基于慧魚機(jī)器人虛擬裝配技術(shù)的研究*

何鴻禧 吳炎青 歐鑫

西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川 綿陽 621010

引言

虛擬裝配是虛擬制造技術(shù)的重要技術(shù)之一，因?yàn)槠鋵?duì)先進(jìn)制造模式的構(gòu)筑具有重大意義，自從該技術(shù)一問世就得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。利用虛擬裝配，通過利用可視化工具顯示裝配過程，可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)師機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性與裝配工人裝配操作的正確性，以便較早的發(fā)現(xiàn)裝配問題，對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化修改。運(yùn)用虛擬裝配技術(shù)可以顯著地縮短機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)周期，確保其他的并行工程順利開展，降低機(jī)械產(chǎn)品的成產(chǎn)成本，增加企業(yè)的核心競爭力。

國外從20世紀(jì)90年代中前期開始研究虛擬裝配技術(shù)，最早由華盛頓州立大學(xué)與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所共同開發(fā)了名為VADE的虛擬裝配環(huán)境，宣告虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝配領(lǐng)域的成功應(yīng)用，是虛擬裝配研究的重要里程碑。隨后，德國、英國、加拿大等多個(gè)國家的高校和研究機(jī)構(gòu)都著手開始虛擬裝配技術(shù)的研究。國內(nèi)對(duì)虛擬裝配的研究起步于20世紀(jì)90年代末期，發(fā)展迅速，提出了許多新理論和新方法，還取得了不少研究成果。國內(nèi)最早開展虛擬裝配研究的是浙江大學(xué)，目前的研究水平在國內(nèi)也處于領(lǐng)先地位。此外，國內(nèi)許多高校也進(jìn)行了對(duì)虛擬裝配相關(guān)的研究。

綜合上述國內(nèi)外對(duì)于虛擬裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)目前的虛擬裝配技術(shù)仍然落后于國外幾年，正處于第二階段向第三階段過渡的時(shí)期。盡管目前國內(nèi)外的高校和機(jī)構(gòu)在虛擬裝配技術(shù)方面做了許多研究，取得了較大的進(jìn)展，但是虛擬裝配技術(shù)這個(gè)概念從提出至今也就數(shù)十年時(shí)間，各種理論和方法尚未完全成熟，不可避免地存在一定的缺陷。

本文在分析國內(nèi)外對(duì)虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，討論并研究了目前虛擬裝配的軟硬件體系結(jié)構(gòu)，以慧魚機(jī)器人為例，應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，搭建了虛擬裝配環(huán)境，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于 Quest 3D慧魚機(jī)器人虛擬裝配系統(tǒng)。

1 慧魚機(jī)器人虛擬仿真裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用虛擬裝配技術(shù)設(shè)計(jì)慧魚機(jī)器人裝配仿真系統(tǒng)，面對(duì)不同年齡段的學(xué)生,進(jìn)行針對(duì)性、系統(tǒng)性、層次性地培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力，使其樹立良好的工程意識(shí)。不僅為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了支持，同時(shí)也解決了慧魚機(jī)器人實(shí)體零件種類數(shù)目繁多、查找保管不便、收集歸納整理較為復(fù)雜、模型臺(tái)數(shù)套數(shù)不足等問題，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本。

1.1 虛擬仿真設(shè)計(jì)原理

首先利用通過逆向工程測量慧魚機(jī)器人零件的尺寸參數(shù)，再用SolidWorks三維建模軟件建立慧魚機(jī)器人的三維模型，然后確定裝配路徑和順序，完成裝配；再者建立虛擬裝配環(huán)境，載入碰撞檢測程序；然后進(jìn)行虛擬裝配和仿真，最后進(jìn)行可裝配性評(píng)價(jià)[2]。

圖1 技術(shù)路線圖

1.2 慧魚機(jī)器人建模與裝配

虛擬裝配環(huán)境中的零件信息是零件描述、存儲(chǔ)的數(shù)字化表達(dá)。現(xiàn)有的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件雖然可以建立一些像長方體、球體的簡單幾何模型，但對(duì)于零件數(shù)量多且形狀復(fù)雜的機(jī)械類產(chǎn)品，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的建模能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了工程實(shí)際的需求。目前常用的方法是運(yùn)用傳統(tǒng)的三維建模軟件，如：Solid Works，Pro/E或UG等，首先進(jìn)行產(chǎn)品建模，然后對(duì)模型文件進(jìn)行轉(zhuǎn)化，獲得虛擬裝配系統(tǒng)能識(shí)別的信息文件，并將此信息文件導(dǎo)入到虛擬裝配系統(tǒng)中[3]。

1.2.1 三維建模軟件。Solidworks是一款Windows原創(chuàng)的三維設(shè)計(jì)軟件，功能強(qiáng)大、組件繁多，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、動(dòng)畫渲染、運(yùn)動(dòng)仿真、數(shù)據(jù)管理等模塊。

1.2.2 慧魚機(jī)器人建模與裝配。將慧魚零件分為機(jī)械零件，電氣零件以及氣動(dòng)零件三大類。在機(jī)械零件中，又可分為機(jī)械傳動(dòng)零件和機(jī)械支撐零件；電子零件可分為傳感器零件、驅(qū)動(dòng)零件等。我們運(yùn)用逆向工程，將各類零件進(jìn)行測量，獲得較為精確的形狀尺寸。最后在Soild Works軟件里進(jìn)行各類零件的三維建模，如下圖2所示[4]。

以慧魚機(jī)器人智能小車為例，首先添加需要裝配的零件，分析該智能小車各零件的裝配關(guān)系及其順序，然后在solidWorks軟件里完成裝配，如下圖3所示[5]。

圖3 小車裝配圖

1.3 慧魚機(jī)器人虛擬裝配系統(tǒng)的建立

1.3.1 Quest3D虛擬仿真平臺(tái)。Quest3D是一個(gè)容易且有效的實(shí)時(shí)3D建構(gòu)工具。比起其他的可視化的建構(gòu)工具，如網(wǎng)頁、動(dòng)畫、圖形編輯工具來說，Quest3D能在實(shí)時(shí)編輯環(huán)境中與對(duì)象互動(dòng)。Quest3D具有構(gòu)建實(shí)時(shí)3D方案的所有高效特點(diǎn)。

1.3.2 慧魚機(jī)器人虛擬裝配過程。首先將Solidworks里所建模型保存為stl文件，再用3DExploration軟件將stl文件轉(zhuǎn)化為x文件，用Quest 3D讀取經(jīng)此方法導(dǎo)出的x文件。

接著導(dǎo)入模型零件。成功導(dǎo)入模型時(shí)，可以看到Quest 3D已經(jīng)自動(dòng)在通道視圖創(chuàng)建了模型的形狀（子通道：XD_19318）與位置信息（子通道：Motion）。而一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Quest 3D模板通道組如下圖5所示，還應(yīng)該包含一個(gè)攝像機(jī)與燈光，表面紋理可以不考慮，只是起美觀的作用，設(shè)置與否并不影響我們裝配[6]。

圖5 Quest 3D模板通道組圖

接下來開始添加通道組，添加Start 3D Scene 通道、Render通道、Directional Light通道、Walkthrough Camera通道。Start 3D Scene通道的作用是在工程項(xiàng)目開始渲染之前做一些初始化工作，例如設(shè)置3D環(huán)境、屏幕分辨率、背景顏色等。Render通道有著渲染此工程項(xiàng)目中的3D物體的作用。Directional Light通道提供光照，使物體能被觀察到。Walkthrough Camera通道是以第一人稱的視角在虛擬場景中進(jìn)行移動(dòng)觀察，可以控制行進(jìn)的方向和目的地。Walkthrough Camera通道分為Camera Logic（攝像機(jī)邏輯）和Walkthrough Camera（行走相機(jī)）。將Camera Logic連接到Start 3D scene、WalkthroughCamera連接到Render上。Camera Logic有相機(jī)的復(fù)位鍵、初始位置以及當(dāng)前位置信息，都可雙擊通道進(jìn)行更改。Walkthrough Camera通道組用了一個(gè)基類型為Vector（矢量）的FastCollisionResponse（碰撞反應(yīng)）來控制攝像機(jī)的位置，其各部分作用如下圖6所示[7]。

圖6 Walkthrough Camera通道作用圖

通道添加完畢后，還需連接各通道組。連接完成后的通道如下圖7所示，裝配完成后的小車如圖8所示。

圖7 小車裝配通道圖

圖8 小車裝配圖

2 結(jié)束語

本文以慧魚機(jī)器人為例，利用SolidWorks三維建模軟件建立了慧魚小車的實(shí)體模型，在Quest3D虛擬仿真平臺(tái)下完成了虛擬裝配裝配環(huán)境的搭建，并進(jìn)行了虛擬裝配和仿真。通過研究，本文系統(tǒng)地分析了虛擬裝配過程，實(shí)現(xiàn)了三維建模軟件與虛擬裝配環(huán)境之間的三維模型文件的轉(zhuǎn)換。該方法不僅能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)節(jié)約成本，而且也可以為任意機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配提供借鑒[8]。