（机械设计及理论专业论文）虚拟装配教学系统的开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 论文首先析了工程图学教学的现状及工程图学c a i 的状况，结合图 学老师大量的教学经验，有针对性地提出了虚拟装配教学系统的研究与丌发课 题。 论文深入研究了虚拟现实和虚拟装配的概念、特点、组成、分类及其关键 技术，讨论了当前虚拟装配技术的发展现状，分析了装配模型的建立和存储方法。 在此基础上，本文重点研究了虚拟装配教学系统各个功能模块的实现原理和方 法：一、结合v i s u a lc + + 6 0 和o p e n g l 建立了虚拟装配系统的虚拟现实环境；二、 详细研究了3 d s 文件的格式，开发3 d s 文件到虚拟环境的格式转换功能模块；三、 实现了用户与虚拟环境通过利用鼠标和键盘进行交互的功能。四、运用a a b b 包围 盒分层法实现了装配过程中的碰撞检测功能。 最后，本文以阀体装配体为例实现了在虚拟装配环境中的的虚拟装配过程。 用户可以从各个角度观察装配的流程，在装配路径不准确的的情况下，系统可以 提醒用户，并请求用户的确认，提高了用户对装配操作的感性认识，帮助学生对 装配过程的理解更加透彻。 关键字：虚拟现实；虚拟装配；o p e n g l ；碰撞检测 山东大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e da n da n a l y z e dt h ep r e s e n ts t a t u so fe n g i n e e r i n gg r a p h i c s t e a c h i n ga n dc a i ，a n dp u tf o r w a r dt h et a s ka b o u ts t u d ya n dd e v e l o p m e n t0 1 1t h e a s s i s t e di n s t r u c t i o n a ls y s t e mo fv i r t u a la s s e m b l ec o m b i n e i n gw i t ht h et e a c h i n g e x p e r i e n c eo f l o t so f t e a c h e m t h et h e s i ss t u d i e dt h ec o n c e p t 、c h a r a c t e r i s t i c 、b u i l d u p 、c l a s s i f ya n dt h ek e y t e c h n i q u ed e e p l y ；a n a l y z e dt h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo fv i r t u a la s s e m b l y ；i n t r o d u c e d t h et h e o r yo f o b j e c to r i e n t e da n dt h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c s ；f o n du pt h ew a y o fb u i l d i n ga n dm e m o r yt h ea s s e m b l ym o d e l b a s e do nt h i sf o u n d a t i o n ，t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do fc a r r y i n go u te v e r yf u n c t i o nm o d u l eo ft h e v i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ： f i r s t ，b u i l tu pt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t ，a n a l y z e dt h ef o r m a to f t h e3 d sd o c u m e n t ， c a r r i e do u tt h et r a n s i t i o no ft h e3 d sd o c u m e n tt o t h ef o r m a to ft h ev i r t u a l e n v i r o n m e n t s e c o n d ，i n t r o d u c e dh o wt oa c h i e v et h em u t u a l i t yo ft h eu s e ra n dt h ev i r t u a l e n v i r o n m e n t t h i r d ，c a r r i e do u tt h ef u n c t i o no fc o l l i s i o ni n s p e c td u r i n gt h ep r o c e s so ft h e a s s e m b l y t h es y s t e ma d o p t e dw i n d o w sx po p e r a t es y s t e ma n dt h ev i s u a lc + + 6 0 幻b e t h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to ft h es k e t c ho fo p e n g la p p l i e st h ep r o c e d u r e ，b u i r u pt h ev i r t u a la s s e m b l es y s t e mo ft e a c h i n g ，c o m p l e t e dt h em o d u l e so fs t a b l i s ho f v i r t u a le n v i r o n m e n t ，l e a d i n gt h ea s s e m b l em o d e l ，t h ea l t e r n a t i o no fc u s t o m e ra n d v i r t u a le n v i r o n m e n ta n de x a m i n a t i o no f c o l l i d i n g ，a n da tl a s ta c h i e v e dt h ea s s e m b l y o ft h em o d e l si nt h ev i r t u a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：v i r t u a lr e a l i t y ；v i r t u a la s s e m b l y ；o p e n g l ；c o l l i s i o nd e t e c t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：捆! 挫血日期：壁2 ：! ! 型一。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：龇导师签名：诳日期：叫 山东大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 1 1 - r 程图学课程的教学现状 工程图学是工科类各专业的一门重要的技术基础课，培养学生的空间分析 能力和空间构形能力是工程图学教学的主要任务之一。为此，在教学过程中， 经常需要进行出三维形体到二维图形，再从二维图形回到三维形体的空间思维 活动，以培养学生的空间想象能力和三维形体的二维表达能力，这是工程图学 课堂教学的重点问题。 工程图学教学的主要特点就是“三多”，即内容多、图形多和模型多。传统 的教学方法是：主要依赖于老师在黑板上的板书及画图，再辅助于挂图和模型 进行教学。这种传统的教学手段一方面老师的工作量非常大，主要精力和授课 时间都浪费在板书和画图上，另一方面挂图和模型的数量非常大，存储和搬运 非常不方便。 总结工程图学的教学现状主要存在以下几个问题： ( 1 ) 为适应我国经济发展的需要，近几年来高校持续扩招，使在校大学生 的人数增加，造成教学资源短缺，教师工作量增加。 ( 2 ) 随着教学改革的不断深入，工程图学课程的学时在不断减少，如 何处理好教学学对少与课程内容多、培养质量高以及拓宽知识面之问的关系， 一直是教学中反应较为突出的问题。 ( 3 ) 传统的教学方法与教学手段已远远不能适应现代教育的需要嘲。黑 板、粉笔、教材、挂图和实物模型展示等传统教学手段，因其表现力的贫乏和 使用中的诸多不便已不能满足教学的需求。如挂图只反映静态，不反映动态； 模型随教材的更新难以配套。 ( 4 ) 目前教学课件主要是用p o w e r p o i n t 形成的幻灯片文件，其动画性、 形象性和可揉作性都相对不足。 1 1 2 工程图学教学的发展趋势 虚拟现实在教学中应用是一种新型的现代化教学手段，它把教学内容、教 山东人学硕十学位论文 学经验、计算机技术融为一体，以授课对话、模拟练习、问题求解、自由讨论 等形式来表达一定的教学目的”1 。然而传统的c a i 软件具有其本身所无法克服 的缺陷。它们只具一定的入机交互特性，学生只能够对计算机提出一些程序化 的问题，并得到一些基本的解决方法，总体上还是一种被动的学习方式。整个 教学过程显得刻板，不能充分发挥学生的自主性，软件中的教学内容一般很难 改变，若想改变，只有进行原程序修改，而且只能出软件的开发者修改，十分 不便h 1 。此外，传统类型的课件或者由于投资成本大( 如基于编程为主的整体 式课件) ，或者由于升级更新困难( 如基于c d - r o m 的多媒体课件) ，已不能满足 同益发展的需要。另一方面，伴随着虚拟技术的不断发展，已经有学者开始将 虚拟技术应用到教学环节当中，形成一种新的虚拟教学软件，以改善当前的教 学境况。 由于虚拟环境的独特操作环境，可以使学生置身于虚拟的“现实”当中， 使本来枯燥而又难想象的三维模型一目了然，使学到的各种实体生动逼真，给 学生的学习提供了一条培养三维想象力的捷径。 与传统教学相比，虚拟教学软件有以下优势： ( 1 ) 可以变抽象为具体，使教学过程更有趣味性 工程图学课程的特点是培养学生的空间想象能力和对物体的表达能力， 要求学生将三维空间物体用二维平面图形表达，教学过程主要借助教学模型、 挂图哺】。虚拟教学软件的最大优势在于可视性强，具有真实感，使学生感觉自 己面前就是真实的物体，克服了挂图的不便。教师利用虚拟教学软件可以使学 生从各个角度观察三维实体，借助实体的直观形象培养学生由三维到二维的转 变；可方便地演示用语苦难以表达的“空问思维”的过程，使学生尽快建立空 倒概念，缩短由物到图、由图到物基本投影概念的过程哺1 ( 2 ) 充分利用交互功能，加强学生的实践能力 由于虚拟现实技术具有高度的显示性和交互性，因此学生可以切身实地的 感受到实际的装配过程，可以使学生不再一味死记硬背课本上的文字叙述，让 学生真正的了解装配过程所要注意的各种各样的问题，从而改变当前学生学习 与实践相分离的状况，缩短学生刚开始工作时的适应时间。 随着学生数量的不断增加，课时的不断减少，课堂教学与实际加工操作却 又要紧密结合的情况下，让学生在教室内就能够旨身于实际当中可以说是一个 2 山东大学硕+ 学位论文 解决当前教学矛盾的不错选择，所以虚拟现实与课堂教学肯定会结合的越来越 紧密。 1 2 课题的目的和意义 众所周知，初接触工程图学的学生遇到最困难的是空间感的建立、二 维三视图与三维立体的对应转换。因此，引导学生掌握基本的图学原理知识， 建立空问想象力和空间思维能力是工程图学教学的重要任务。 对高中毕业刚刚进入大学的一年级学生而言，没有在工厂实习过，在学习 零件图之前，学生接触的仅仅是几何形体的组合体。对学生而言零件只是一种 组合体，而对装配体容易误解是由简单的零件拼装而成的，对每个零件在装配 体中的作用、安装顺序、装配体的拆卸顺序以及工作原理更是一头雾水。零件 图、装配图既是后续专业基础课的依据，又需要后续专业基础课的支撑，由于 后续专业基础课尚未学习，也是不容易理解的一个原因。 根据工程图学的教学特点，针对教学和c a i 课件中存在的问题，开发 虚拟装配教学系统具有重要意义。 本课题是“工程图学创新实验体系”项目的一部分，其中“工程图学创新 实验体系”属山东省教育厅实验立项课题。 该虚拟装配系统生动地模拟装配体的工作原理，装配体的装、拆过程。使 学生在对虚拟动念模型的交互操作中理解复杂的空间模型和立体结构，了解零 件在装配体中的作用，弥补学生在认知上的不足，实现由感性到理性，由具体 到抽象的思维转变。本研究课题可改变传统的程序化c a i 教学模式，丰富了现 有的教学手段，使工程图学课程的教学更加形象直观，能够帮助学生理解、 记忆、建立和增强空间想象力，有利于提高学生学习的积极性和主动性，从而 提高教学效果。 1 3 课题国内外研究现状 近几年里，许多研究人员和公司都在虚拟设计和虚拟装配设计领域做了大 量的工作。最典型的例子是波音7 7 7 的设计，波音7 7 7 的设计完全是在计算机上进 行的，从设计到加工完全实现了无图纸化。不仅利用在计算机内建立的模型对样 山东大学硕十学位论文 机的各种性能进行分析、模拟，而且可以将虚拟现实v r 和三维模型集成在一起进 行管通布线等复杂装配过程的模拟使其开发周期从过去的8 年时l 日j 缩短到5 年：c h r y c l e r 公司与i b m 合作开发的虚拟制造环境用于新型车的研制，在样车生产 之前，发现其定位系统的控制及其它许多设计缺陷，缩短了研制周期；华盛顿州 立大学开发的虚拟装配设计环境( v a d ev i r t u a la s s e m b l yd e s i g ne n v i r o n m e n t ) 允许对系统进行计划、评估和改变，并将c a d 系统与沉浸式的虚拟环境紧密结合 在一起：英国t e c n o m a t i x 技术有限公司开发的计算机辅助生产工程( c a p e ) 产品涉 及到了设计、优化、制造可行性评价等技术。西飞公司研制的数字化产品设计制 造系统能完成产品零件的三维模型设计，数字化预装配，空问检查等功能。 国内关于虚拟设计或虚拟装配设计技术的研究起步较晚，尚处于初步阶段， 主要是对虚拟装配概念和结构的研究。对虚拟装配的相关技术，如数据库技术， c a d c a m 技术，网络技术，虚拟现实技术有一定的基础，但尚未发现虚拟装配的 工具与环境，总体上看，与国外相比还有很大的差距。 尽管国内外的学者和公司对虚拟设计系统做了大量的研究，也取得了一些 成就。但总的说来，虚拟设计系统或虚拟装配设计系统的研究与应用还处于探 索阶段，无论是虚拟装配设计系统的概念、体系结构、实现方法论，还是应用 与实践都是从不同的方面、不同的侧重点来进行的，还没有形成系统化的理论 体系与实践方法学“订。 1 4 课题研究的内容 本课题的主要研究内容是：开发虚拟装配教学系统，用户在此系统中能够 完成虚拟装配、拆卸的任务，并可以从各个角度对装配过程进行观察。其主要 任务如下： 1 利用v i s u a lc + + 6 0 及o p e n g l 建立虚拟装配教学系统。 2 建立3 d s 的数字装配模型。 3 实现虚拟装配教学系统的各个功能模块：数据转换模块、显示模块、交 互模块、碰撞检测模块和路径规划模块。 4 山东人学硕+ 学位论文 1 5 小结 本章主要介绍了目前工程图学的教学现状与发展趋势，并说明了本课 题的主要工作内容及意义。 山东人学硕十学位论文 第2 章虚拟装配教学系统的设计理论 2 1 虚拟装配系统的技术基础 2 1 1 虚拟装配的概念 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 是最近几年才提出的一个全新的概念。 狭义的虚拟装配就是在虚拟环境中快速的把单个零部件或部件组装形成产品的 方法。广义的虚拟装配是指在虚拟环境中，如何使设计人员方便地进行结构设计、 修改，让设计人员专注于产品功能的实现。 虚拟装配是虚拟现实在c a d c a m 中应用的一个重要领域。同时虚拟现实也是 虚拟制造的关键部分。目静人们对它还没有一个共同的认识，在文献 2 8 中它被 描述为：“利用计算机的工具，而不是建立一个产品的实际模型，通过分析、可 视化、数据表示等技术帮助工程师进行装配关系的工程决策。”在文献 1 0 中它 有如下的定义：“虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有 关的设计决策，在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机 辅助设计技术。” 由以上的定义可以看出虚拟装配横跨多个学科领域，是几门技术的综合应 用，这些技术主要包括：虚拟现实技术、高级可视化技术、仿真技术、决策技术、 装配制造工艺及工具的开发等。 2 1 2 虚拟装配系统的类型 虚拟装配系统是以计算机辅助设计( c a d ) 为基础，利用虚拟现实技术发展而 来的一种新的设计系统。这种设计系统按应用情况可分为增强的可视化系统和基 于v r 的c a d 系统1 0 邮。 增强的可视化系统：利用现行的c a d 系统建模，在对数据格式进行适当的转 换后输入v r 系统。一旦物体输入到虚拟环境，通过三维交互设备和显示设备( 如： 数据手套，三维显示监视器等) 对物体模型进行检查，对物体进行操作。增强的 可视化系统通常采用空间球、飞行鼠标等进行导航，并采用带有光闸眼镜的立体 监视器来增强产品模型的真实感。由于基于v r 的建模技术系统还不够完善，而现 行的c a d 建模技术比较成熟，因而目前投入使用的虚拟装配设计系统大都属于增 7 山尔人学硕士学位论文 强的可视化系统。 基于v r 的c a d 系统：利用这样的系统，用户可以在v r 环境中进行设计活动。 与纯粹的可视化系统相反，这种系统不再使用传统的二维交互手段进行建模，而 直接进行三维设计。这类系统使用各种输入设备( 如：数据手套、三维导航设备等) 给用户提供三维设计和交互界面。另外，还可用语音识别、手势及眼球跟踪等进 行交互输入。这种虚拟装配设计系统不须进行系统的培训便可掌握，一般的设计 人员略加熟悉便可利用这种系统进行产品设计。研究表明，这种虚拟装配设计系 统比现行的c a d 系统的设计效率高5 一l o 倍。 2 1 3 典型的虚拟装配系统 v r 在c a d c a m 中的应用是一个2 0 世纪9 0 年代出现的新领域。虽然许多国内外 学者展开了不少研究工作，总体来说，研究工作还刚起步。现在主要有两种虚拟 装配系统：一种是j a v a r a m s 等人开发的一个“虚拟装配设计系统一v a d e 系统 “”；另一种是g u p t ar 等人提出的利用多模式虚拟环境的装配分析设计原型方法 n 町 o v a d e 系统：它的结构如图2 4 所示。这种系统首先由参数化c a d 系统 ( p r o e n g i n e e r ) 生成装配模型：然后，v a d e 预处理器处理这些模型：零件的视觉属 性( 如颜色、纹理等) 及零件的几何信息和装配信息自动提取；零件的公差、位置、 方向及装配的零件集、装配约束一同提取给v a d e 系统。这样，用户就有了一个“预 规划”装配方法。进入沉浸式的装配环境后，用户可以进行装配设计。在装配过 程中，用户可选择、生成、修改装配轨迹或进行重装配。碰撞检测警告用户干涉 和公差配合方面的问题。由v a d e 产生的轨迹信息、装配顺序信息、干涉信息等自 动被c a d 系统设计者利用。 多模式虑拟环境的装配分析设计原型方法：它的基本框架如图2 1 所示。这 种方法不同于传统的基于表( 如：b o o t h r o y d 和d e w h u r s t 表) 的装配方法，丽是通过 装配分析对装配方法进行评价，然后从多种方法中择优选择。先在这个系统中建 立统一的物理模型，这个模型为环境中的“真实”物体提供动念交互，为用户和 “真实”物体提供触觉交互。这个模型可以被处在面向装配设计的虚拟环境( v e d a v i r t u a le n v i r o n m e n tf o rd e s i g nf o ra s s e m b l y ) 中的听觉事件扩大。在这个系 统中，设计者可以看到物体，听到物体相撞的声音，也可以通过触觉交互设备和 山东大学硕+ 学位论文 力反馈感觉来操作物体。这个模型既可以仿真物体的重量、形状、大小和公差配 合，还可以仿真摩擦力等物理特性。 m i d i 手的付眢 图2 1 多模式虚拟环境的装配分析设计原则 2 1 4 虚拟装配的关键技术 虚拟装配的关键技术主要可归纳为下列五个方面： ( 1 ) 虚拟装配环境的构建，研究虚拟环境的描述与管理；装配动作与感觉 信息之间相互关系；感觉信息的综合方法以及输入、输出的驱动规则等。 ( 2 ) 虚拟装配过程中由约束关系形成的作用力分析，在虚拟环境中对装配 的零件赋予机械、物理特性，并由此形成装配过程的作用力：使微观和瞬态的分 析数据在虚拟空i _ 白j 中展现为可视的宏观和慢动作过程。 ( 3 ) 装配规划的生成技术，装配规划就是寻求一条最优的零件装配顺序序 列，由于创成式自动生成装配规划需要高度的智能化难度较高，因此在虚拟的环 境应重点解决：如何更形象地表现装配规划过程中信息的动态流动及其可视化： 如何在生成装配规划过程中通过人机交互加入启发性知识和融入人的智能。 ( 4 ) 虚拟环境中人的知识和技巧的映射，为了使人的智能融入装配规划的 生成，需要研究人手模型在虚拟环境中的映射；j 下确检测和处理人的装配动作的 信号，使与虚拟环境下的装配作业进行实时交互。 9 山东人学硕十学位论文 ( 5 ) 虚拟装配系统的建立，虚拟装配系统由装配动作输入、虚拟装配环境、 装配过程和判断装配正确性的感觉信息输出等四个子系统组成，研究其信息的集 成以完成虚拟装配全过程的实施。虚拟装配系统的结构框如图2 2 所示，它的四 个子系统的主要功能综述如下： 输出系统 图2 2 虚拟装配系统的结构框图 1 ) 输入子系统对输入的操作者的命令经过位姿检测及因果关系处理后，用 以控制虚拟装配活动中各种事件的发生，并可由入进行智能化的控制。 2 ) 虚拟装配环境子系统提供进行虚拟装配的硬软件支持工具，建立一个可 以进入模拟真实装配过程的场地和设备等条件以及可调用所需的配合零件及相 应的装配器械。 3 ) 虚拟装配过程子系统它包括装配过程作用力和约束关系的分析，装配规 划的生成和装配操作的动态显示。 4 ) 输出予系统分析执行装配操作的输入和输出的因果关系，装配功能评估 和干涉检查，形成装配体的约束关系树，以利于今后进行参数调整或结构修改。 2 1 5 虚拟装配中装配关系的定义及分类“5 产品中零、部件的装配设计往往是通过相互之间的装配关系表现出来，因 此，描述产品零、部件之间装配关系是建立装配模型的关键。装配关系是零部件 之间的相对位置和配合关系，它反映零件之间的相互约束及相对运动。从不同的 应用角度、，装配关系有不同的分类。根据机械装配的有关知识，零件的装配关 0 山东大学硕士学位论文 系不仅取决于零件本身的几何特征，如轴孔配合有无倒角，还部分地取决于零件 的非几何特征( 如零件的质量、精密程度) 和装配操作的有关特征( 如零件的装配 方向、装配方法以及装配力的大小等) ；对特殊零部件如螺纹连接件，可采用直 接连接等。 一般而言，产品零、部件之问一般具有四类基本的装配关系：位置关系、 配合关系、连接关系、运动关系。配合关系专门用于描述产品零、部件之问配合 关系的类型、代码和精度配合关系中包含有：配合特征几何元素一零件间的配 合点、线、面称为零件的配合特征几何元素；配合类型一配合类型属性描述配 合特征几何元素之间的联接类型包括间隙配合、过渡配合、过盈配合等。根据零 部件本身的几何特征，考虑零部件之间的约束关系，通过对实际装配体设计的考 察。可以概括出四类基本的几伺约束：贴合关系、对齐关系、定向关系和插入关 系。连接关系描述产品零、部件几何元素之白j 的直接连接关系，如螺钉连接、键 连接等；运动关系描述产品零、部件之问的相对运动关系和传动关系，如绕轴旋 转等。 2 1 6 虚拟装配和自动装配 ( 1 ) 自动装配设计 传统的自动装配设计是一种学习拆卸的方法，这种方法假设“如果你能拆 卸一个零件，你就能装配它，并且反之亦然”，即用拆卸序列和路径的逆序列确 定产品的装配序列和路径。这种方法尽管能够根据某些产品装配模型产生可行的 装配序列和路径，但它存在缺点：第一，对拆卸来说是最佳的方案并不代表对装 配也是最佳的方案。第二，当产品的结构较为复杂时，装配模型中的几何实体信 息、三维几何配合约束信息、设计约束信息都将急剧膨胀，不可避免地会导致装 配规划的组合爆炸，甚至可能导致后续的装配序列和路径规划难以完成“。 ( 2 ) 自动装配与虚拟装配的不同点“7 嘲 1 ) 在自动装配设计系统中，用拆卸序列和路径的逆序列来确定产品的装配 序列和路径。而在虚拟装配设计系统中，工程师可以直接获得装配序列和路径。 2 ) 在v a d e 中，用户将生成有价值的设计信息和进行决策分析，并将这些信 息反馈至i c a d 建模系统。而自动装配设计只是探索一种适合机器人装配的装配序 山东大学硕十学位论文 列和路径。 3 ) 虚拟装配设计系统是一种学习、分析、评价并提高装配设计和操作过程 的实际工具：自动装配设计系统可被用来寻找一些可行的装配过程设计。 4 ) 虚拟装配设计系统适合有人参加的复杂装配操作，不适合大量零件的装 配。自动化装配设计系统适合有许多零件的装配模型，而装配操作比较简单，并 且通常由机器人完成。 ( 3 ) 虚拟装配的意义“” 1 ) 通过装配分析，技术人员可以在虚拟环境中对机构的各个零件进行运动 分析。这样无须付出昂贵的代价，就可以得到产品生产的可行性，从而降低研制 费用。 2 ) 用廉价的数字模型，设计人员可以从多方面对产品进行观察和分析，从 而得到重要的结论，并预见生产和装配的问题，同时可节省实物样机的制造费用。 3 ) 利用虚拟装配设计系统也能分析维修过程中的问题，可以考虑所需工具、 安全性、视线以及拆卸等，这样有利于提高产品的质量、可靠性等。 4 ) 从设计到生产，更加周密的计划对减少材料和产品库存非常有利，降低 了产品成本。 5 ) 借助虚拟装配设计系统，设计人员可以在虚拟环境中使用各种装配工具 对设计的机构进行检验，可以预见装配系统的完善性。这样将有效地缩短产品设 计周期、减轻设计返工的负担。 6 ) 虚拟环境与c a d c a m 的集成有利于快速引入高级设计方法和技术。 2 。2 装配建模 面向对象的建模方法是一种对应于真实世界概念的抽象思维方式，它按照问 题领域的基本事物实现自然分割，按人们通常的思维方式建立问题领域的模型。 这样，从问题空帕j 到求鳃空闻是一种自然的映射，相互间有着直接的对应关系。 面向对象建模方法关心的是系统涉及的对象及其相互间的联系，围绕组成问题领 域的事物进行分析，将这些对象进行一般化处理，抽象成类，建立类之间的关联， 并确定多阶性。面向对象的建模方法采用功能模型、对象模型和动态模型来建立 系统模型。在实际应用中，面向对象建模方法根据其抽象方向可分为自底向上方 法、自顶向下方法和混合方法。自底向上方法通过用户需求文档中的每个句子来 1 2 山东大学硕十学位论文 建立对象模型或动态模型，具有强调可追踪性的优点；自顶向下方法则通常使用 判断从问题领域中选择重要信息，抽象出需求模型，然后再对其进行细化，最后 得出比较详细的系统模型。在实际中，单独采用自顶向下方法或自底向上方法都 是比较困难的，因而往往是把两种方法结合起来使用，即混合方法。 2 2 1 装配体的数学模型嘶1 一个装配体的数学模型是由若干个实体的数学模型加上对应的相关几何变 换。对于产品装配，集合仿真数学模型d = ( e ，c ，0 ，g ) 中各组成集合元素的 表示如下： e = e 1 ，e 2 ，e l l ：n 是构成产品的零部件总数。 c = e i l e j t e 1 2 ，e 疆e h ，e 砸 其中：m 是产品装配关系总数，e “，e j z 具有装配关系的零部件。r 。为其相应 的装配约束关系，零部件之间的装配约束关系是上述约束关系的种或几种的综 合。 0 = “u ”，即零部件之间的装配关系操作为“并”操作。 g = “产品” 2 2 2 基本装配建模元素 产品装配模型主要描述产品零、部件之间的层次关系、装配关系以及不同层 次装配体中的装配设计参数的约束和传递关系， 1 ) 层次关系：产品的零、部件之间的关系是有层次的。一个产品可以分解成 若干部件和若干零件，一个部件又可以进一步分解成若干部件和若干零件。这种 层次关系可以直观地表示成装配树，如图2 3 所示。装配树的裉节点是产品，叶 节点是各个零件，中间节点是各个部件。装配树直观地表达了产品、部件、零件 之间的父子从属关系。 2 ) 装配关系：产品中零、现出来，因此，描述产品零、部件的装配设计往往 山东大学硕十学位论文 是通过相互之间的装配关系表部件之问装配关系是建立装配模型的关键，产品 零、部件之间的装配关系主要分为以下四类： a 位置关系描述产品中两个零、部件几何元素之间的相对位置关系，如贴合 ( m a t e ，m a t eo f f s e t ) 、对齐( a l i g n ，a 1 i g no f f s e t ) 、插入( i n s e r t ) 等： b 连接关系描述产品零、部件几何元素之间的直接连接或间接连接关系连接 体之闻具有连接介质或连接力。如螺钉连接、键连接等： c 配合关系描述产品零、部件之间配合关系的类型、代码和精度： d 运动关系描述产品零、部件之间的相对运动和传动关系，如绕轴的旋转等。 图2 3 装配树 3 ) 装配设计参数的约束和传递关系：装配设计参数的约束和传递是解决设计 参数的一致性、实现并行设计的关键。与装配树结构相对应，产品设计过程是一 个自顶向下，逐步细化的过程。首先，设计人员根据用户要求确定关于产品的外 形、性能、功能等方面的工程设计参数，形成最初的产品参数约束集：然后，根 据产品参数约束集中的约束条件，提出对部件的具体设计要求，形成部件的参数 约束集：随后设计人员对部件继续细化设计，直至形成具体的零件。整个设计过 程是一个参数约束集自顶向下的传递过程。 根据这种参数约束集的传递关系，可以将产品的装配树结构映射成为参数约 束集的树结构。这样当某一个节点的参数约束集发生变化，其相应的下层节点的 有关设计参数都要相应变化；此外，只要装配树上的各个节点满足对应参数约束 集中的约束条件，根节点上的产品就满足了最初的产品参数约束集，保证产品设 计的j 下确性和产品的可装配性。 国内外学者对装配模型己有深入的研究，并做了大量富有成效的工作“”1 ， 山东人学硕十学位论文 模型也从由图表达的拓扑结构向由树表达的层次结构转变，但是目前装配模型仍 存在以下问题： 1 ) 信息量不足，难以满足后续装配规划对装配体信息的需求： 2 ) 装配模型是基于几何的，只表达了零部件的几何信息和装配层次信息。而 工程中包含大量的非几何信息，因此基于几何的装配模型不能支持产品设计的全 过程： 3 ) 装配模型复杂，影响对装配信息的提取效率。 2 2 3 虚拟环境下的装配模型 随着虚拟现实技术日益成熟，虚拟装配也成了虚拟设计的一个重要发展方 向。由于虚拟设备的逼真性，因此对装配模型提出了更高的要求幽嘲。 1 ) 装配模型的信息集成度高： 2 ) 装配模型的结构表达便于信息的高效提取： 3 ) 由于虚拟环境是对现实世界的真实再现，因此对装配体的物理特征信息有 特别的要求。 本文针对虚拟装配过程对装配模型的要求提出了一种面向对象的信息集成 装配模型表达，并对此装配模型进行了物理属性的扩展，很好的满足了虚拟环境 中装配过程对装配体信息的需求。 本文对产品的装配信息模型的定义如下： a s s e m b l y = i d 是当前零部件对象的唯一标识： n a m e 是包括装配体的所有标识符的对象。比如，装配体的名字，分类号 以及字符代号等等： 1 5 山东大学硕士学位论文 p a r e n t 是当前零部件对象的父部件： c h i l d r e n 为子装配体信息，如果当前零部件为零件，则它为空，即无子 装配体信息： c o n c e p t f u n c t i o n 。在概念功能层，获取和表达产品的设计意图、概 念性的产品原型以及多层次的产品功能行为信息。 s t r u c t u r e 在结构关系层，获取和表达装配体的结构信息和对象问的装 配语义关系。 p a r t f e a t u r e 在零件特征层，通过与基于特征建模的c a d 系统相集成， 产品的数字化模型能够被定义为系统的输入，并且它所包含的复杂的产 品特征信息也是装配设计系统必不可少的。 产品由一系列下级零部件模型通过多级装配而构成，是一种层次结构。产 品装配模型完整模拟实际产品结构，可看成一棵多级装配树，如图2 4 所示。层 次装配树表达了装配体的层次结构，树的根节点是产品，叶节点是零件，中间节 点是部件或子部件，节点分枝代表“成员”间的从属关系。 图2 4 普通的产品层次装配树 产品层次装配树是一个多叉树，节点零部件之间的装配关系存在着多义性， 不能满足在虚拟环境下对装配模型信息的提取效率。根据虚拟装配设计环境中对 装配模型的要求，可将上述模型转化为二叉树的形式，即用二叉树表示产品装配 模型，它的结构如图2 5 所示。 1 6 山东人学硕十学t i ) = 论文 图2 5 装配模型的二叉树表示 产品装配模型二又树的根节点代表产品，非叶节点表示部件或子部件，部件 是由零件或者子部件构成，叶节点表示零件。允许一个零件即叶节点有多个父节 点，表示在同一个装配模型中有多个相同的零件。 2 3 数字模型的存储 存储装配模型有很多方法，因为数据库技术既便于数据的集中管理，又有 利于应用程序的开发和维护，提高了数据的利用率和相容性，且使企业或组织从 全局来利用数据成为可能，提高了决策的可靠性，因而本论文采用面向对象技术 将装配模型存储于数据库。 根据使用的数据引擎可将数据库分为两大类。一类是基于文件的数据库， 如：f o x p r o ，a c c e s s 等：另一类是基于服务器的后台数据库，女n s q ls e r v e r ， o r a c l e 等。由于基于文件的数据库读取的是整个数据文件，而不是根据用户的需 要有选择地读取数据，对于描述图形信息的数据库，它将是影响系统性能的一个 瓶颈。而o r a c l e 是一个大型企业级数据库，它虽然功能齐全，但价格昂贵，而且 对计算机的要求高啪。本系统是基于p c 机的，因此选择s q ls e r v e r 作为数据库管 理系统。 s q ls e r v e r2 0 0 。数据库系统是m i c r o s o f t 公司开发的一个大型客户服务 器方式的数据库管理系统，是一个高性能、多用户的关系型数据库，具有高容量 1 7 山东大学硕士学位论文 的事务处理以及支持系统的功能，便于用户建立大范围的分布式系统。它主要有 如下优点： a s q ls e r v e r2 0 0 0 是一个基于多线程的数据库系统，多线程数据库系统 直接管理多个用户。且在使用资源方面，比多进程系统节省得多。 b 典型的g u i ( 图形用户界面) 式管理，使许多管理工作都在图形界面上可视 化进行，大大减轻了管理工作的复杂性。 c 动态锁定的并发控制。s q ls e r v e r 使用隐含的动态锁定功能来实现并发 控制，防止在执行查询和更新操作时出现冲突。 d s q ls e r v e r 的数据完整性控制。它通过实体完整性约束、引用完整性声 明及编写存储过程和触发器定义复杂的规则来实现完整性控制。 e s q ls e r v e r 数据库管理系统具有多层安全体系结构，并支持多种安全模 式：集成模式、标准模式和混合模式。 f 具有良好的适应性。s q ls e r v e r2 0 0 0 可以满足从桌面应用到大型的企业 分布式应用等各种环境。 ls e r v e r2 0 0 0 还支持多种客户服务器前台开发工具。如：v i s u a lc + + ，c + + b u i l d e r ，p o w e rb u i l d e r 等。以上的优点使得该数据库系统成为本系统数据库关 系模块的最佳选择。 2 4o p e n g l 技术基础 o p e n g l ( o p e ng r a p h i c sl i b r a r y ) 是s g l 公司的r i sg l 图形工作站的分支， 是一套开放式的三维图形软件接口，为程序员提供了程序与输入输出设备之间 的功能接口，定义了一个独立于语言的图形核心系统( o p e n g l a p i ) 。o p e n g l 作 为一种三维工具软件包，它是开放的三维图形软件包，独立于窗口系统和操作 系统，在交互式三维图形建模能力和编程方面具有无可比拟的优越性。o p e n g l 适用于广泛的计算机环境，从个人计算机到工作站，都能实现高性能的三维图 形功能。与3 2 位w i n d o w s 图形设备接口g d i 简单图形编程相比，o p e n g l 能进 行高级的三维图形编程并能满足图形光照、纹理等特殊效果的要求。o p e n g l 本 身与硬件及操作系统的低层软件无关，许多计算机系统如u n i x ，w i n d o w s 都支 持o p e n g l 标准，从而以o p e n g l 为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种 平台间移植。编写应用程序中，用符合语言。的约定方式把0 p e n g l 嵌入到相应的 l r 山东人学硕十学位论文 语言之中。如图2 6 所示，反映了应用软件系统、a p i 、硬件之问的层次关系。 应用程序 面向应用层 依赖语占的接口层 o p e n g la p i w i n d o w s 操作系统 硬件 图2 6o p e n g l 体系结构 近年来，o p e n g l 己成为国际上通用的丌放式三维图形标准。作为工业标准 图形程序库，它在c a d c a m 等需要高级可视化和图形绘制领域得到广泛应用。 o p e n g l 可以与v c + + 紧密接口，使用简便、效率较高，保证算法的正确性 和可靠性。其基本原理如下： ( 1 ) 过程性而非描述性o p e n g l 提供对二维和三维图形基本操作的直接 控制，这包括对诸如变换矩阵和像素更新操作符等参数的指定。但是，它没有 提供对复杂几何对象的描述或建模的手段。因此，执行o p e n g l 命令就是要指定 怎样产生一个特定的结果，而不是说明结果确定的样子，即o p e n g l 是过程性而 非描述性的。 ( 2 ) 执行模式o p e n g l 通过客户服务器( c l i e n t s e r v e r ) 方式实现图形 显示。应用程序作为客户工具并调用o p e n g la p i ，即发布命令，命令被服务器 ( o p e n g l ) 解释和处理。o p e n g l 客户模块同o p e n g l 服务模块通信并发出应用程 序的o p e n g l 命令。o p e n g l 环境又叫着色环境，是o p e n g l 客户所处的o p e n g l 状态，是o p e n g l 与w i n d o w s 系统之间的桥梁。所有的o p e n g l 调用都通过着色 环境来完成。而o p e n g l 着色环境与设备环境有相同的像素格式，在为一个设备 环境设置好像素格式后就可以产生一个与之接近的着色环境。通过给出的设备 环境，着色环境就可以在设备环境指出的设备上绘图。处理过程如图2 7 所示。 1 9 山尔大学硕士学位论文 图2 7o p e n g l 在w i n d o w s 下的运行机制 ( 3 ) 图元与命令o p e n g l 能够绘制的图元包括点、线、多边形，o p e n g l 可以在这几种图元模式之间选择。你可以独立地控制图元模式，通过调用相应 函数可以实现模式的选择、图元的定义以及其它o p e n g l 操作。 o p e n g l 命令总是按接收到地顺序进行处理。也就是说先定义的图元绘制完 成以后才会执行随后的命令，状态查询命令返回在它调用之前所有发布给。 p e n g l 的命令完全执行后的相应数据。 ( 4 ) 绘制方式o r e n g l 的绘制过程多种多样。内容十分丰富，主要提供了 以下对三维物体的绘制方式：线框绘制方式( w i r ef r a m e ) 、深度优先线框绘制方 式( d e p t hc u e d ) 、平面明暗处理方式( f l a ts h a d i n g ) 、光滑明暗处理方式( s m o o t h s h a d i n g ) 等。其中，线框绘制方式仅绘制三维物体的网络轮廓线，而深度优先 线框绘制方式也是用线框绘制方式绘图，但是，绘制以后，远处的物体比近处 的物体看上去暗些，以模糊人眼看物体的效果。 2 5 小结 本章主要介绍了虚拟装配的原理及技术基础，详细介绍了当前虚拟装配 各种技术的发展状况，研究了虚拟装配技术的技术基础及其当前的发展状况， 分析了虚拟环境下的装配建模原理和方法，探讨了o p e n g l 的基本原理。 2