4矩陣來(lái)表示：

圖3 輕量化模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在裝配路徑規(guī)劃過(guò)程當(dāng)中，裝配單元的運(yùn)動(dòng)（包括移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)）等價(jià)于位姿矩陣P經(jīng)過(guò)一次矩陣變換，到達(dá)新的位姿矩陣 ，其變換過(guò)程可以表示為：

在U3D中，裝配仿真動(dòng)畫(huà)是由裝配單元與動(dòng)畫(huà)資源相關(guān)聯(lián)形成的，因此，可以將裝配動(dòng)畫(huà)

每個(gè)動(dòng)畫(huà)資源由一個(gè)或多個(gè)裝配路徑組成：

每一個(gè)裝配路徑由一系列的關(guān)鍵幀組成：

關(guān)鍵幀包含了旋轉(zhuǎn)、位置、縮放、時(shí)間等信息，可以表示為：

其中T表示該關(guān)鍵幀所處的時(shí)間，單位為秒，時(shí)間信息通過(guò)解析裝配路徑仿真信息獲取；R確定關(guān)鍵幀在世界坐標(biāo)系中的方向矢量，可以用公式表示為：

D確定關(guān)鍵幀原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的位置，可以表示為：

確定關(guān)鍵幀沿三個(gè)坐標(biāo)軸的縮放比例，可以表示為：

為了實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程仿真到U3D中裝配仿真動(dòng)畫(huà)的映射，就需要由裝配單元的位姿矩陣P求出關(guān)鍵幀的旋轉(zhuǎn)、位置、縮放分量，計(jì)算公式如下：

1）旋轉(zhuǎn)分量的計(jì)算

2）位置分量的計(jì)算

3）縮放分量的計(jì)算

3.4 裝配仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼的生成

一個(gè)裝配工序?qū)?yīng)一個(gè)裝配仿真動(dòng)畫(huà)信息，為了實(shí)現(xiàn)裝配工步和仿真動(dòng)畫(huà)信息的關(guān)聯(lián)，使裝配的操作人員能夠按照裝配工步查看裝配過(guò)程，需要生成裝配仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼，裝配仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼的生成過(guò)程如下：

步驟1：按照零部件的裝配順序，獲取裝配工步的零部件配套信息，假設(shè)裝配工

步驟2：獲取配套零部件的仿真動(dòng)畫(huà)信息，得到第一個(gè)零部件裝配路徑的起點(diǎn)關(guān)鍵幀的時(shí)間信息，以及最后一個(gè)零部件裝配路徑的終點(diǎn)關(guān)鍵幀時(shí)間信息。例如，零部件裝配路徑的起點(diǎn)關(guān)鍵幀的時(shí)間為

步驟3：根據(jù)起點(diǎn)關(guān)鍵幀時(shí)間和終點(diǎn)關(guān)鍵幀時(shí)間，生成該裝配工步的仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼，將其

4 應(yīng)用實(shí)例

基于上述方法，作者利用Acrobat SDK工具集，開(kāi)發(fā)了一個(gè)三維裝配工藝文件生成工具，該工具可以將裝配工藝規(guī)劃與仿真系統(tǒng)產(chǎn)生的裝配工藝信息和仿真信息進(jìn)行解析，形成用于車(chē)間發(fā)布的可操作的三維裝配工藝文件。本文的三維裝配工藝規(guī)劃與仿真工作是在Tecnomatix系統(tǒng)當(dāng)中完成的，通過(guò)對(duì)Tecnomatix系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將裝配工藝信息和仿真信息輸出到XML文件當(dāng)中，然后PDF讀取該XML文件信息，在解析XML的過(guò)程當(dāng)中，根據(jù)需要合并工藝模板（每一個(gè)工藝模板都是一個(gè)獨(dú)立的文件，如裝配封面模板、裝配工藝路線(xiàn)卡、裝配工序卡等）并將工藝信息寫(xiě)入，最終形成一本完整的裝配工藝文件。

如圖4所示為一三維裝配工序卡，左側(cè)窗口為裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)，右側(cè)為一裝配工序卡實(shí)例，該裝配工序卡總體上分為三個(gè)區(qū)域：表頭信息、工藝信息和三維模型信息。工藝信息包含工序信息和工步信息，工序信息采用兩個(gè)列表框來(lái)顯示工序的零部件配套信息和本工序所使用的儀器設(shè)備信息。工步信息包含了工步列表，工步操作說(shuō)明和工裝信息，當(dāng)裝配操作人員點(diǎn)擊工步列表中的工步時(shí)，工步操作說(shuō)明文本框則顯示所選工步的操作說(shuō)明信息，工裝信息列表框會(huì)顯示出工步所用到的工裝信息；三維模型顯示區(qū)域可以交互瀏覽三維模型，三維模型顯示區(qū)域上面的工具條是3D注釋自帶的工具條，可以對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、平移、測(cè)量等操作。三維模型顯示區(qū)域下面的幾個(gè)按鈕為仿真控制按鈕，例如，操作人員選擇一個(gè)工步，點(diǎn)擊播放按鈕，即可對(duì)該工步的裝配過(guò)程進(jìn)行仿真，在仿真過(guò)程當(dāng)中，可以對(duì)三維模型進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，以便更好地觀察裝配過(guò)程。此外，在仿真過(guò)程當(dāng)中可以暫停、停止仿真，并可以對(duì)仿真速度進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)束語(yǔ)

裝配工藝文件是裝配工藝信息的載體，是裝配人員進(jìn)行裝配操作的重要依據(jù)，具有十分重要的地位。為了實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真信息向下游延伸，本文提出了一種三維裝配工藝文件生成方法，并對(duì)三維模型嵌入、三維裝配仿真動(dòng)畫(huà)映射、裝配仿真動(dòng)畫(huà)控制代碼生成等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，作為電子簽名的工具，PDF格式的二維工藝文件廣泛應(yīng)用于企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)當(dāng)中，本文研究的三維工藝文件可以替代傳統(tǒng)的二維工藝文件，具有良好的應(yīng)用前景。

圖4 三維裝配工序卡實(shí)例

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