基于STEP和OSG的虛擬裝配系統

劉 凱，趙新燦，譚同德

（鄭州大學 信息工程學院，河南 鄭州450001）

0 引 言

虛擬裝配作為虛擬現實技術在產品設計領域中的一個典型應用，已引起國內外學者的廣泛研究［1］。大部分建立虛擬裝配系統的方案為：①在CAD中建模，用CAD二次開發工具轉化為某種格式的三角面片模型，然后導入虛擬裝配系統。例如美國華盛頓州立大學開發的VADE虛擬裝配環境［2］，浙江大學開發的虛擬環境；北京理工大學開發的虛擬裝配環境等。這種三角面片模型丟失了拓撲和幾何等工程設計信息，即使采用手段彌補，也是一種信息單向傳遞的方案，如果虛擬裝配中發現設計問題的話，虛擬裝配結果很難及時反饋到CAD設計活動中，使虛擬裝配系統成為信息孤島，減少了其實用性。②直接在虛擬裝配系統中建模，再進行虛擬裝配，無須與其他CAD系統進行數據傳輸，例如浙江大學開發的VDVAS系統，香港城市大學W.Y.Ma等建立的虛擬現實環境。這種方案使得CATIA，UG和Pro／E等傳統CAD模型難以應用［3］。③采用CAD通用標準STEP，將CAD模型直接導入虛擬裝配系統進行裝配。這種方法保留了模型的各種工程設計信息，不僅使裝配方便靈活，還可以向CAD及時反饋信息，使得CAD與虛擬裝配系統雙向數據傳遞。但此方法研究較少，只是做了一些探索性的研究，如山東大學設計的虛擬裝配系統［4］，最終采用OpenGL仿真實現不太現實，其松散的API使得編程實現非常困難。針對上述問題，本文基于STEP標準，結合OSG開源虛擬現實引擎，在Visual Studio VC＋＋集成開發環境下，設計并實現了一個自主知識產權、可擴展的虛擬裝配系統。

1 系統框架

虛擬裝配系統框架可用圖1描述，主要包括裝配三要素智能匹配模塊、輔助裝配信息庫、裝配序列規劃模塊、OSG仿真模塊。

（1）裝配三要素智能匹配模塊：一個完整的虛擬裝配系統中應包括：待裝配零件、工具、虛擬人姿態動作，稱之為裝配中的三要素。即裝配場景中虛擬人選取某裝配工具，采取某種姿態動作，裝配待裝零件。由于待裝配零件來自于CAD軟件存儲的STEP文件格式，因此可提取其信息，根據提取出的零件名稱、拓撲、幾何尺寸等信息，智能匹配工具與姿態動作，如根據螺帽形狀、尺寸等信息，匹配扳手型號，人操作扳手的姿態動作。本模塊需要建立工具庫、虛擬人姿態動作庫、以及零件STEP的信息提取。

（2）輔助裝配信息庫：為得到裝配序列，僅有零件STEP信息是不夠的，還需要輔助裝配信息的支持，包括：STEP裝配體中裝配關系的識別、電子手冊、裝配知識庫、遠程專家指導。其中STEP裝配體中裝配關系的識別是通過STEP裝配體文件中暗含著零部件的空間幾何關系，識別出零部件之間的裝配關系［4］；電子手冊中包含零部件信息和裝配步驟信息；裝配知識庫中包括零件的裝配規則和裝配操作可行性規則；遠程專家指導既專家的經驗知識。

（3）裝配序列規劃模塊：將裝配三要素和輔助裝配信息庫作為輸入，采用裝配序列規劃算法生成裝配序列。

（4）OSG仿真模塊：將裝配三要素讀入OSG虛擬裝配環境，根據前面生成的裝配序列生成OSG教學動畫，操作人員觀看學習后進行交互裝配練習，達到學習目的。最后系統給出評價和指導，如工效評價和可裝配性評價等，根據這些評價結果可以優化裝配序列，如發現零件的設計問題，反饋給CAD系統或直接修改STEP文件，實現VR與CAD雙向通信；另外，由于OSG出色的虛擬現實渲染能力，也可為工業模型裝配增強虛擬現實效果，如搭建裝配工作場景，為工業模型添加重力、透明、紋理、爆炸等虛擬現實效果，使裝配系統更加真實、實用。

可見，要實現該系統有諸多工作要做，本文對其中的關鍵技術問題進行研究，并用OSG仿真出一個原型系統。

2 虛擬裝配系統關鍵技術

2.1 STEP信息提取

本部分主要分析零件STEP文件結構并從中提取出幾何與拓撲信息。

STEP（standard for the exchange of product modal data）全稱是產品模型數據交換標準，它描述了產品從設計到生產制造整個產品生命周期內包括幾何形狀、拓撲結構、裝配／分解順序、材質／公差等方面的信息和數據交換的定義，主要用于在各CAD／CAM系統之間進行產品數據的交換和共享［5］。STEP提供了4種方式實現產品數據的交換和共享，分別是：文件交換方式、應用程序接口方式、數據庫交換方式、基于知識庫的交換方式，其中使用最廣泛的是文件交換方式，目前各主流的CAD／CAM系統，如SolidWorks、CATIA、UG、Pro／E等都可讀取或保存為STEP格式的中性文件。

STEP標準采用一種可讀寫的中性文件交換數據，中性文件由頭段和數據段組成，頭段信息主要是文件相關的管理信息，包括文件名、建立日期、作者、版本等信息。數據段主要包括產品模型的拓撲結構和幾何形狀信息，采用擴展邊界表示法（boundary representation，簡稱B－Rep）來組織這些信息。擴展邊界表示是使用點、邊、環、面、殼依次組成實體邊界并定義實體形狀和尺寸的一種幾何造型方法。在STEP中性文件中，拓撲結構最上層為邊界表示法（ADVANCED＿BREP＿SHAPE＿REPRESENTATION），它通常是若干個實體（Solid）的并集，實體又是若干個殼（Shell）的并集，殼的邊界又由若干個面（Face）的并集來表示，而每個面又由它的幾何曲面（Surface）和曲面上的邊界（Bound）來表示，一個邊界對應一個環（loop），環的邊界是若干條邊（Edge）的并集，而邊又由幾何曲線（Curve）和曲線上的頂點（Vertex）來表示，頂點又由笛卡爾坐標點（Point）來描述［6］。文件數據段部分數據示例如圖2所示。

由這段數據可明顯看出其拓撲結構，＃155（ADVANCED＿BREP）包含＃31（SOLID），＃31包含＃27（SHELL），＃27由（＃32，＃28，＃9，＃57，＃51，＃59）6個FACE組成，＃32（FACE）包含＃69（FACE＿OUT－ER＿BOUND）和＃139（PLANE），以此類推，是一個深度遍歷的過程。其中＃后的數字為實例編號，也是在文件中所處的行號，MANIFOLD＿SOLID＿BREP為實例關鍵字，（）內為其組成屬性信息。

根據每行數據結構，設計結構體，提取其信息，保存在結構體數組中，用于深度遍歷向OSG映射。

設計結構體如下：

struct EntityNode

｛

int ID；／／實例編號

CString Name；／／實例關鍵字

std：：vector＜CString＞ ＿attrs；／／組成屬性

｝；

信息提取方法：設計信息提取類CExtractFileInfo處理每一行中的字符串，其以每行中的 ‘＃’，‘＝’，‘（’，‘，’，‘＇’，‘）’，‘；’作為分隔符，讀取每分割段內的字符串，將 ‘＃’，‘＝’之間的數字作為實例ID號，將 ‘＝’與之后第一個 ‘（’之間的字符串作為實例關鍵詞，將 ‘（’與 ‘）’之間的數據作為實例的屬性。程序順序讀取直至讀到文件尾結束，將這些數據保存到結構體數組中。

2.2 STEP導入 OSG

根據前面提取到的結構體數組，深度遍歷，將STEP關鍵字逐個映射到OSG，并形成OSG場景樹，最終由OSG渲染繪制出STEP零件。

OSG作為一款優秀的開源虛擬現實引擎，使用C＋＋語言并采用面向對象的思想編寫，除封裝了OpenGL幾乎所有的API函數，還具有自身一些獨特的技術特性，如空間數據組織、場景改動最少化、細節層次節點技術（LOD）等，使得OSG有著強大的場景圖組織和高速渲染能力。與其他商業圖形引擎相比，其功能更強、性能更好［7］。OSG采用自頂向下、分層的樹狀結構，進行存儲、組織和管理需要渲染的場景。一棵場景樹包括一個根節點（Root）、多級內部的枝節節點（Group），已經多個末端的葉子節點（Geode）。根節點和枝節節點負責構建樹的層次，而葉子節點則保存一個或多個可繪制對象（Drawable），就好像樹枝的末端生長著葉子，葉子里面又包含著果實一樣。

為完成STEP關鍵字向OSG的映射，并建立OSG場景樹，建立映射規則如下：

（1）STEP文件中的實體關鍵字ADVANCED＿BREP＿SHAPE＿REPRESENTATION映射為OSG的矩陣變換節點osg：：MatrixTransform（其繼承于osg：：Group），由于該關鍵字處于拓撲結構最上層，代表著整個STEP零件，在后面的裝配過程中需變換零件整體的位置。

（2）STEP文件中表示拓撲關系的實體關鍵字映射為OSG的組節點osg：：Group。

（3）STEP中性文件中表示幾何形狀的實體關鍵字映射為OSG的幾何圖形繪制類osg：：Drawable，作為果實加入葉子節點osg：：Geode。

根據上述映射規則，STEP關鍵字與OSG的映射關系以及OSG場景樹的組織結構如圖2所示。

圖3中白色節點代表STEP拓撲關鍵字，映射為OSG組節點，黑色節點代表幾何關鍵字，映射為Drawable節點，加在葉子節點Geode下，共同組織在場景根節點Root下，形成場景樹，最后OSG渲染繪制場景。

2.3 STEP幾何信息的NUBRS表示

STEP文件中的幾何形狀眾多，包括各種規則的和不規則的曲線曲面，如平面、圓錐、球、B樣條曲面等等。針對這樣繁多的幾何形狀，必須采用統一的表示方法，否則極難程序實現。

本文中采用NUBRS來表示STEP中所有的幾何圖形，NUBRS的全稱是非均勻有理B樣條曲線（曲面），是在曲線曲面描述理論中，發展得比較優秀、實用面最廣的曲面曲線理論，由于NURBS方法優秀的特性，成為STEP標準中描述工業產品幾何形狀的唯一數學方法［8］。NURBS曲線、曲面的公式分別如式（1）和式（2）所示。

式（1）中，Pi是曲線的控制頂點序列，ωi是與Pi對應的權因子，Ni，k（t）是k階B樣條基函數；式（2）中，Pij是矩陣域上特征網絡控制頂點列，ωij是與Pij對應的權因子，Ni，p（u）和Nj，q（v）是p階和q階的B樣條基函數。

由公式可見，只要給出控制點序列和權值，就可以表達出對應的NURBS曲線、曲面。

采用NUBRS理論，各種幾何圖形的NURBS表示方法如下：

（1）直線段：線段的兩個端點即為控制點，權值相等均為1。

（2）圓弧：圓弧統一用9個控制點來定義，首尾控制點分別是圓弧的起點和終點，剩余的7個點坐標（x，y）分別根據下列公式計算［9］

式中：α——圓弧角度，A——圓弧起始角，n——控制點數目，R——圓弧半徑。權因子也分兩種情況：奇數控制點的權因子為cos（β），偶數控制點的權因子為1。

（3）平面：采用長方形表示法，長方形的4個頂點即為控制點，U方向兩個控制點，V方向也兩個控制點，權值都為1。

（4）圓柱面的NURBS表示：圓柱面可以看作是一條直線繞中心軸旋轉一周得到的表面。因此U方向為一整圓弧，有9個控制點，V方向是一條直線，有2個控制點。可參照上面直線與圓弧的表示，用一個二維數組cp［9］［2］存儲控制點。

（5）圓臺面：表示方法與圓柱面類似，圓臺面可以看做是一個上圓與底圓半徑不相等的圓柱，而圓錐面可以看做是其中一個圓的半徑為零。

（6）球面：把球面看作將一個半圓繞其中心軸旋轉一周得到得表面，U方向為一整圓，9個控制點，V方向為一半圓，5個控制點，用二維數組cp［9］［5］存儲。

（7）圓環面：一個整原繞其中心軸旋轉一周得到得表面，U、V方向都為一整圓，用二維數組cp［9］［9］存儲。

（8）不規則的曲線曲面：直接從step文件中讀出控制點和權值數據存入控制點數組。

將得到控制點數組傳入osg：：Drawable類，再根據step文件的OUTER＿BOUND（外環）和BOUND（內環）信息進行裁剪，最終由OSG繪制。

2.4 裝 配

由圖2中OSG場景樹可見，STEP零件拓撲結構的最上層 ADVANCED＿BREP＿SHAPE＿REPRESENTATION映射為osg：：MatrixTransform（矩陣變換節點），因此根據用戶指定的配合關系，計算出變換矩陣，對零件施加位置變換，即完成裝配。

實現裝配的過程如下：

（1）拾取裝配對象：利用OSG拾取類與幾何面線求交，如果選中，得到其基準點與法向量數據，并將其設為OSG高亮節點。

（2）指定裝配基準件和零件：在裝配過程中每一個后續零件總需要裝配在一個指定的裝配基準件上［10］。在本系統中，由圖2中OSG樹形結構所示，可由所選面線沿著樹的路徑向上即可找到osg：：MatrixTransform節點即找到所選零件，將其設置為基準件或零件，裝配時，基準件位置不動，零件變動位置。

（3）指定配合關系并計算變換矩陣：根據指定的配合關系（如面－面重合、垂直、同軸心等），由面、線的基準點和法向量等信息計算出零件的旋轉和平移矩陣，變換零件位置，完成裝配。

3 系統仿真效果

為展示效果，本系統從CAD軟件設計的光學頭盔零件中選取了6個零件，另存為STEP中性文件，讀入本系統，經過若干次配合之后，裝配成頭盔中的光路部分。效果圖如圖4所示。

圖4 系統仿真實現效果

在圖4中，第一幅圖表示裝配前的效果，第二幅圖為裝配后的效果。裝配后效果圖中部分零件設置了透明效果，因此可以看到其內部的零件，綠色高亮的部分是裝配過程中選取特征面進行配合留下的痕跡。

4 結束語

本文將STEP標準與OSG虛擬現實引擎相結合，設計了一個虛擬裝配系統，對其中的關鍵技術問題進行研究，并仿真實現了一個原型系統。下一步需要繼續完善該系統，另外，裝配方式也較為繁瑣，需要進一步識別裝配特征，簡化裝配操作，裝配后的各項指標的評價也有待進一步研究，如干涉檢查、可裝配行與工效評價等，完善這些工作會使裝配系統更有實用價值和意義。作者相信由于本文解決了系統的關鍵技術問題，其進一步完善一定可以順利完成。

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