基于裝配約束動態(tài)創(chuàng)建的虛擬裝配技術(shù)研究

鄧逸辰，范秀敏，邱世廣

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

基于裝配約束動態(tài)創(chuàng)建的虛擬裝配技術(shù)研究

鄧逸辰，范秀敏，邱世廣

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

為了有效地減少在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配仿真之前的仿真模型建模工作量, 提高裝配仿真的智能化程度,提出了一種在虛擬環(huán)境下面向裝配仿真的裝配約束關(guān)系動態(tài)創(chuàng)建的方法。通過提取零件信息文件中的約束特征信息,在裝配仿真過程中對兩個零件間可形成裝配約束的約束特征進(jìn)行識別和匹配,并利用識別所得的約束配對自動建立零件間的裝配約束關(guān)系,從而為虛擬環(huán)境下的裝配仿真提供了一種更靈活的實現(xiàn)方法。結(jié)合自主研發(fā)的虛擬裝配軟件,給出了實現(xiàn)基于裝配約束動態(tài)創(chuàng)建的虛擬裝配所需要的零件信息文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、約束特征識別和匹配的條件、約束確認(rèn)的算法流程,并通過具體實例驗證了該方法的有效性。

虛擬裝配；裝配約束特征；自動識別；動態(tài)創(chuàng)建

0 引言

近年來, 虛擬裝配技術(shù)在制造領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注, 它不僅可以指導(dǎo)工人裝配, 還可以在產(chǎn)品實際裝配之前在虛擬裝配環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)裝配,進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)并解決實際裝配過程中可能存在的問題。在虛擬環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行裝配時, 有時需要由操作者自由地選擇零件進(jìn)行操作，測試各零件間進(jìn)行裝配的可能性，而傳統(tǒng)的虛擬裝配仿真方法多是以零部件間已存在的裝配約束信息的提取為前置工作，以固定的裝配約束識別為基礎(chǔ)，無法實現(xiàn)零件間的自由裝配仿真，制約了虛擬裝配的靈活性。在虛擬環(huán)境下建立零部件信息模型, 并通過對其所含的參與約束的幾何特征信息的識別、匹配和解算, 是解決該問題有效的手段。

目前主要的交互式裝配操作可以分為三種：基于位置的交互操作、基于約束的交互操作和基于語義的交互操作。

基于位置的交互操作是最早被提出的交互定位方式。Gomes[1]和Chryssolouris[2]提出了基于“碰撞檢測”和“位姿近似捕捉”的虛擬裝配定位算法。這種方法將待裝配零件在裝配體中的最終位姿看作是已知的。在虛擬裝配中，實時檢測零件的位姿和定位點位姿的偏差，當(dāng)零件的位姿與定位點位姿偏差達(dá)到給定的誤差范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動將零件的位姿調(diào)整到最終的裝配位姿。

典型的基于約束的交互式裝配操作為上海交通大學(xué)的楊潤黨等人所做的研究[3]。在基于幾何約束的產(chǎn)品建模的基礎(chǔ)上，詳細(xì)研究了約束的識別、確認(rèn)和解算方法，將約束與自由度之間建立映射關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于自由度的多約束運(yùn)動導(dǎo)航。基于約束的交互操作方法對于模型建模要求較低，可以直接從CAD模型獲取產(chǎn)品裝配信息，在交互操作過程中零件間的裝配約束關(guān)系信息的處理較簡單，實時性好。不足在于交互操作不方便，且裝配動作沒有確切的含義。

基于語義的交互操作的典型研究為劉振宇等人所做的研究[4]。通過語義識別捕捉虛擬裝配過程中的用戶交互意圖，進(jìn)行裝配零部件的運(yùn)動引導(dǎo)與精確定位。采用從裝配語義元的空間位置屬性匹配、空間方向?qū)傩云ヅ洹㈩愋推ヅ洹?shù)匹配等4個方面進(jìn)行語義的識別。基于語義的交互操作方法的優(yōu)點在于在交互過程中可以通過語義中包含的豐富的工程信息使得裝配操作更復(fù)合實際裝配操作，且有利于裝配工藝規(guī)劃。不足之處在于裝配語義不能直接通過產(chǎn)品的CAD模型獲取，需要人的交互參與。另外，在操作過程中語義的處理較復(fù)雜。

在上述的交互式裝配操作中，基于約束識別的方法是目前比較流行和成熟的方法。

為了提高裝配仿真過程的靈活性，本文提出了虛擬裝配環(huán)境下實現(xiàn)面向裝配仿真的零件裝配約束關(guān)系動態(tài)建立的方法, 通過提取虛擬環(huán)境下零件的約束特征信息來對零件間可能形成的裝配約束關(guān)系進(jìn)行識別和配對, 獲得配對結(jié)果后,由操作者自主選擇所需要的裝配約束，生成零件間的裝配約束信息,為裝配仿真過程提供必要的數(shù)據(jù)信息。筆者結(jié)合自主研發(fā)的虛擬裝配軟件, 給出了基于虛擬裝配系統(tǒng)實現(xiàn)零件裝配約束動態(tài)創(chuàng)建的零件信息文件讀寫方法、約束特征信息的識別方法、約束特征信息的確認(rèn)方法和裝配仿真流程等,最后通過具體實例驗證了該方法的有效性。

1 零件信息模型建模與生成

1.1 零件信息模型功能需求

在虛擬環(huán)境下，基于裝配約束關(guān)系動態(tài)建立的零件間的裝配仿真操作不同于基于約束識別的裝配仿真操作，零件間不存在確定的裝配約束關(guān)系，因此需要滿足以下幾個要求：零件間的約束識別過程智能化；零件間裝配約束的快速求解；裝配過程中約束的識別和匹配要符合操作者的操作意圖。要實現(xiàn)上述條件，使用的零件信息模型除了必需具備三維模型本身的點、線、面等幾何特征信息外，還必須包含裝配過程中零件間進(jìn)行裝配約束關(guān)系動態(tài)創(chuàng)建所需的約束特征信息。

包含約束特征信息的零件信息模型建模要求如下：

(1)能夠包含可以進(jìn)行裝配約束識別的幾何特征的信息。

(2)零件信息模型中不具有裝配關(guān)系信息或約束信關(guān)系息，而只包含進(jìn)行快速約束識別時所需的約束特征信息。

1.2 零件約束信息表達(dá)

為了有效的實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程中的約束自動識別，本文在基本的零件信息的基礎(chǔ)上，加入了約束特征信息的概念。

約束特征信息：通常的虛擬裝配仿真是在裝配樹確定以及約束關(guān)系確定的條件下進(jìn)行的，因此產(chǎn)品信息模型中一般包含裝配信息和約束信息。其中約束信息用來記錄參與約束的零件對象、零件上的點、線、面特征元素，約束類型和參數(shù)。本文所提出的約束特征信息不同于約束信息，約束特征信息用來記錄零件中可以參與約束識別的點、線、面特征元素及相關(guān)參數(shù)，但不包含參與約束的零件對象及約束類型和參數(shù)信息，同時零件中能夠參與約束識別的幾何特征元素將以分組的形式進(jìn)行記錄，以保證零件間進(jìn)行約束識別時的快速性和準(zhǔn)確性，這一點將在下文中詳細(xì)介紹。包含約束特征信息的零件信息模型的層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 包含約束特征信息的零件信息模型的層次結(jié)構(gòu)

整個零件信息模型包括零件基本信息層、幾何特征信息層和約束特征信息層。

零件基本信息層主要記錄零件的名稱、顯示模型路徑、初始位姿矩陣以及一些零件的物性信息，如質(zhì)量、質(zhì)心位置等。

幾何特征信息層主要記錄零件幾何特征的類型、ID等管理屬性信息以及特征的參數(shù)值信息，由面表、線表、點表三部分組成。

約束特征信息層主要記錄可以進(jìn)行約束識別的幾何特征信息，包括幾何特征的類型、在對應(yīng)表中的ID及一些參數(shù)值信息。為了簡化虛擬裝配仿真過程中的約束自動識別過程，在約束特征信息層中，對一組約束的相關(guān)幾何特征信息以組的形式進(jìn)行記錄。以螺栓與螺母的配合為例，如圖2所示，螺栓構(gòu)件可以與螺母構(gòu)件進(jìn)行約束配合的幾何特征包括螺栓頭部一側(cè)的端面P1、螺桿的軸線L1，相關(guān)的參數(shù)信息為螺桿的半徑R1；螺母構(gòu)件可以與螺栓構(gòu)件進(jìn)行約束配合的幾何特征包括螺母兩側(cè)的端面P2和P3、螺母的軸線L2，相關(guān)的參數(shù)信息為螺母的螺紋半徑R2。虛擬裝配仿真過程中，在螺栓與螺母半徑相同的情況下，即R1=R2時，螺母的兩個端面P2和P3都可以與螺栓頭部的端面P1進(jìn)行面貼合的約束，同時螺母的軸線L2與螺栓的軸線L1存在線對齊的約束，因此螺母的約束特征信息分為兩組，每一組約束特征信息分別包含螺母一側(cè)的端面、螺母的軸線及螺母的螺紋半徑，即P2、L2、R2作為一組約束特征信息，P3、L2、R2作為另一組約束特征信息。

圖2 螺栓與螺母的約束特征信息分組

采用包含約束特征信息的產(chǎn)品信息模型，可以滿足實現(xiàn)裝配約束自動識別對產(chǎn)品信息模型的要求；在約束特征信息中對參與約束的幾何特征信息采用分組形式進(jìn)行記錄，一方面使約束特征信息的組織更加清晰明朗；另一方面在裝配仿真過程中，可以對零件間成組的幾何特征進(jìn)行識別，提高了裝配約束識別配對的效率，為零件間的裝配約束關(guān)系動態(tài)建立提供了方便。

1.3 零件信息模型生成

零件信息模型包括零件基本信息、幾何特征信息以及約束特征信息，零件信息模型文件的數(shù)據(jù)來源辦法如下：零件信息模型中的顯示模型通過CAD系統(tǒng)輸出的多邊形模型來實現(xiàn)；幾何特征信息和約束特征信息通過對CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)獲得。

(1)零件基本信息

零件基本信息主要包括零件的可視化模型信息以及初始位姿矩陣。在二次開發(fā)程序中，對當(dāng)前模型調(diào)用保存為面片模型的功能，可將零件的顯示模型保存在事先寫好的路徑下，在進(jìn)行保存的同時，還可以獲得該零件在全局坐標(biāo)系下的位姿矩陣，作為零件在虛擬環(huán)境下的初始位姿矩陣。

(2)幾何特征信息

由于不存在固定的約束關(guān)系，零件的幾何特征信息也不能通過讀取已存在約束的相應(yīng)特征的方法來獲得，而必須由操作者進(jìn)行手動選擇。操作者選擇零件幾何特征并將其信息輸出的過程分為兩步：一是操作者決定該零件可能形成的裝配約束組的數(shù)目；二是操作者根據(jù)每組裝配約束在零件上選擇所涉及的幾何特征，同時通過二次開發(fā)程序在后臺讀取每個特征的相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將其保存在零件信息模型中。

(3)約束特征信息

約束特征信息分組記錄了能夠進(jìn)行約束識別的幾何特征信息，其生成方式以操作者按約束特征信息選擇所涉及幾何特征為基礎(chǔ)。操作者選擇完一組約束對應(yīng)的幾何特征后，系統(tǒng)自動將該組中涉及的幾何特征歸為一組約束特征信息，對于存在額外的數(shù)據(jù)信息的幾何特征，如圓弧需要半徑長度信息，軸線需要其所在孔或軸的半徑信息等，可以調(diào)用相關(guān)的函數(shù)獲得這些數(shù)據(jù)信息，并將其一起保存于構(gòu)件信息模型文件中。

2 基于約束動態(tài)創(chuàng)建的裝配仿真

2.1 裝配約束動態(tài)識別

裝配約束匹配信息的動態(tài)識別是裝配約束解算的前提條件，即只有在約束信息已經(jīng)被識別的情況下，該信息才能被操作者確認(rèn)并進(jìn)行裝配約束解算。裝配約束匹配信息識別的目的是為了實現(xiàn)用戶的裝配意圖，匹配信息識別后將依次對參與約束的幾何特征元素進(jìn)行高亮顯示，提示用戶這里存在匹配的裝配約束關(guān)系。裝配約束匹配信息識別的過程就是在虛擬環(huán)境下，對零件間的約束特征信息進(jìn)行匹配，識別出零件間可能存在裝配關(guān)系的幾何特征，并生成相應(yīng)的裝配約束，從而實現(xiàn)裝配過程的仿真。

裝配約束匹配信息動態(tài)識別的流程如圖3所示。

圖3 裝配約束匹配信息動態(tài)識別的流程

第一步，零件間空間位置的判斷。在虛擬環(huán)境下，采用層次包圍盒法，獲取零件的包圍盒半徑作為距離基準(zhǔn)單位d，再計算兩零件包圍盒中心的空間距離L，當(dāng)L<2d時，則認(rèn)為兩零件的空間距離接近，繼續(xù)進(jìn)行第二步；否則，不進(jìn)行約束識別匹配。

第二步，零件約束特征列表的對比。對各自零件的約束特征列表中的每組約束特征信息進(jìn)行遍歷比對，由于約束特征信息中記錄了可以參與約束的類型、幾何特征的參數(shù)信息等，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在匹配的約束特征信息時，繼續(xù)進(jìn)行第三步；否則退出約束識別匹配。

第三步，用戶確認(rèn)所識別的約束特征，形成裝配約束。由于兩零件間可能存在多組可以匹配的裝配約束，在完成第二步后，其中一組匹配的約束特征信息中的幾何特征將以高亮顯示，此時用戶可以在不同的匹配約束特征中進(jìn)行切換，直到確定一組符合自己意圖的裝配約束特征，若進(jìn)行確認(rèn)，則生成一對新的裝配約束信息，并將此約束放入待確認(rèn)約束列表中。此時裝配約束自動識別的工作完成。

上述裝配約束匹配信息的動態(tài)識別與基于固定約束識別的方法相比，其不同之處在于，零件間的裝配約束關(guān)系需要通過操作者進(jìn)行選擇并確認(rèn)，如圖4。圖4a中，螺栓與軸套孔的兩端都可以進(jìn)行配合，在約束匹配信息的智能識別過程中，會依次在這兩組約束特征中進(jìn)行切換，由操作者選擇所需的裝配約束；圖4b中，軸與連桿兩側(cè)的孔均可以進(jìn)行軸孔約束配合，同樣需要操作者對所需的裝配約束進(jìn)行選擇。

(a)螺栓與軸套孔的配合

(b)轉(zhuǎn)軸與連桿的配合圖4 操作者選擇匹配的裝配約束過程

2.2 裝配約束匹配信息確認(rèn)

引入裝配約束匹配信息確認(rèn)的目的是為了利用動態(tài)創(chuàng)建的裝配約束匹配信息，實現(xiàn)用戶的裝配意圖。用戶遵循動態(tài)建立的裝配約束匹配信息的提示，移動裝配零件朝向待裝配件進(jìn)入匹配信息確認(rèn)過程，以模擬實際的裝配過程。

裝配約束匹配信息確認(rèn)的算法如下：

第一步，獲取已識別但未確認(rèn)過的匹配信息。

第二步，檢測匹配信息是否滿足確認(rèn)條件。滿足，則繼續(xù)向下進(jìn)行，否則，本過程結(jié)束。其中，確認(rèn)條件為匹配信息裝配零件進(jìn)入匹配信息確認(rèn)范圍，且所有約束都滿足識別條件。

第三步，對匹配信息中的第一個約束進(jìn)行解算，并修正零件的位姿。其中，約束解算是指，假設(shè)約束滿足，計算抓取的零件對象完成裝配后的位姿矩陣，并調(diào)整其位姿。

第四步，將匹配信息中的第一個約束標(biāo)示為已確認(rèn)，并繼續(xù)下一個約束的解算。

圖5 裝配確認(rèn)示例

以圖5a的情況為例：零件A與零件B之間存在的裝配約束分別為A的軸線與B的槽軸線的線對齊約束以及A與B之間的面對齊約束，約束平面分別為P1、P2。零件A與零件B的初始位姿矩陣分別為MA0和MB0。在軸線對齊約束預(yù)解算后，如圖5b，零件A的位姿矩陣變?yōu)镸A1，軸線對齊前后零件A的增量矩陣Amat1，因為MA1=MA0*Amat1，所以Amat1=MA0-1×MA1。再對零件A與零件B進(jìn)行面對齊約束預(yù)解算，如圖5c，完成后零件A的位姿矩陣變?yōu)镸A2，面對齊前后零件A的增量矩陣為Amat2，即MA2=MA1*Amat2，同上得Amat2=MA1-1×MA2。此時如果操作者進(jìn)行約束確認(rèn)，則調(diào)整零件A的位姿，完成裝配約束解算。

按照上述流程，即在虛擬環(huán)境下完成了零件間的裝配約束匹配信息的確認(rèn)過程。

3 原型系統(tǒng)開發(fā)與實例驗證

3.1 原型系統(tǒng)開發(fā)

基于零件裝配約束關(guān)系動態(tài)創(chuàng)建的虛擬裝配系統(tǒng)是在產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)平臺(Digital Mockup Simulation Platform， DMSP)的基礎(chǔ)之上開發(fā)而成的。DMSP是上海交通大學(xué)CIM研究所虛擬現(xiàn)實實驗室自主研究開發(fā)的一個Windows環(huán)境下的系統(tǒng)是一個基于現(xiàn)有虛擬裝配和虛擬仿真的研究和開發(fā)積累改進(jìn)而來的產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)仿真平臺，用于完成產(chǎn)品的裝配仿真、裝配工藝驗證、交互式視景仿真、生產(chǎn)線和車間布局規(guī)劃等。以DMSP為基礎(chǔ)，在對零件間裝配約束關(guān)系動態(tài)建立技術(shù)的研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了該虛擬裝配系統(tǒng)。

3.2 實例驗證

通過自主研發(fā)的虛擬裝配仿真系統(tǒng)對文中所提方法進(jìn)行了驗證。以刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)為例，在虛擬環(huán)境下，將導(dǎo)入的零件依次進(jìn)行裝配，其過程如圖6a所示。裝配完成的刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)如圖6b所示。

(a) (b)圖6 刨床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的裝配

4 結(jié)束語

本文提出了一種在虛擬裝配環(huán)境下通過零件間約束關(guān)系的動態(tài)識別，來建立零件之間的裝配關(guān)系，并實現(xiàn)零件裝配仿真的方法。即通過對零件的約束特征信息進(jìn)行配對, 得出相應(yīng)的裝配約束,經(jīng)過約束的解算確認(rèn)實現(xiàn)對應(yīng)零件間的裝配。同時給出了實現(xiàn)基于裝配約束動態(tài)建立的虛擬裝配所需的零件信息模型文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、約束特征識別和匹配的條件、約束確認(rèn)的算法和裝配仿真的實現(xiàn)流程。

在虛擬裝配環(huán)境下實現(xiàn)通過約束特征動態(tài)識別建立零件間的裝配約束關(guān)系，可以使操作者獲得更大的裝配操作靈活度，減少了在虛擬環(huán)境下進(jìn)行裝配仿真的前處理工作量, 提高裝配仿真的智能化程度，對有效地提高虛擬裝配仿真的自動化程度具有重要的意義。

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[3] 楊潤黨.虛擬環(huán)境中交互式工位規(guī)劃與裝配過程仿真技術(shù)研究[D]. 上海:上海交通大學(xué),2007.

[4] 劉振宇, 譚建榮, 張樹有. 基于語義識別的虛擬裝配運(yùn)動引導(dǎo)研究[J]. 軟件學(xué)報, 2002, 13(3): 382-389.

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(編輯 李秀敏)

Research of Virtual Assembly Technology Based on Dynamic Construction of Sssembly Constraint

DENG Yi-chen，F(xiàn)AN Xiu-min，QIU Shi-guang

(School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240,China)

In order to reduce the modeling work load of assembly simulation in virtual environment effectively, and to enhance the automatic level of assembly simulation, the dynamic construction method of assembly constraint in virtual environment is presented. By extracting the constraint feature information of parts that is used for virtual assembly, the feature in each part which is likely to form a assembly constraint can be recognized. A more flexible solution of assembly simulation in virtual environment is proposed through transforming the constraint pair recognized above into assembly constraint relationship between parts automatically. Combining with the virtual assembly simulation software, the data structure of part models, condition of constraint feature recognition, and constraint feature verifying process are proposed. The effectiveness of the method is validated by examples in the software.

virtual assembly；assembly constraint feature；automatic recognition； dynamic construction

1001-2265(2014)07-0124-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.07.036

2013-10-27；

2013-11-13

鄧逸辰(1988—)，男，江蘇揚(yáng)州人，上海交通大學(xué)碩士研究生，主要研究方向為虛擬裝配、虛擬現(xiàn)實，(E-mail) 5103899dyc@163.com；范秀敏(1971—)，女，福建南平人，上海交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向為虛擬現(xiàn)實、系統(tǒng)仿真。

TH166;TG65

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