李才波+梁利東+胡阿敏

【摘 要】本文提出一種針對機械工業(yè)產(chǎn)品的虛擬分層裝配及運動仿真的設(shè)計方法。以UG NX進行三維建模，運用Quest3D引擎平臺對產(chǎn)品模型進行虛擬場景的實施驅(qū)動和人機交互控制，實現(xiàn)產(chǎn)品的分層序列拆裝及運動仿真功能。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有較好的沉浸感和應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實；分層裝配；運動仿真；Quest3D

0 引言

虛擬裝配作為虛擬制造技術(shù)[1-3]的重要組成部分，近年來得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并對敏捷制造、虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠(yuǎn)影響。利用虛擬裝配，可以驗證裝配設(shè)計和操作的正確與否，以便及早的發(fā)現(xiàn)裝配中的問題。而通過虛擬運動仿真，可模擬產(chǎn)品運動狀態(tài)下運動設(shè)計精度的準(zhǔn)確度。通過反饋信息可對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配運動過程。運用該技術(shù)不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品在市場中的競爭力。虛擬裝配改善傳統(tǒng)以經(jīng)驗為主、裝配滯后于加工設(shè)計的弊端。本文提出基于Quest3D的虛擬裝配及運動仿真的實現(xiàn)方法，依據(jù)零件的裝配分層關(guān)系實現(xiàn)序列拆裝，并給出虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計方法和案例。

1 分層序列裝配模型

由于機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個零部件之間都有嚴(yán)格的裝配關(guān)系[4-5]，無論是拆還是裝都需要按照設(shè)計的裝配結(jié)構(gòu)來進行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)按照其真實的裝配標(biāo)準(zhǔn)按層次劃分或分解為不同級別的能夠進行獨立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產(chǎn)品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機器五個等級的裝配體，裝配時，按照上述等級依次分解，上一級包含下一級子裝配體，下一級子裝配體又包含更下一級子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優(yōu)點在于更清晰表達(dá)產(chǎn)品中零部件之間的層次關(guān)系，并可以用子裝配體表達(dá)一組功能上或物理結(jié)構(gòu)上相關(guān)的零件集，可減少裝配分析的復(fù)雜性，簡化問題的求解過程。圖1 為分層序列裝配示意。

幾點說明：

（1）在裝配模型設(shè)計中，每一層裝配體都會存在基準(zhǔn)件，按照裝配工藝要求將基準(zhǔn)件設(shè)為該層序列的第一個裝配體，以保證滿足裝配標(biāo)準(zhǔn)和裝配精度；

（2）裝配單元的劃分依據(jù)具體機械產(chǎn)品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現(xiàn)單一零件時，該類零件則視為部件級零件，可以直接在相應(yīng)層中進行裝配順序排序。

2 基于Quest3D的虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文的虛擬裝配系統(tǒng)分為兩個區(qū)，即場景區(qū)和功能區(qū)。場景區(qū)包括攝像機控制、3D模型導(dǎo)入和顯示、環(huán)境設(shè)置。其中，攝像機控制是根據(jù)用戶需求實現(xiàn)對模型及場景的瀏覽漫游功能如移動、旋轉(zhuǎn)和縮放等；3D模型導(dǎo)入和顯示則是基于原始模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和表示，每個零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環(huán)境設(shè)置包括場景布置、燈光設(shè)置以及UI設(shè)計。功能區(qū)由五個功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運動仿真模塊。如圖2所示。

2.2 模型導(dǎo)入轉(zhuǎn)化及場景設(shè)置

通過UG NX三維建模，生成原始數(shù)據(jù)模型，應(yīng)用Deep Exploration軟件將prt文件模型進行文件格式轉(zhuǎn)換為dae文件，然后導(dǎo)入到Quest3D中。Quest3D可對導(dǎo)入所有數(shù)字內(nèi)容的進行設(shè)置和編制。由于機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個可裝配的零部件，需要通過程序定義其在場景中的世界坐標(biāo)及彼此位置關(guān)系，用3D render場景模塊把它們組合在一起并顯示。

為了能更好控制每個零部件裝配運動狀態(tài)，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個可裝配零部件的運動屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運動速度可調(diào)節(jié)性，Quest3D 提供阻尼模塊參數(shù)Damping value，將其與運動方向建立聯(lián)系。在拆或裝時候，阻尼參數(shù)發(fā)揮作用，Damping 值增加時，阻尼增大，零件裝配運動減慢，反之亦然。

場景設(shè)置主要包括光照、攝影機設(shè)置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點光源從攝像機的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強用戶的沉浸感和系統(tǒng)的交互性。攝影機是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對空間視窗的對應(yīng)關(guān)系。系統(tǒng)采用物體注視攝像機（Object Inspection Camera）作為場景的交互窗口，通過調(diào)節(jié)攝像機的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數(shù)，設(shè)定攝像機的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標(biāo)就可以對三維場景中所有物體進行瀏覽操作。圖4為三維模型導(dǎo)入效果圖中，（a）為一個二級減速器，（b）為車床主軸箱。

2.3 裝配及運動設(shè)計

Quest3D中的三維模型中各個裝配體依據(jù)裝配單元建立層級鏈表，即確定拆裝過程的序列。每個裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉(zhuǎn)）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據(jù)裝配序列依次對裝配體的各個矩陣中參數(shù)的進行改變設(shè)置，從而實現(xiàn)裝配體的平移運動和旋轉(zhuǎn)運動，以達(dá)到零部件裝配效果。

虛擬裝配過程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動拆裝方式。整體拆裝是對整個模型一次性實現(xiàn)拆分和裝配過程，體現(xiàn)“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進行拆裝；模擬手動拆裝則是通過建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實拆裝過程。無論以何種方式進行裝配，拆裝模塊作為獨立模塊可進行重復(fù)調(diào)用，表1為拆裝模塊中相關(guān)設(shè)置參數(shù)表示。

系統(tǒng)的UI模塊是用戶實現(xiàn)裝配操作的交互窗口，不同類型的機械產(chǎn)品可根據(jù)其復(fù)雜程度和操作方便性、人性化原則進行設(shè)計。本系統(tǒng)可用三維鼠標(biāo)實現(xiàn)場景模型的移動、旋轉(zhuǎn)和縮放，同時設(shè)置菜單、按鈕、復(fù)選框等控件進行裝配過程的選擇、設(shè)置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級變速虛擬傳動示意圖。

3 結(jié)論

本文提出了分層裝配思想應(yīng)用Quest3D 引擎開發(fā)的虛擬裝配和運動仿真系統(tǒng)可用于不同類型的機械產(chǎn)品模型，通過建立虛擬場景、UI功能模型有效達(dá)到了用戶對于產(chǎn)品的交互操作，其虛擬裝配過程和運動仿真對于企業(yè)設(shè)計制造及高校實踐教學(xué)提供了較好的虛擬現(xiàn)實平臺。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]