（机械设计及理论专业论文）虚拟装配系统中模型信息库的构建及干涉检查技术研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 虚拟装配系统中模型信息库的构建及干涉检查技术研究 摘要 在虚拟装配系统中，为了减少计算量提高实时性，零件通常通过简 化的多边形面片模型描述。因此损失了模型的精确几何信息、拓扑信息 以及大量工程信息。 目前，通用的解决方法是通过对c a d 商品化软件的二次开发来获得 含有零件工程信息的中性文件，一起导入到虚拟装配系统中完成虚拟装 配。但此种方式有个严重的缺陷：针对有约束关系而尚未在建模软件中 实现装配的零件，中性文件中不能记录零件的约束信息，因而无法完成 虚拟装配。因此，采用此种方法并没有对缩短新产品的开发周期，减少 成本起到直接的作用，其必要性受到了质疑。 本文针对通用方法的缺陷，提出了采用三维模型数据库来存储模型 的工程信息，实现了对数据库中大量三维模型的虚拟装配，大大拓宽了 虚拟装配的应用领域。 本论文主要完成了以下工作： 1 设计了模型数据库，并实现了对普通零件、标准件及其约束信息 在数据库中存储与管理；用户可通过数据库接口模块方便的实现 对模型及约束信息的存储操作。数据库应用模块根据判断模型是 否为标准件对模型进行自动分类存储和建立约束索引。 2 研究并实现了分层碰撞检测算法，用户可通过交互设备参与虚拟 装配过程，实时体验装配过程的碰撞反馈效果，通过碰撞反馈指 导整个装配过程； 3 开发了一集成的软件平台，该软件通过对o p e n g l 库的调用实现 了人机交互、模型的显示与操作等功能，并在软件的虚拟场景中 实现了对零件的正常仿真装配。用户可通过软件的仿真信息输出 模块方便、及时的获得碰撞检测的分析结果，对装配过程进行跟 踪分析。 4 最后通过实验验证了该软件具有良好的装配仿真效果及碰撞分 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 析功能。 关键词：虚拟装配；数据库；0 p e n g l 库；碰撞检测； i l 北京邮电大学硕十研究生论文2 0 0 9 r e s e a r c ho nc o n s t r u c t l 0 no fm o d e l i n f o r m 唆r i o nd a t a b a s ea n dc o l i s s i o nd e t e c t l 0 n t e c h n o l o g yf o rv i i u u a l a s s e m b i 二ys y s t e m a b s t r a c t i nv i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ，i no r d e rt oi m p r o v et h er e a l - t i m e ，p a r te n t i t y u s u a l l yt h r o u g has i m p l i f i e dp o l y g o nm o d e l e x p r e s s e d a s ar e s u l t ，t h i s m e t h o dl o s s e dt h ep r e c i s eg e o m e t r i cm o d e lo fi n f o r m a t i o na n dal a r g e n u m b e ro fe n g i n e e r i n gi n f o r m a t i o n n o w ，g e n e r a ls o l u t i o ni st h r o u g ht h es e c o n d a r yd e v e l o p i n g to fc a d s o f t w a r et oa c c e s st h en e u t r a ld o c u m e n t sc o n t a i n e di n f o r m a t i o n sa b o u tp a r t s a s s e m b l ya n de n g i n e e r i n g ，t h e n ，p u tt h e mi n t ot h ev i r t u a la s s e m b l ys y s t e m f i n i s h i n gv i r t u a la s s e m b l y s i m u l a t i o n h o w e v e r ，h i sm e t h o dh a saf a t a l d e f i c i e n c y ，i tc a nn o ta c h i e v et h ev i r t u a la s s e m b l yf u n c t i o nw h e nt h ep a r t s h a v en o tr e a l i z et h ea s s e m b l yi nc a ds o f t w a r e s ot h i sm e t h o dd o e sn o t s h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l eo fn e wp r o d u c t sa n dr e a l i z er e d u c ec o s t s p u r p o s e f o rt h e s er e a s o n sa b o v e ，t h en e e df o rt h e i ra p p l i c a t i o n sa n da r eb e i n g q u e s t i o n e d i no r d e rt os o l v et h e s ed e f e c t i o n ，t h i sp a p e ru s e dd a t a b a s et os t o r e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l sa n da s s e m b l ei n f o r m a t i o n s ，d e v e l o p e dav i r t u a l a s s e m b l y o r i e n t e ds i m u l a t i o ns y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r m r e a l i z e dm o d e l s v i r t u a la s s e m b l ys i m u l a t i o no ft h ed a t a b a s e b r o a d e dt h ev i r t u a l a s s e m b l y a p p l i c a t i o n sf i l e dl a r g e l y t h i sp a p e rc o m p l e t e dt h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 d e s i g n e dam o d e li n f o r m a t i o nd a t a b a s e ， s t a n d a r d p a r t s m a n a g e m e n ti n w i t hi t s a s s e m b l y r e a l i z e dc o m m o np a r t sa n d i n f o r m a t i o n s t o r a g e a n d t h ed a t a b a s e u s e r st h r o u g ht h ed a t a b a s ei n t e r f a c e i l l 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 m o d u l et of a c i l i t a t er e a l i z e dm o d e la n dc o n s t r a i n ti n f o r m a t i o n s t o r a g eo p e r a t i o n d a t a b a s ea p p l i c a t i o nm o d u l ea u t o m a t i cc l a s s i f i e d t h e s t o r a g es t y l e a n dt h ee s t a b l i s h e d b i n d i n gi n d e xt h r o u g h d e t e r m i n gw h e t h e rt h em o d e li fas t a n d a r dm o d e l d e s i g n e d a n d i m p l e m e n t e d ah i e r a r c h i c a lc o l l i s i o nd e t e c t i o n a l g o r i t h m ，r e a l i z e dt h er e a l t i m ed e t e c t i o ni nt h ea s s e m b l yp r o c e s s ； u s e r sc a np a r t i c i p a t ei nv i r t u a la s s e m b l yp r o c e s st h r o u g hu s i n g i n t e r a c t i v ee q u i p m e n t ，g e tr e a l - t i m ef e e d b a c ke f f e c t so ft h ec o l l i s i o n i nt h ep r o c e s s ； d e v e l o p e d ai n t e g r a t e ds o f t w a r ep l a t f o r m ，t h i ss o f t w a r et h r o u g h c a l l i n gt h eo p e n g ll i b r a r yt oa c h i e v eah u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ， g r i d b a s e d ，m o d e ld i s p l a ya n do p e r a t i o nf u n c t i o n s ，a n da c h i e v ea a s s e m b l ys i m u l a t i o no fp a r t si nav i r t u a ls c e n e u s e r sc a nt h r o u g h s o f t w a r es i m u l a t i o ni n f o r m a t i o n o u t p u t m o d u l e c o n v e n i e n t l y ， a c c e s s e st h er e s u l t so fc o l l i s i o nd e t e c t i o nt i m e l y ，t r a c k e da n d a n a l y s i s e do na s s e m b l yp r o c e s st i m e l y f i n a l l y ，t h i ss y s t e mg o tag o o de f f e c to fa s s e m b l ys i m u l a t i o na n d c o l l i s i o na n a l y s i st h r o u g he x p e r i m e n tv e r i f i c a t i o n k e yw o r d s ：v i r t u a la s s e m b l y ；d a t a b a s e ：o p e n g ll i b r a r y ；c o l l i s i o n d e t e c t i o n ； i v 复 生 禾 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：尘仁u l 一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学 本人签 导师签 北京邮电人学硕士研究生论文2 0 0 9 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 当前，随着科学技术的发展和全球贸易环境的变化，世界经济越来越呈现出全球 化、一体化的格局，市场需求正朝着小批量、多品种方向发展。同时t q c s e 问题对 制造业及其技术体系提出了更高的需求，即要求制造企业以最短的产品开发时间 ( r i m e ) 、最优的产品质量( q u a l i t y ) 、最低的成本和价位( c o s t ) 、最优的服务( s e r v i c e ) 、 最清洁的环境( e n v i r o n m e n 0 、和快速的市场适应性( f l e x i b i l i t y ) ，加快产品的开发速 度已成为竞争的重要手段之一。这就要求制造企业不断将各种先进的设计制造手段应 用于产品开发制造。 从理论上讲，采用虚拟装配技术，克服了采用传统方法产品开发周期长、开发成 本高的缺点，开辟了计算机图形学新的研究领域。同时在虚拟设计环境中对虚拟装配 算法的研究，不仅可以丰富这一领域理论研究，而且还可以解决在c a d 系统中三维 模型在虚拟环境中交互运动控制的一些技术难题。所以对于虚拟装配技术进行研究具 有以下重要的理论意义： ( 1 ) 改进装配性能，降低装配成本。虚拟装配技术比传统的仿真技术更直观，使 用虚拟装配技术，用户可以身临其境的，在虚拟环境中观察、抓取、操作虚拟零件， 因而可以对装配任务所涉及的可装配性问题等问题作直接的评价，并且在虚拟环境中 直接编制产品的装配顺序，特别是对于研究复杂产品的装配问题，虚拟装配技术有着 其他技术无可替代的优势。 ( 2 ) 为产品的可制造性提供依据。制造的最终目的是能够形成满足用户要求的产 品，考虑可装配性必须先于可制造性，一旦离开了产品可装配性这一前提，谈论可制 造性便是毫无意义的，因而虚拟装配是产品可制造性出发点。 ( 3 ) 产品并行设计的技术支持和保障。产品并行设计是让下游有关活动尽早融汇 到上游的过程中来，使下游的有关因素能在设计早期加以考虑。装配在生产过程中的 支配地位确定了虚拟装配的龙头作用。 总之，虚拟装配系统的开发和完善，可以使新产品开发的设计与制造流程向着数 字化、集成化的方向发展。在虚拟环境中，对产品进行构思、设计、分析和测试，摆 脱了传统的产品开发过程，开发设计由二维设计向三维设计转变，产品模型由几何模 型向虚拟模型转变，实现了产品的设计评价、测试分析与装配过程逐步由计算机仿真 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 技术的虚拟装配过程所替代，从而解决了企业在产品开发过程中数量、成本和服务的 问题，大大提高了企业在市场中的竞争力。 1 2 国内外对虚拟装配的研究及应用 面向虚拟装配技术的研究大体上可以分作两个层次：一是采用装配过程可视化手 段和干涉检查工具，直观地展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系， 并提供装配序列的性能及其优化结果。二是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环 境，操作人员有身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配顺序 和效果。在虚拟环境中，设计者可以像操作真实零件一样对虚拟零件进行装配操作， 建立产品装配模型，进行装配规划，检查装配过程中的干涉情况，验证与分析产品的 装配性能，从而提高产品装配的一次成功率。目前，国内外学者在这两方面对虚拟装 配技术进行了积极的研究，取得了许多卓有成效的成果。 1 2 1 国内的研究现状 在国内，虚拟装配的研究起步较晚，而且由于虚拟装配技术所需硬件价格昂贵， 大多数研究机构都是在进行理论探索与研究。近年来国内各高校以及科研院所，也在 积极进行有关虚拟装配方面的课题与项目研发工作并取得了大量的研究成果。浙江大 学c a d & c g 国家重点实验室是国内最早丌展虚拟装配研究的机构之一，他们目前的 研究在国内处于领先地位。万华根、高曙明、彭群生在基于虚拟现实的c a d 方法研 列l j 中，提出通过“用户引导的拆卸 进行拆卸过程仿真，得到零部件的拆卸顺序和 拆卸路径，从而确定产品的装配序列。在此基础上，浙江大学开发了基于拆卸的虚拟 设计与虚拟装配系统( v i r t u a ld e s i g na n dv i r t u a la s s e m b l ys y s t e m ，v d v a s ) 。在 v d v a s 中，装配规划人员可以通过直接三维操作选择零部件并进行拆卸规划，系统 通过实时碰撞检测机制自动保证拆卸过程的有效性。刘振宇、谭建荣提出了基于语义 识别的装配运动引导技术1 2 1 。该技术通过语义识别捕捉虚拟装配过程中用户的交互 意图，进行装配零部件的运动引导与精确定位。从装配语义元的空间位置属性匹配、 空间方向属性匹配类型属性匹配、与参数匹配4 个方面进行装配语义的识别，从装 配语义的角度识别装配意图，将虚拟装配系统对装配关系的识别从几何体素层次提高 到装配任务层次。清华大学在国家8 6 3 重大攻关项目中，为了从可视化角度解决产品 的可装配性问题，结合d f a 课题研制了一种装配仿真系统a s m l s ，该系统可有效验 证装配工艺规划结果，在一定程度上改进和完善装配工艺，并在此基础上生动直观地 2 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 进行产品的虚拟装配，提供装配顺序规划及评价等功能。张林、童秉枢等通过装配过 程可视化与干涉检查工具，在产品设计阶段进行数字化预装配，验证与改进产品的装 配工艺，并在商用c a d 软件p r o e 的基础上用c 与p r o d e v e l o p 实现了一种并行环境 下装配仿真系统( a s s e m b l ys i m u l a t i o ns y s t e ma s m l s ) ，该系统能在产品设计阶段实 施数字化预装配以验证和改进装配工艺1 3 j 。中国科学院软件研究所程成、陈由迪、 戴国忠从人机交互的角度出发，提出了一个基于场景的虚拟环境用户界面模型，以虚 拟装配为应用实例进行了验证与实现，并给出了装配车间场景的五个情节。基于场景 的虚拟环境用户界面模型的一个突出优点是，使交互不仅仅是计算机用户输入的简单 反映，而且融进了场景环境因素，因而更能反映用户的真实意图。北京航空航天大学 吴威、隋爱娜等采用力位置混合控制的方法，将力和位置的控制模型分别转换为约 束模型和自由移动模型，并通过具有力反馈的数据手套使操作者在虚拟装配过程中感 受到力反馈，从而实现虚拟装配过程中的力觉临场感。 1 2 2 国外的研究现状 在美国由政府支持的研究项目主要有t e a ( t e c h n o l o g i e se n a b l i n ga g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、n a m t ( n t i o n a la d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e s t b e d ) 、f t p ( f a s tt r a c k p r o g r a m ，u sa i rf o r c e ) 。具有代表性的有华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所 n i s t 合作开发的虚拟装配设计环境v a d e 。开发v a d e 的目的是通过生成一个用于 装配规划和评价的虚拟环境，探索产品设计制造中运用虚拟现实技术的可能性。美国 亚利桑那州立大学，对传统交互方式与虚拟现实交互方式中的装配规划进行了对比试 验，实验对象分别在传统环境m ) 、非沉浸式桌面虚拟环境( d v r ) 、沉浸式c a v e 环 境( c v r ) 中进行装配序列规划。实验表明，虚拟现实交互方式能显著地提高装配规划 的质量与效率。美国w i c h i t a 州立大学r a j a n 等开发了基于虚拟现实的产品装配与夹 具设计分析系统j i g p r o ，将c a d 系统中的产品装配模型、装配顺序约束、夹具模 型、手模型导入到虚拟环境中，进行虚拟过程仿真，检查零件与夹具之间的干涉，并 进行人机工程分析，以确保产品装配工夹具设计具有良好的装配性能和人机性能。美 国g e o r g i a 技术研究所s i d d i q u e 等利用自动和交互相结合的方法，进行虚拟环境中产 品的可拆性分析。 德国f r a u n h o f e r t 业工程研究所( i a 0 ) ，较早地进行了基于虚拟现实的装配规 划系统的研究与开发。系统通过虚拟人体模型v i r t u a la n t h r o p o s 在虚拟环境中执行 装配操作，交互地装配和拆卸零部件。在用户交互的基础上产生装配前趋图，进行装 3 北京邮i 乜人学硕七研究生论文2 0 0 9 配时间与装配成本分析。通过对真实装配环境的模拟，规划者在进行产品装配规划时， 能够综合考虑装配特征和其他装配条件( 如装配空间的制约、装配零件的供应以及必 须的装配工具) 对产品装配操作的影响。系统的具体功能为： ( 1 ) 通过与c a d 系统的数 据接口，获取和表达c a d 设计模型；( 2 ) 实际装配工作环境仿真；( 3 ) 通过交互产生装 配前趋图；( 4 ) 为装配规划人员提供装配规则与知识；( 5 ) 装配稳定性分析；6 ) 自动产 生装配过程文档等。德国信息技术国家研究中, 心f r o h l i c h 等，采用水平显示设备 r e s p o n s i v ew o r k b e n c h 开发了一个虚拟装配系统，其特点是支持用户通过双手或多用 户同时对同一虚拟物体进行装配操作，f r o h li c h 等通过物理仿真软件c o r l o l i s 计算虚 拟物体的行为。 此外，许多大学和研究机构通过相互间的合作并联合企业进行虚拟装配技术的研 究工作，如b a t h 大学的a v i r t u a lw o r k s h o pf o rd e s i g nb ym a n u f a c t u r i n g 研究，在英国 t e c h n o m a t 公司开发的一个虚拟装配系统，可以应用于农机产品的制造，实现装 配阶段的干涉性问题检测：n o r t h r o p 的研发工程师开发了一种交互装配模块，它 允许用户在三维虚拟空间对具有装配关系的零、部件进行序列推理和检测； ( h e r i o t ) w a r t 大学在应用虚拟现实技术于产品虚拟装配以及顺序规划方面做了 很多研究工作，t e c h no m a t u x 还发布了一个虚拟装配软件d y n a m o ，这个软件 能使工程师动态地模拟装配过程并生成产品的装配序列；k u e h n e a n do l i v e 建立了一 个简单的虚拟装配系统，可以通过导入c a d 模型和装配层次结构来产生装配顺序， 但它没有碰撞干涉检测和触觉反馈；j m r i t c h i e 、g u p t a 、a c b o u n d 等人通过虚拟 装配和现实装配的对比实验，验证了虚拟装配规划与分析的有效性和可行性，并表明， 与传统方法相比，能够更快、更直观、更有效的产生装配顺序，使用户能够对装配进 行更全面、精确的分析；g e o r g ec h r y s s o l o u r i s 等人在所创建的虚拟环境中，利用人 机工程学模型n o i s h 和g a r g 分析了装配工位的空间布局对人的操作强度的影 响，以获取最优的装配工位；日本n a b e 等人开发的机械零件装配性验证和装配机 器可视化系统，以及发现初学者在装配虚拟机器时错误操作的训练系统等。 以上所述为现今国内外在虚拟装配技术方面的一些主要的成果及其产品，本文即 是汲取了这些成果中的优秀思想，在装配模型信息存储方面与碰撞检测算法方面作了 一些改进，进而设计了本文的虚拟装配系统。 4 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 1 3 虚拟装配相关技术 1 3 1 虚拟装配系统结构 虚拟装配是虚拟现实在。虹i 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。美国的华盛顿州立大学的s a n k a rj a y a r a m 等人最早对虚拟装配 进行了系统化的研究开发，首次给出了虚拟装配的定义为：使用计算机在没有物理实 现产品或支持过程的情况下，通过分析、预测模型、数据的表达和可视化辅助做出与 装配相关的工程决策。 刘宏曾、黄靖远【4 j 将上述定义进一步引申理解为：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。 陈定方、罗亚波等人【5 l ，认为虚拟装配有侠义和广义两种含义。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。这就是现在所说的面向装配的设计( d e s i g nf o r a s s e m b l y , d f a ) 。虚 拟装配包含着以狭义的虚拟装配为主要研究对象的自底向上的设计过程和以广义虚 拟装配为主要研究对象的自顶向下的设计过程。 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。 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 6 j 。 虚拟装配系统一般由用户操作界面，虚拟装配环境，三维模型的存储及表达三个 部分组成。结构图如图1 - 1 所示： 5 北京邮电大学硕上研究生论文2 0 0 9 用 户 操 作 1 3 2 虚拟装配关键技术 图1 1 虚拟装配系统结构 ( 一) 面向虚拟装配的建模技术 ( 1 ) 零件模型的表达方式 在c ad c a p p 领域，为了共享产品设计、制造、装配以及使用过程中包 含的大量信息，保证c a d q 蝴q 心p 等过程的一致性和完整性，我们在工程设计中 引入了“特征 的概念。目前，特征在产品参数化造型中应用很广泛。很多c a d 软 件都采用了特征技术来构建和表达零件模型。由于特征不仅可表达一定的形状、结构， 还可以附带相关属性信息。因此特征就由简单的参数化形状特征、设计特征、尺寸特 征，发展到零件的精度特征、制造特征、装配特征、管理特征、协作特征等。目前， 特征建模技术己成为新一代的建模技术。它是集并行性和集成性为一体的面向产品生 命周期设计的重要支撑技术1 7 j 。 由于产品在分析、设计和制造等不同生产阶段中的概念模型不致，造成了在各 个阶段对特征的认识也不尽相同，这就要求基于特征的c a d c a m 系统根据不同的 应用目的对特征有不同的分类方法：设计特征应体现产品的全部设计要求，包含产品 的全部信息。它构成了产品特征的主模型，其它特征均可由设计特征通过映射和转化 得到。按照协同产品开发系统的信息要求，我们将零件模型的特征分为以下几类，如 6 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 图1 2 所示： 设计特征： 件等信息。 形状特征： ( 基本平面体、 孔和键槽等) 。 匿豳豳匝圉 图1 2 零件的特征模型 包括零件功能、设计要求、需求、材料、公差、表面粗糙度、约束条 描述零件的几何信息和拓扑信息，又分为构造零件主体形状的主特征 曲面体) 和用于零件局部细化的辅助特征( 如倒角、倒圆、退刀槽、中心 尺寸特征：包括零件的设计基准、定形尺寸和定位尺寸。 精度特征：包括零件的表面粗糙度、尺寸公差和形位公差。 制造加工特征：包括材料状态、加工精度要求、加工对象、加工基准等信息。 装配特征：描述装配过程有关的信息集合，包括零部件配合关系、装配层次关系 等。 管理特征：描述零件的管理信息，如零件名称、图号、类型、成组编码、材料类 型和牌号及材料性能、批量、毛坯类型、外形尺寸、零件质量、设计者、设计只期等。 协作特征：协作特征是协同产品开发系统中特有的特征。用于描述产品本身各方 面信息赖以产生的环境和知识、规则等外部过程信息，包括协作人员、协作人员所属 的工作领域( 如设计、工艺规划、制造、项目管理等) 、支持环境、设计时间、设计意 图、设计依据、设计版本等信息。 图1 2 5 件的特征模型对于基于特征的c a d c a m 集成系统，特征分类直接影响着系 统的体系结构、系统功能和实用性。考虑当前特征的应用主要是面向制造领域，而在 此阶段需要将产品零件的设计特征与制造及装配约束相关联，从而保证产品的可制造 性和可装配性。 ( 2 ) 虚拟装配中的建模方法 所谓虚拟装配建模就是指在参数化装配模型的建立中，并行虚拟的设计装配特征 模型，包括装配零部件的几何特征模型、分层装配关系模型、装配结构信息模型和装 配路径干涉等。由于虚拟装配模型的建模质量将直接影响到产品的结构特征、功能特 7 北京邮电大学硕l ：研究生论文2 0 0 9 征和整个虚拟装配过程的装配质量、装配效率和装配成本。在这个过程中频繁修改必 然造成重复设计、冗余反复、资源浪费和设计周期的延长。利用装配特征技术，可辅 助这一设计过程。这需要在程序设计的一开始就考虑到装配过程的各个环节【引。虚拟 装配系统建模在总体设计方面是自上而下的，而在细节设计方面是自下向上的。同时 在总体上又分为几步，并行的运用自上而下和自下向上两种方法，实现全面装配【9 1 。 ( 二) 碰撞检测技术 碰撞检测技术的基本原理是：对于两个由完全封闭的多面体构成的实体模型，当 两个实体模型发生相互碰撞的时候，其中一个模型至少会有一个面与另一个模型的至 少一个面发生相交。基于这种思想，在物体移动时加入碰撞检测功能是实现碰撞检测 的基本方法。碰撞检测通常分为两类：基于时间域的碰撞检测算法与基于空间域的碰 撞检测算法。 ( 1 ) 基于时间域的碰撞检测算法 通常，基于时间域物体的干涉分为静态干涉和动态干涉两种。静态干涉的意思是， 物体在空间中的位置是可变化的，但不随时间变化，位置的变化是由其它参数定义 的( 比如装配零部件的结构尺寸变化等) 。动态干涉与时间相关，即物体在空间中的位 置是随时间变化的，可分为二种情况，第一种情况，运动空间中只有一个物体是运动 的。例如教学机器人装配中，在往输出轴上装配板的时候，输出固定不动，只需移动 板的位置或者调整板的姿态，就可以把它装配在输出轴的适当位置上，这种情况下， 运动的物体只有套筒。第二种情况，一对物体都是运动的。例如车间里两个运动的机 器人。与之相对应的碰撞检测也分为静态碰撞检测和动态碰撞检测两大类。 a 静态碰撞检测算法 静态碰撞检测算法实质上就是距离计算，即先比较出两个模型中距离最近的两 点，然后计算它们之间的距离，判断两个模型是否发生干涉。静态碰撞检测算法提高 效率的关键是如何减少被测元素的数量。根据检测中实体模型的不同，人们将算法分 成凸多面体算法和凹多面体算法两类。 b 动态碰撞检测算法 动态碰撞检测就是对移动的物体的干涉检测。对于空间中运动的三维物体，随着 时间的变化将构成一个四维时空系统。 ( 2 ) 基于空间域的碰撞检测算法 从空间域的角度来分，碰撞检测算法大体可分为两大类：一类是基于物体空间的 碰撞检测算法；一类是基于图象空间的碰撞检测算法【1 0 】。这两类算法的主要区别在于 是利用物体三维几何特性进行求交计算还是利用物体二维投影的图象加上深度信息 8 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 来进行相交分析。目前在基于物体空间的碰撞检测上，研究人员已经做了相当多的工 作。基于图象空间的碰撞检测算法是一类比较新的碰撞检测算法，它能有效利用图形 硬件的绘制加速功能来提高碰撞检测算法的效率。近几年图形硬件技术的飞速发展， 图形加速卡在性能不断迅速提高的同时甚至出现了可编程的功能，使得基于图象空间 的碰撞检测算法进入了一个新的发展阶段【1 1 j 。 a 基于物体空间的碰撞检测算法 到目前为止，基于物体空间的碰撞检测算法已有相当的研究成果，它一直是人们 研究的重点。各种技术如层次表示法、几何推理、代数范式、空间划分、解析方法和 最优化方法等都被应用到碰撞检测中。基于物体空问的碰撞检测算法有两类：一是基 于物体的不同表示模型；二是基于不同的空间结构。 采用一般表示模型的碰撞检测算法 大多数碰撞检测算法都与物体采用的表示模型相关。面向不同表示模型的碰撞检 测算法各有特点，算法效率也有不同。目前在c a d c a m 和三维图形领域中存在多 种几何模型，最有代表的是多边形表示模型和非多边形表示模型。 多边形表示模型又可再细分为多边形集合( p o l y g o ns o u p ) 和结构化模型两类； 而非多边形表示模型则可分为c s g 表示模型、隐函数曲面、参数曲面和体表示模型 等。图1 3 给出了几何模型的一个分类。 图1 3 几何模型表示法分类 由于多边形表示模型表示法简单、通用，因此多边形表示模型是计算机图形学中 最常用的几何模型，很多碰撞检测算法都面向多边形表示模型设计。多边形表示模型 中多边形集合是一种常用的几何表示模型。这种表示模型中，物体表面被简单地表示 为一组多边形的集合。面向这种表示模型的碰撞检测算法1 1 2 , 1 3 , 1 4 1 一般有较广的适用范 围。 采用空间结构的碰撞检测算法 物体空间的碰撞检测算法可采用不同的空间结构来提高效率，根据所用空间结构 9 北京邮电大学硕士研究生论文2 0 0 9 的不同可将它们分为两类：空间剖分法( s p a c ed e c o m p o s i t i o n ) 和层次包围体树法 ( h i e r a r c h i c a lb o u n d i n gv o l u m et r e e s ) 1 5 1 6 切。 空间剖分法：场景的层次剖分方法主要有均匀剖分、b s p 树、k - d 树和八叉树 ( o c t r e e ) 等f 1 8 , 1 9 , 2 0 。近些年也有不少学者研究基于这些空间剖分技术的碰撞检测算 澍2 1 捌。但这类碰撞检测算法较难在处理不同的场景和具有不同形状及复杂度的物体 时保持比较一致的检测效率。 层次包围体树法：物体的层次包围体树可以根据其所采用包围体类型的不同来加 以区分，主要包括层次包围球树【矧、a a b b 层次树( a l i g n e da x i sb o u n d i n gb o x ) 2 4 l 、 o b b 层次树( o r i e n t e db o u n d i n gb o x ) 、k - d o p 层次树( d i s c r e t eo r i e n t a t i o np o l y t o p e ) 、 q u o s p o 层次树( q u a n t i z e d o r i e n t a t i o ns l a b sw i t hp r i m a r yo r i e n t a t i o n s ) 瞄j 、凸块层次 树【2 6 1 以及混合层次包围体树【2 7 l 等等。建构物体层次包围体树既可采取自顶向下的策 略，也可自底向上来进行。目前基于层次包围体树的算法多数采取自顶向下的方式来 建构物体的层次包围体树。 b 基于图象空间的碰撞检测算法 基于图象空间的碰撞检测算法一般利用图形硬件对物体的二维图象采样和相应 的深度信息来判别两物体之间的相交情况。图形硬件有时也称为图形处理单元 ( g r a p h i c sp r o c e s su n i t ，g p u ) 。这类算法优势在于能有效利用图形硬件加速技术来 减轻c p u 的计算负荷，从而达到提高算法效率的目的。在s h i n y a 等幽j 和r o s s i g n a c 等【2 9 1 于1 9 9 1 年前后开创性地提出了图形硬件辅助碰撞检测的方法之后，基于图象 空间的碰撞检测算法开始快速发展起来。m y s z k o w s k i 等【刈利用模板缓存( s t e n c i l b u f f e r ) 检测每帧的变化状况，提出了一种有效的改进算法。b a c i u 等进一步利用深度 缓存和模板缓存的组合功能，提高图象空间碰撞检测算法的效率，并使算法可在常规 图形工作站甚至是普通个人台式电脑上运行。h o f f 等【3 1 】和k i m 等【3 2 】将图象空间碰 撞检测算法和物体空间碰撞检测算法结合起来，利用二者优点增强了算法的功能，同 时通过一定的负载平衡策略，在c p u 与图形硬件单元( g p u ) 问进行合理调配来保 证算法的整体效率。这方面的其他研究工作还包括【3 引。 ( 3 ) 算法比较及分层碰撞检测算法的提出 因为基于时间域的碰撞检测算法法只在个别的时间点上进行检测，所以当一模 型在一个时间段内连续运动时，一些碰撞有可能检测不到，比如一子弹快速穿越一个 薄板，如果两个连续的检测时间点在穿越前和穿越后，就不能检测到子弹与薄板间的 碰撞。基于空间域的包围体法可以判断两个模型在一段时间内是否碰撞，有效的避免 了漏报；但这种思想有一个缺点就是判断两个包围体相交后，究竟对哪个时间虑进一 1 0 步检测较难判断；运用它的一些算法也往往需要被检测物体的近似时间函数。总的来 说基于时间域的算法效率较高但可能漏报，基于空间的算法防止了漏报，但实现困难、 效率低，使用它的较少。 在本文设计的虚拟装配系统中，场景中的模型运动不迅速，并且每次只对两个模 型就行装配，所以为了减少碰撞检测的次数，提高碰撞检测的效率，所以我们采用效 率高易于实现的时间域法。同时为了降低碰撞检测运算的时间复杂度d 0 2 ) ，我们采 用分层的细化碰撞检测算法，这样可以大大减少碰撞检测的次数，提高检测速度和效 率。 ( 三) 装配规划 装配序列规划( a s s m b l ys e q u e n c ep l a n i n g ：a s p ) 是在给定产品设计的条件下，找出 那些合理、可行的装配序列，按照这样的序列，达到要求的装配目标。 ( i ) 装配规划方法 装配规划是产品装配过程所需要装配资源的指令。装配序列是装配规划最基本的 信息。产品中零件之间的几何关系、物理结构及功能决定了产品的装配顺序。装配规 划方法按类别分为经典装配规划方法和虚拟装配规划方法两类。 a 经典装配规划方法 早期q 钆谨的研究侧重于装配序列的规划以产品c a d 模型为基础。一般采用几 何推理方法，通过产品装配建模、装配序列推理和表达以及装配序列评价和选用为产 品面向装配的设罚t 和装配规划提供指导和支持。其过程通常如图1 4 所示： 隧h 蔓。卜 可行装配序 评价- l 旗意r o 口o7 啊 列的生成与 。7 i 熙c 厣夕u l 表达 “。7 。 搜索算法 王 ， 一 l 装配仿真l 图1 4 经典装配规划过程 b 虚拟装配规划方法 虚拟装配过程中，人机可以充分发挥各自的优势，即人通过直觉装配经验和知 识决定产品的装配过程，但不能精确地判断当前所有可能装配的零件，也不太可能准 确判定装配某一零件后装配体的稳定性等因素。而通过一定算法和规则实现的机器智 能刚好弥补人的不足。虚拟装配方法得到的不仅仅是零件的顺序，还可以包括零件路 径装配工具夹具和工作台等信息。图1 5 为虚拟装配规划的工作过程： 北京邮电人学硕十研究生论文2 0 0 9 1 4 主要研究内容 图1 5 虚拟装配规划过程 目前，通过计算机仿真实现虚拟装配正成为研究的热点和方向。本课题研究跟踪 产品设计领域中装配技术的最新发展方向，在广泛查阅国内外有关文献的基础上，掌 握了虚拟装配技术研究工作的最新进展情况，对虚拟装配系统中的模型及装配信息的 存储技术及碰撞检测技术进行了深入研究。并设计实现了一个集成虚拟装配功能与的 模型数据库接口的虚拟装配验证平台。 本文对虚拟装配技术理论及碰撞检测技术进行研究，应用三维形体空间坐标变换 原理实现模型的装配操作，利用v c + + 6 0 语言构建可视的交互虚拟装配平台并给出 了虚拟装配过程的实例。 论文共六章 第一章绪论介绍了本研究的背景、意义和国内外研究现状，阐述了虚拟现实与 虚拟制造等本研究领域的相关技术及关键技术。 第二章针对虚拟装配系统的总体设计，详细介绍了虚拟装配验证平台软件的设 计流程。并通过u m 蹭言及各种视图详细介绍了软件的架构。 第三章针对模型数据库构建技术，详细研究了虚拟装配验证平台软件所采用的 数据库及其接口技术，并设计实现了对不同类型三维模型的读取及显示操作。 第四章详细介绍本论文所研究的碰撞检测算法，及算法的流程与实现。 第五章详细讲解了系统运行环境，并通过应用实例验证了该软件的有效性。 第六章对本文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章主宴提出了课题研究背景及意义，详细介绍了虚拟装配的原理、技术基础、 1 2 北京邮电人学硕士研究生论文2 0 0 9 系统结构，以及当前虚拟装配技术的体系结构。深入探讨了虚拟装配的相关关键技术 及原理。给出了论文各章节的