拖拉機前驅動橋虛擬裝配應用研究

曹文鋼， 程五四， 宋 軍

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拖拉機前驅動橋虛擬裝配應用研究

曹文鋼， 程五四， 宋 軍

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽合肥230009）

在分析和總結了虛擬裝配技術研究現狀的基礎上，闡述了其原理，實施步驟以及關鍵技術的應用，并以拖拉機前驅動橋為虛擬裝配對象，在計算機虛擬裝配環境(Division Mockup)中裝配并進行相應的裝配檢驗，介紹生成裝配序列與裝配路徑，并制作成裝配動畫的步驟，形象地展現產品的裝配全過程。在(Division Mockup)中，以第三方插件為橋梁，借助由數據手套、位置跟蹤器(FOB)、偏振眼鏡和投影系統組建的虛擬現實環境，可以實現人機交互操作，并介紹了人機交互接口定義的規則和方法。

虛擬裝配；裝配檢驗；虛擬現實；人機交互

虛擬裝配(Virtual Assembly，VA)是虛擬制造領域的核心技術之一，也是虛擬現實技術在產品裝配領域的一個重要應用。20世紀90年代中期，國外政府、企業、大學等機構對其進行了深入研究，虛擬裝配技術也逐漸應用于工程項目，如美國SGI 公司在設計波音777飛機的過程中采用虛擬裝配技術將300多萬個零件裝配起來，相比于物理裝配，節省了大量的財力和時間。國內對虛擬裝配的研究比較晚，但也取得了一定的經濟和社會效益。如西安飛機制造公司開發的數字化產品設計制造系統能完成產品零部件的三維模型設計、數字化預裝配、干涉檢查等功能。通過對虛擬裝配技術原理的分析研究，以拖拉機前驅動橋為虛擬裝配對象，在division mockup軟件平臺中對其進行虛擬裝配并對裝配過程進行了相應的裝配檢驗，產生裝配序列與裝配路徑，并制作成裝配動畫或圖片。

1 虛擬裝配技術

1.1 概 述

許多學者從不同的角度對虛擬裝配技術進行了探索，并給出相應的定義，具有代表性的有兩個：① 虛擬裝配就是將零件模型按約束關系進行重新定位的過程，是有效分析產品合理性的手段；②虛擬裝配是根據產品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的模擬裝配過程，以驗證和改善產品的可裝配性。

實際上，上面兩種定義都側重強調虛擬裝配的不同方面，虛擬裝配的定義在不同領域都有不同的界定。因此，本文對虛擬裝配做出如下定義：虛擬裝配是在計算機中模擬仿真現實裝配過程，即在計算機中建立產品零部件的三維模型，并采用計算機裝配，干涉檢查等反復驗證可行性的手段，利用工程數據庫來統一管理產品的設計和制造過程。

1.2 虛擬裝配流程

虛擬裝配工作流程開始于零部件電子模型的提交，結束于最終檢驗報告的形成。首先，從CAD系統中獲取三維零部件模型和裝配意圖，捕捉裝配約束，并進行信息轉換；其次，根據零部件之間裝配關系和約束條件，在VA系統中進行虛擬裝配，并進行相應檢驗，對產品的設計作出技術層面的分析評價，將不合理的設計數據作為輸出結果反饋至CAD系統，對其進行修改；最后，確定合理的設計方案，形成裝配序列與裝配路徑，制作成裝配動畫。虛擬裝配流程如圖1所示。

圖1 虛擬裝配流程

1.3 裝配工藝規劃

裝配工藝規劃主要包括兩個方面的內容：裝配序列設計和裝配路徑規劃。

裝配序列設計是確定零部件的裝配順序，可以先將單個零件的裝配過程和部件的裝配過程分開，最后再集體裝配起來。

裝配路徑規劃是根據裝配信息來確定零部件按照什么方向或路徑裝配以及裝配過程中是否有干涉存在，最后在眾多的裝配路徑中生成一條合理的裝配路徑, 對于幾種可行的裝配序列，根據裝配操作的穩定性、裝配操作中零部件的定位和定向次數等進行優化及選擇。

1.4 裝配過程仿真

裝配過程仿真是在計算機上模擬產品的實際裝配過程，形象地展現產品的裝配過程和裝配方法，并可通過人機交互手段調整和控制裝配元件的位姿，對裝配干涉進行實時檢查，同時對夾具的可達性、裝配空間的可操作性進行仿真，檢查各條裝配路徑上零部件之間在裝配過程中是否存在干涉和單條路徑各相鄰關鍵點之間是否有干涉情況，最后輸出MPEG視頻格式的裝配過程片段。裝配過程仿真流程如圖2所示。

圖2 裝配過程仿真流程

2 應用實例

本實例采用自上而下的設計模式，也就是在Pro/ENGINEER的軟件環境下建立產品各個零部件的三維實體模型，并以Product View文件ed的格式導出。在Division Mockup軟件中打開已導出的模型文件，可加入一些虛擬場景，以增強真實感，然后進行虛擬裝配仿真操作，最后獲得合理的裝配結果和模型。

2.1 模型的轉換

用于三維模型設計的CAD軟件很多，也就存在多種CAD數據格式。在進行虛擬裝配之前需要將模型導入到Division Mockup軟件中。在使用過程中發現，PTC公司的野火版Pro/E所建立的模型可以導出Product View文件ed的格式，使用其它CAD軟件建立的模型，要導入此模型需要調用Division Mockup軟件中的dvconvert轉換模塊，將其它標準CAD格式的模型轉換成vdi后綴的格式文件。

2.2 虛擬裝配過程

虛擬裝配是在虛擬環境下，利用虛擬裝配軟件模擬出CAD模型的零部件形成產品的過程。在大部分的CAD軟件中，模型的裝配需要對零部件添加適當的約束，建立零部件之間的裝配關系，將零部件按照裝配要求組裝在一起。但是，它們只顯示出裝配的最終結果，并不能展示產品的裝配過程，所以也并不能判斷出按照預定的裝配的關系是否能夠實現裝配過程或者是否是合理的裝配方式，而Division Mockup軟件可以全過程展示裝配的過程，通過設置各個零部件的裝配路徑及其它各種運動參數，將產品裝配起來。同時，可以通過加載Division Mockup軟件自帶的人體模型，利用外接設備控制人體模型，進行抓取、移動、放置等動作，從而實現人機交互的虛擬裝配過程。另外，在虛擬裝配過程中加入聲音、場景、顏色等，增強虛擬裝配過程的真實感，最后通過“Make Movie”功能將“Sequence”的裝配過程制作成MPEG格式視頻文件或者JPEG格式或者ppm格式圖像。

在導入轉換模型后，由于零部件空間位置比較凌亂，數量可能比較多。所以在裝配之前，將固定的零部件添加“Unmovable”約束，這樣零部件就不會移動，然后對“Functional Structure”進行相關調整。在Division Mockup軟件中“Functional Structure”的調整很方便，可以在“Functional Structure”中對部件創建“part”。同樣，可以創建各種“lights”，使畫面效果更加逼真。還可對零部件添加相關的“Behavior”屬性，在“Behavior”屬性下面添加相應的“Event”，只要對此零部件采取相應的操作，就會啟動預先設定的動作。如圖3所示。

2.3 干涉檢查

干涉檢查是虛擬裝配的一個重要內容，在虛擬裝配環境中對零部件進行靜態干涉檢查，以確定零部件的有效性，對干涉檢查不通過的零部件要返回CAD系統進行模型的修改。在虛擬裝配的同時對零部件進行動態的干涉檢查，若存在動態干涉，則需要修改裝配路徑或者裝配序列，若反復多次修改仍然未能解決干涉問題，則需要進行零部件的模型修改。

在Division Mockup軟件中，對零部件的干涉檢查操作如下：① 打開虛擬裝配模型；②從菜單欄“Tools”中選擇“Interference”，點擊“Edit Query”，彈出干涉檢查對話框（如圖4）；③根據需要選擇檢查模式，選擇需要進行干涉檢查的零部件，選擇“Instantaneous”檢查就是靜態干涉檢查，選擇“Continuous”檢查就是進行動態干涉檢查。另外，選擇菜單欄“Sequencer”中的“Interference Query From Sequence ”的選項也可以打開干涉檢查對話框，點擊“Run Query”進行干涉檢查并顯示檢查結果（如圖5）。從檢查結果可以看出在裝配過程中，兩零部件之間存在動態干涉的情況，需要調整裝配的路徑，如果仍然不能解決，需要對模型進行修改。

圖3 動作的列表與參數的設置

圖4 干涉檢查對話框

圖5 動態干涉檢查結果

2.4 截面分析

Division Mockup軟件中有動態截面分析功能，能夠更清楚地了解到產品的內部結構。從菜單欄“Create”中選擇“Dynamic Section”，可以創建截面來對產品內部結構進行探視。可以發現在左邊的“Functional Structure”中有剛剛創建的截面存在，并可以對截面的屬性進行編輯和修改，以達到想要的效果。如圖6所示。

圖6 截面分析

2.5 人機交互操作的實現

數據手套、跟蹤器作為相對獨立的外設，并不能直接跟Division Mockup 進行交互，需要第三方插件作為橋梁，借助由數據手套、跟蹤器、偏振眼鏡和投影系統組建的虛擬現實環境，來實現人機交互操作。這里選擇VRCO公司的Trackd軟件和Visual Advantage公司的RapidVRM作為第三方插件。

2.5.1 人機交互接口的定義規則

數據手套與Division Mockup2000i2接口的定義規則主要有：

（1）位置跟蹤器(Flock of Birds)上的RS-232接口連接到計算機上的COM1接口，特別注意的是，接口連接是只能接通“2、3、5”三個端口，否則將不能通過調試；

（2）位置跟蹤器的DIP SWITCH 定義如表1所示；

（3）空間位置發生器連接到位置跟蹤器的XMTR接口，發生器的信號發生源的放置位置一般與操作者的胸口位置齊平最佳；

（4）空間位置感應器連接到位置跟蹤器的RECEIVER接口，另一端粘連在數據手套上，一般是粘連在右手數據手套的手背上。

表1 位置跟蹤器DIP SWITCH定義規則

（5）Fakespace的RS－232接口連接到計算機上的COM2接口；

（6）數據手套左手連接到Fakespace 的LEFT接口，右手連接到Fakespace的RIGHT接口；

（7）Fakespace上的CONFIG設置應于位置跟蹤器的DIP SWITCH設置一致，必須是“1、3、7”處于打開狀態，其它處于關閉狀態，確保Fakespace的BAUD值為38400。

2.5.2 人機交互接口的定義方法

數據手套與Division Mockup連接時，Trackd軟件主要是配合位置跟蹤器使用，位置跟蹤器通過空間位置發生器與數據手套的空間位置發生器產生作用。

（1）定義Trackd 找到Trackd安裝目錄下的..etc下的配置文件trackd.conf，用可編譯文本的工具打開，修改定義部分如下：

DeviceOption CAVEPinch buttonassign 1 r1 r2

//右手手套的第一個手指和第二個手指對應button1

DefineDevice FOB fobirds 1

//位置跟蹤器的數量為1

DeviceOption FOB port com1

//位置跟蹤器連接到計算機的COM1接口

DeviceOption FOB baud 38400

//位置跟蹤器的BAUD值為38400，與Fakespace的BAUD值一致

DeviceOption FOB srt 1

DefineConnector SHM2 shm out 1

//定義數據手套的輸出

DeviceOption FOB srt 1

DefineConnector SHM2 shm out 1

//定義數據手套的輸出

DefineConnector SHM1 shm out 1

//定義Trackd的輸出

ConnectorOption SHM1 data tracker

ConnectorOption SHM1 key 4126

（2）定義RapidVRM 找到Division Mockup安裝目錄下的../etc/body下的配置文件rapidvrm-buttons.bod，用可編譯文本的工具打開，這個配置文件的作用是定義Division Mockup中的動作與在trackd中定義的buttons相關聯，部分配置如下：

BIND "BUTTON_1" FLY_UP_SLOW

BIND "" FLY_DOWN_FAST

BIND "" FLY_DOWN_ACCELERATE

FLY_DOWN_ACCELERATION 0.075

FLY_DOWN_SLOW_SPEED 0.1

FLY_DOWN_FAST_SPEED 4

FLY_DOWN_MAX_SPEED 8

上面的一段定義語句表示trackd里定義的button1在Division Mockup2000i2代表的動作是FLY_UP_SLOW（慢速上升）。而trackd里button1對應的是：“DeviceOption CAVEPinch button assign 1 r1 r2”，反映到數據手套上，即是右手手套的第一個手指與第二個手指的接觸動作，這個動作反映在Division Mockup中就是慢速上升。這就實現了利用數據手套在Division Mockup2000i2中操作模型。定義Division Mockup的啟動文件dvise.reg，此文件一般在C:Documents and Settings“用戶名”下，同樣地，用可編譯文本的工具打開，在這個配置文件里，可以定義Division Mockup的啟動狀態、顯示模式。啟動狀態指的是是否啟動數據手套，顯示模式指的是是否啟動立體顯示模式。數據手套與立體顯示模式同時啟動的定義方法如下：

config/test/input/config=test //啟動代號

config/test/visual/config=active //立體模式開啟

config/test/body/config=test

body/test/bodyFile=testbody

input/test/devices/wintracker/PRESENT=yes

//開啟數據手套

3 結束語

利用Division Mockup軟件和一些虛擬裝配的外接設備，組成簡單的虛擬裝配環境，進行虛擬裝配。Division Mockup軟件具有強大的仿真功能和人機交互功能，在產品的設計階段就可以模擬零部件在空間的裝配情況并能發現是否有干涉存在的情況，通過展示產品裝配的全過程，可以驗證和改善產品的可裝配性；利用它進行裝配過程規劃和仿真可以縮短設計周期，降低成本，提高設計質量。

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[5] Prem K Mahendran. Application of virtual reality & digital manufacturing techniques in aircraft manufacturing assembly [D]. Bharathiar University, 2005.

Application Research on Virtual Assembly of Tractor’s Front Drive Axle

CAO Wen-gang, CHENG Wu-si, SONG Jun

( School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China )

This paper analyzes and summarizes the current status of the virtual assembly technology research and elaborates its principle and implementing process. By taking the tractor’s front drive axle as an object, a virtual assembly and its corresponding inspection is conducted in the computer virtual environment (Division Mockup). The generation assembly orders and routes are introduced. The procedure of assembly animation is set up to vividly exhibit the whole process of product assembly. By virtue of the third-party plug-in units and the virtual reality environment consisting of data gloves, polarization glasses, projection system, and position tracker (FOB), human-computer interaction can be achieved in Division Mockup. The rules and methods of human-computer interaction interface definitions are introduced as well.

virtual assembly; assembly inspection; virtual reality; human-computer interaction

TP 391

A

1003-0158(2011)03-0075-07

2010-01-06

國防基礎科研基金資助項目（B1120060500）；安徽省科技攻關資助項目（06012141H）

曹文鋼（1957-），男，河北淶源人，副教授，碩士，主要研究方向為數字化設計與制造，計算機輔助設計，計算機圖形學。