可视化虚拟装配系统及关键技术研究 - 文章

可视化虚拟装配系统及关键技术研究

作者：南京理工大学郑勇龚光容王拴虎慈瑞梅

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摘要：虚拟装配是虚拟制造的关键技术之一，可在产品设计阶段进行预装配，验证装配工艺的正确性) 基于SolidEdge的可视化虚拟装配系统，通过其二次开发，应具备装配路径设置、装配零部件位置和姿态调整及消隐、装配视角调整和视图放缩、虚拟仿真设置等功能) 系统的总体结构包括装配建模初始化、装配工艺文件获取、装配过程动画和仿真等模块) 其关键技术有：解除CAD装配体约束，并提取虚拟装配零部件6元组位置和姿态信息；以6元组信息为基础的虚拟装配体重绘，及其装配过程仿真：包括虚拟装配零部件、装配体、装配路径和优先级、角度姿态、装配关键点坐标及绕坐标轴角度等信息的数据库组织)
关键词：虚拟装配；装配仿真；可视化；虚拟制造

虚拟制造（VM）是先进制造技术的研究热点之一［1］)VM是现实制造在虚拟环境下的映射，其实质就是利用仿真技术与可交互的三维可视化模型在计算机上对虚拟产品进行快速反复迭代，使全生命周期内各方面性能（如工作性能、可制造性、可装配性等）达到均衡优化并提高预测和决策能力) 而虚拟装配则是虚拟制造的核心技术之一［2］，它在获得产品信息和产品装配工艺信息后进行产品装配过程的仿真演示，并为装配工艺规划提供一种可视化的交互环境，从而有效地改善产品的装配工艺，改进装配质量)

1 可视化虚拟装配系统功能分析

1.1 主流CAD：系统的装配描述功能

可视化虚拟装配是通过对产品装配模型的操作实现的)现有很多种主流三维CAD系统能够建立产品装配模型，典型的有UG、Pro/Engineer、CATIA、Solidworks、SolidEdge等，这几款CAD软件都提供有草图、零件设计、部件装配设计、总装设计模块，进行零部件的总装设计时，可以利用系统中提供的装配关系描述进行零部件装配关系的定义，这些装配有面贴和、面对齐、轴心对齐等，基本上满足机电产品的装配工艺设计中的装配关系约束要求。

虚拟装配仿真系统寄生于CAD系统的实现，可以利用现有的CAD系统提供的开发工具，如MDT、AutoCAD提供有Object ARX类库供Visual C++开发，SolidEdge提供OLE Automation供Visual Basic开发使用，Pro/Engineer具有Developer与Toolkit开发模块。

1.2 可视化虚拟装配系统功能分析

作为寄生式虚拟装配仿真系统，其实现是基于现有的CAD环境，尽量利用现有的CAD环境提供的功能，加上新的功能开发实现系统要求。

通过对CAD系统的二次开发，其虚拟装配模块具有在装配环境下装配路径的设置：装配时零部件装配姿态的调整：在进行部件的装配时，可以进行部件中有关零部件的消隐：可以提供用户进行装配过程的观测视角的调整，提供用户视图缩放功能等，对于装配过程中的虚拟仿真的设置，由装配工艺设计人员在装配工艺设计系统中进行。

2 可视化虚拟装配系统总体结构

本文所提出的可视化装配模块是基于Solidedge结合Active X技术提取装配模型信息，在装配工艺的引导下，实现了装配路径设置，建立了可视化虚拟装配
仿真过程［3］，其总体结构如图1所示：

图1 可视化虚拟装配系统的总体结构

从图1可以看出可视化装配仿真系统由以下几个模块构成：

装配建模初始化：调入与确认目标装SolidEdge中提取虚拟装配所需的基本建模信息，如零部件的名称、零部件文件、结构层次信息、配合约束信息等，将其存放在数据结构中。

装配工艺文件的查看、获取：从装配CAPP系统中提取对应装配体的装配工艺文件，作为虚拟装配过程的必要输入。

虚拟装配的建立：这是虚拟装配技术准备的核心模块，由此进行虚拟装配环境的设置及装配路径初始化、设置装配路径、零部件的姿态和位置、装配过程中零部件的角度姿态的调整方式、装配路径的优先级别等，另外，还进行了装配路径上的干涉性检验。

装配过程动画：在进行了虚拟装配演示的准备设置后，可以进行单个零部件、多个零部件以及所有组成零部件的沿具体装配路径，按设定的装配姿态角度，演示装配过程，动画展示运动效果，装配仿真校验：展示装配仿真结果，运动干涉检查，分析运动合理性等，仿真结果报告：生成文本方式的装配工艺文件、干涉检查报告，图形方式的装配路径等。

3 可视化虚拟装配系统若干关键技术及实现方法

3.1 虚拟装配中的零部件装配信息提取技术

为了提取和记忆装配体中零部件的位置信息，在删除装配关系之前，使用了SolidEdge的Object———Parts———Part———Transform的属性链，提取装配体中所有零部件的位置与姿态信息，并将这些信息存储到产品基本信息数据库中。这些数据在装配仿真过程中作为零部件的最终姿态约束。在SolidEdge中对应Part和装配体Assembly这两个对象，可供调用的命令有GetTransform，PutTransform，PutOrigin，GetOrigin。其中GetTransform命令可获得零部件基点相对于装配环境坐标系坐标轴的坐标位置和偏转角度，该命令的参数形式为Part.GetTransform(OriginX， OriginY， OriginZ， AngleX， AngleY， AngleZ)。

虚拟装配模块在提取产品零部件姿态信息时，需要首先解除CAD装配设计环境中的装配体约束关系。这时零部件在装配环境中的位置坐标可以保留为由添加装配体时装配关系约束得到的基点坐标位置，但零部件姿态位置不再保留由装配关系约束所控制的姿态，而是以虚拟装配模块设置的零部件的姿态显示。

在SolidEdge中，零部件的位置和姿态是采用六元组的方法来描述的，通过它可全面表示SolidEdge装配体环境下装配元件的位置和姿态信息。六元组法中各个参数的含义见表1：

表1 六元组的含义解释

3.2 虚拟装配仿真实现技术

在SolidEdge装配环境中进行装配仿真设计时，通过设置六元组的具体变量数值来确定零部件的位置和姿态。通过这种方式进行装配零部件的位置姿态设置时，首先解除与零部件有关的装配关系，并加上Ground关系到该零部件，从而确定此零部件为装配体的基准件。而在产品的装配体文件中删除了装配关系以后，零部件角度姿态信息丢失，只留下其原始姿态信息，所以在进行装配演示的开始需要用户对于姿态角度进行设置。在零部件单独以Ground装配关系在产品中获得准确的装配位置、姿态以后，系统获得并重新设置零部件位置和姿态，并重新绘制装配体，从而实现了装配过程仿真。

为了实现虚拟装配过程的仿真效果，通过调整零部件位置姿态，将大段的偏差移动和大角度的偏转转化为小的多段偏差和偏转，实现虚拟装配过程的单步仿真! 通过不断地提取各个零部件的位置姿态，在运动中改写位置姿态，最后重新设置位置姿态并显示该零部件的操作，实现装配过程的连续仿真。

3.3 虚拟装配过程中数据库数据组织方式

系统采用数据库文件对虚拟装配过程中设置的装配路径与零部件的位置姿态进行存储，在数据库记录中存储设置的装配路径数目、路径次序、路径的起点和终点、路径中坐标移动顺序、零部件姿态以及装配过程中姿态变化方式等。系统在进行虚拟装配的设置时，通过系统提供的接口将所有这些有用的信息输出到临时数据库记录中。在演示后，经用户确定，这些信息便写入到数据库记录中。虚拟装配路径数据表的结构见表2。

表2 虚拟装配路径数据表结构

用户选择进行装配过程的仿真时，按照装配零部件的装配优先级，系统寻找数据库中相应的记录，将有关装配仿真的数据信息提交给仿真程序，形成装配仿真过程。

4 结束语

虚拟装配是VM的关键技术之一。本文提出的基于SolidEdge的可视化虚拟装配系统能在产品设计阶段通过装配过程的仿真实现虚拟产品的预装配，验证和改进产品的装配工艺过程，生动直观地展示产品的可装配性，可以用作VM实施的支持工具之一。

参考文献：
［1］张伯鹏数字化制造是先进制造技术的核心［J］制造业自动化，2000，（2）：1—5
［2］ Rakesh Gupta. Prototyping and design for assembly analysis using multimodel virtual environmenet [J] computer Aided Design， 1997， (29)：585-597
［3］张林煊童秉枢并行工程中的装配仿真系统及其关键技术研究［J］计算机辅助设计与图形学学报，1999，（2）：163—167
［4］仇晓黎基于网络化制造的装配CAPP技术研究［D］南
京：东南大学机械工程系，2002(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/25/2005)


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