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发动机装配过程的体视动态模拟系统 |
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作者：北方工业大学 陈世红 黄心渊 |
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摘要：以发动机装配过程为例，详细地介绍了体视动态模拟系统的硬件结构和软件结构，讨论了体视动态模拟中的需要注意的几个问题。
关键词：发动机；体视；模拟
零部件的装配作业是现代生产过程的一个重要环节，零部件装配成功与否是由零件装配时的几何约束及相应的力学状态决定的。几何约束可以通过运动轨迹分析和动画来描述。
参加配合的零件的几何元素称为装配特征，例如平面、柱面和孔等。装配特征之间的配合方式按几何连接形式分为四种：共面反向、孔柱配合、棱孔柱配合和球套配合。共面反向表示零件之间的平面接触，但是法线方向相反；孔柱配合表示圆柱和圆孔同心且相互接触；棱孔柱配合表示棱柱和棱孔的同心且相互接触；球套配合表示球和套的同心配合。常见的发动机零件装配中，最常用的是孔柱配合和共面反向配合。棱孔柱配合相对较少，基本没有球套配合。
在实际装配过程中，由于零部件的空间尺寸不明确，加上装配作业中的操作误差，常常会造成装配件之间的位置误差，致使装配件损坏或者卡死。为了保证装配作业成功，必须确定一个合理的装配策略，并且最好能够在实际装配之前，在计算机上模拟装配过程，以检验装配策略的合理性和正确性。
下面我们就介绍一个基于体视动画技术的发动机装配过程的动态模拟系统。
1 体视动态模拟系统的硬件结构
传统的动态模拟技术可以较为精确地描述零部件的装配过程，但是由于单视点透视没有深度感觉，很难准确判断零部件之间的干涉情况。而在实际中，我们观看东西的时候，总有立体的感觉，也就是说我们能够感觉到物体之间的距离，也能够感觉到物体与我们之间的距离。当观看物体的时候，在同一时刻，两个不同图象通过不同的角度进入你的左右眼，人脑通过分析两幅图象得到距离和深度。我们也可以通过计算机生成图象来体验这神奇的效果，这就是所谓的体视图象生成技术。如果生成静态的体视图象，那么使用传统的体视投影技术即可。但是，如果要生成类似于发动机装配过程这样的大量体视动画，就要使用体视动画的自动生成技术［1］。
要在计算机上观察出体视动画，需要采用合适的观察方法。现在常用的观察方法很多，例如传统的红蓝眼镜方法，新型液晶眼镜方法等等。红蓝眼镜方法不需要在计算机上增加硬件设备，而新型液晶观察设备则必须增加新的硬件，具体结构见图1［2］：
图1 新增硬件的连接关系
从图中可以看出，新增的硬件有控制卡、控制盒和立体眼镜。控制卡插在计算机的扩展槽中，通过信号线与计算机显示卡相连。显示器与控制盒直接与控制卡相连。新型立体眼镜是无线的，因此，不需要与控制盒相连。需要特别说明的是，在这种硬件结构中，显示设备必须是逐行的。
在计算机上新增了这些设备后，就可以观察到有深度感的动态图象了，也就能够在计算机屏幕上观察到物体之间的前后关系。当然，所观察的内容也需要是双视点生成的图象。
2 发动机体视动态模拟系统的软件结构
发动机是一个复杂的机构，为了更好地描述整个系统的装配过程，需要将这个系统分解成几个相对独立的子系统。根据所描述发动机的结构特点和功能，将整个发动机分为6个部分。图2是发动机装配过程体视动态模拟系统的结构。它由控制器、整机装配子系统、驱动部件装配子系统、冷却系统装配子系统、机体部件装配子系统、进排气系统装配子系统、增压系统装配子系统和黑板几个主要部分组成。下面对各个模块给以简单介绍。
(1)控制器
控制器同各个模块相连，可以调用任何一个模块工作，是系统的总指挥，控制整个系统的运行。它的主要工作是根据用户输入的数据和当前状态生成和改变设计环境，控制各个子模块的运行顺序，解决各个子模块间的相关问题。
为了实现上述控制，控制器采用了黑板控制法和菜单驱动控制法相结合的控制策略。
图2 体视发动机体视动态模拟系统的软件结构
(2)驱动部件装配子系统
该子系统用体视动态模拟技术演示驱动部件的正确装配过程。
(3)冷却系统装配子系统
该子系统用体视动态模拟技术演示冷却系统的正确装配过程。
(4)机体部件装配子系统
该子系统用体视动态模拟技术演示机体部件的正确装配过程。
(5)进排气系统装配子系统
该子系统用体视动态模拟技术演示进排气系统的正确装配过程。
(6)增压系统装配子系统
该子系统用体视动态模拟技术演示增压系统的正确装配过程。
(7)黑板
黑板是系统的一个工作区，各子系统之间的信息交换是通过黑板进行的，它的主要工作是记录初始要求、中间计算结果。黑板上的内容是动态变化的，在工作的不同阶段可以擦去和重写黑板内容。
这个系统既可以分别演示各个部分的独立装配过程，又可以演示如何将各个部分装配成一个整体。
3 需要注意的几个关键问题
在建立类似于发动机这样较为复杂的体视动态模拟系统时，除了需要注意一般模拟的共同问题外，还需要注意如下几个问题：
（1）选择适合于体视模拟的动画软件
动画软件必须具有很好的开放结构，提供方便的开发工具，以便根据体视模拟的需要开发一些实用的工具。在我们的应用中选择的是3DS MAX，并利用其开发工具开发了视差动画生成模块、渲染控制模块和图象合成模块。
在开始制作视差图形之前，需要先根据零件的特征和零件之间的关系，使用这个软件系统制作好动画，包括建模、布光、设计材质和设计动作等。这个设计好的动画将作为视差动画生成模块的一个输入。同时动画软件还要肩负起图象的渲染与存盘工作。
（2）视差图象的生成与合成
根据现有的动画生成视差动画有两种方法，一种是使用手工的方法调整摄象机；另一种是使用视差动画生成模块直接根据已有动画序列生成视差动画。视差动画生成模块根据动画软件中的动画序列，在控制器的控制下自动计算左右视点的摄象机位置。也就是说根据一个动画序列生成另一个动画序列。生成的结果可以保存在磁盘上。
对于没有摄象机运动的情况，使用第一种方法就可以得到好的结果。而对于有摄象机运动的情况，特别是有摄象机参数变化的情况，使用第一种方法就有点力不从心，就需要使用第二种方法。
生成完两个序列的视差动画图象后，就需要将两个序列的图象合成。合成的方法也与最后的观察方法有关。如果使用红蓝观察，主要是处理两个序列图象的颜色；如果使用立体眼镜观察，就可以使用我们开发的合成模块直接合成。图象合成模块可以根据用户的要求，将两个序列的图象合成，形成一个视差图象序列。合成后的图象序列可以直接应用于体视动态模拟系统。
（3）界面设计与编辑合成
由于这个项目的主要目的是帮助用户熟悉发动机的装配过程，并了解装配中可能出现的问题，因此，界面的设计应该以生动活泼为主。基于这样的考虑，我们选取了一个色彩较为丰富的图片作为背景，同时选取每个子系统中比较有代表性的零件作为该系统的代表，放在主界面上。而且，根据鼠标的位置不同，界面不同部分应该有不同的动作和音乐。由于整个系统都有体视效果，因此界面的各个部分也应该设计成体视的。
界面设计好后，就需要根据系统功能的要求和界面的需要来编辑合成整个系统。这一步需要将前面形成的体视动画、音频素材、体视界面的图片编辑合成，并配以文字说明，形成一个有丰富控制结构和优美界面的体视动态模拟软件。发动机装配过程的动态模拟系统使用的是AuthorWare多媒体编辑软件，系统的控制结构是通过AuthorWare提供的编程语言实现的。
该系统的主界面有6部分组成，分别是整机装配、驱动部件、冷却系统、机体部件、进排气系统和增压系统。
在界面中，每一部分采用其典型的零部件表示，并配以提示菜单。单击任何一个代表零件就进入相应部分的装配过程演示。
4 结束语
一般的动态模拟技术可以描述机构的运动过程，但是由于生成动态图形时采用的是单视点投影，无法表述深度信息，也就无法描述各个零部件之间的遮挡关系。利用体视投影技术可以解决动态模拟中的这个不足。本文介绍了体视动态模拟系统的软件系统和硬件系统，以及建立体视动态模拟系统时需要注意的几个问题。在这些问题中，最为困难和费时间的是体视动画的生成与合成，目前我们正在对这个问题进行较为深入的研究，以便提高开发体视动态模拟系统的效率。在实际应用中，所建立的体视发动机装配过程动态模拟系统受到了好评。
(end)
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(10/24/2004) |
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