（机械制造及其自动化专业论文）基于虚拟装配语言的装配仿真系统.pdf

圭盘查茎亟堂堡堡塞 摘要 虚拟装配是虚拟制造的主要内容之一，它的应用对机械产业产生了深远的影 响，而装配过程仿真是实现产品虚拟装配的个重要环节。本文以o p e ni n v e n t o r 三维场景数据库技术、机床几何建模和l o d 场景优化技术实现了机床虚拟装配系 统。该系统能够完成虚拟机床的装配和拆卸仿真，并对现有碰撞检测程序库的整 合与改进，设计并实现了图形仿真系统的碰撞检测模块。 为了方便地优化装配序列、装配路径和虚拟场景，在分析了机床装配仿真过 程的基础上，本文提出了一种虚拟装配的描述语言及其相对应的虚拟装配函数的 实现方案。这种语言按功能分包括虚拟场景设置语言、虚拟装配语言和虚拟场景 渲染语言三个部分。虚拟场景设置语言的功能是调入机床的零件或部件以及描述 机床的结构，建立虚拟机床的场景：虚拟装配语言是描述虚拟机床零部件在虚拟 环境中的装配拆卸情况；虚拟环境渲染语言用来实现辅助功能，使虚拟环境具有 更好的真实感。此虚拟语言最突出的优势在于能够使机床技术人员用直观、便捷 的方法来实现虚拟机床的装配。文中的两个实例验证了该技术的有效性。 本文还给出了装配运动的算法设计以及虚拟装配语言的应用工具，包括规则 运动和任意路径运动的装配语言实现工具、虚拟场景设置语言的自动生成等。 本文结合上海市科委项目“基于p c 平台的a r 系统的关键技术研究和基于 v r 培训系统开发”( 课题编号：0 2 5 1 1 5 0 0 8 ) ，利用虚拟现实技术，开发以操作过 程和维护过程为对象的一套虚拟培训系统，已经应用于c k 6 4 3 0 数控车床和q z l 0 4 切纸机。 关键字：虚拟机床，装配仿真，虚拟装配语言，o p e ni n v e n t o r ，碰撞检测 v a b s t r a c t v i r t u a l a s s e m b l y i so n eo fm a i nc o n t e n to fv i r t u a lm a n u f a c t u r e ，a n dt h e a p p l i c a t i o n s o fv i r t u a l a s s e m b l yt e c l m o l o g y 百v er i s e t o f a r - r e a c h i n ge f f e c to n m a c h i n ee n t e r p r i s e p r o c e s ss i m u l a t i o no fa s s e m b l yi sa ni m p o r t a n tl i n kt or e a l i z e v i r t u a la s s e m b l eo fp r o d u c t b a s e do i lo p e ni n v e n t o r3 ds c e n ed a t a b a s et e c h n i q u e ， g e o m e t r ym o d e l i n go fm a c h i n ea n dl o d f o ro p t i m i z i n go fs c e n e ，t h i sd i s s e r t a t i o n r e a l i z e sav i r t u a lm a c h i n es i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c he n a b l et or e a l i z et h es i m u l a t i o no f a s s e m b l ya n dd i s a s s e m b l y , a n dc o l l i s i o nd e t e c t i o nm o d u l e i no r d e rt oo p t i m i z ea s s e m b l ys e q u e n c e ，a s s e m b l yp a t ha n dv i r t u a le n v i r o n m e n t e x p e d i e n t l y , a n d b a s e do n a n a l y z i n g t h e p r o c e s s o f s i m u l a t i o n o f m a c h i n ea s s e m b l y ，a k i n do fv i r t u a la s s e m b l yl a n g u a g ea n das e to ff u n c t i o n sf o rv i r t u a la s s e m b l ya r ep u t f o r w a r d ，w h i c hi n c l u d e sv i r t u a le n v i r o n m e n ts e t t i n gl a n g u a g e ，v i r t u a la s s e m h l y l a n g u a g ea n d v i r t u a le n v i r o n m e n tr o m a n c el a n g u a g e t h ef u n c t i o no fv i r t u a l e n v i r o n m e n ts e t t i n gl a n g u a g ei st od e s c r i b et h es t r u c t u r eo ft h el a t h ea n dt os e tu pt h e s c e n eo ft h ef i c t i t i o u sl a t h e t h ef u n c t i o no fv i r t u a la s s e m b l yl a n g u a g ei st od e s c r i b e s i t u a t i o no fa s s e m b l ya n dd i s m a n t l e m e n to ft h el a t hi nv i r t u a le n v i r o n m e n tt h e f u n c t i o no fv i r t u a le n v i r o n m e n tr o m a n c el a n g u a g ei st os t r e n g t h e nt h ea u t h e n t i c i t yo f t h ev i r t u a le n v i r o n m e n t t h em o s to u t s t a n d i n ga d v a n t a g eo ft h ev i r t u a ll a n g u a g ei st h a t i tc a nb eu s e dt os i m u l a t i o nt h ea s s e m b l yp r o c e s se x p e d i e n t l y ，a n dt w oe x a m p l e si s g i v e nt os h o wt h ev a l i d i t yo f t h et e c h n o l o g y t h i sd i s s e r t a t i o na l s o p r o v i d e sa l g o r i t h md e s i g n o fa s s e m b l em o v e m e n ta n d i m p l e m e n t a t i o nt o o lo f v i r t u a la s s e m b l el a n g u a g e t h i sd i s s e r t a t i o na s s o c i a t e sw i t ht h ec o - o p e r a t i o np r o j e e lo fr e s e a r c ho ft h ek e y t e c h n o l o g yb a r e do na rs y s t e mo fp cp l a t f o r ma n dd e v e l o p m e n to ft r a i n i n gs y s t e m b a s e do nv rs y s t e m ( n o 0 2 5 1 1 5 0 0 8 ) ，d e v e l o pv i r t u a lt r a i n i n gs y s t e mb a s e do nt h e c o u r s eo f m a n i p u l a t i n ga n dm a i n t e n a n c eu t i l i z i n gv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：v i r t u a lm a c h i n e ，a s s e m b l ys i m u l a t i o n ，v i r t u a la s s e m b l yl a n g u a g e ， o p e ni n v e n t o r , c o l l i s i o nd e t e c t i o n v 上海大堂巫堂垡鱼童 - _ _ _ l _ ；l ；_ _ _ _ _ _ 。一 原创性声明 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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己 发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：) 盈至蛰期。趋堕：三：! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丛导师签名：理孥煎 日期 加以，巾 i i 上海大学硕士学位论文 第章前言 1 1 课题研究背景 第一章前言 当今世界，基于信息和知识的产品正在高速发展，这要求制造企业以最短的 产品开发时间( t i m e ) 、最优的产品质量( q u a l i t y ) 、最低的成本( c o s t ) 和价格及 最佳的服务( s e r v i c e ) “t q c s ”来赢得用户和市场。而实现这目标的方法， 就是将系统科学、计算机科学、虚拟现实、人工智能等技术与制造技术相结合， 形成全新概念的现代先进制造技术虚拟制造。 虚拟现实。3 “”( v i r t u a lr e a l i t y ，v r ) 技术是一种综合计算机图形技术、 多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能、仿真技术等多种学科 而发展起来的，近年来发展较快且较活跃的技术。虚拟现实技术以模拟方式为使 用者创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图像世界，在视、听、触、 嗅等感知行为的逼真体验中，使参与者可以直接参与和探索虚拟对象在所处环境 中的作用和变化，仿佛置身于一个虚拟的世界中。虚拟现实技术有3 个重要的特 征：沉浸感( i m m e r s i o n ) 、交互性( i n t e r a c t i v i t y ) 、构想( i m a g i n a t i o n ) 。也就 是说，虚拟现实技术强调的是一种身临其境的方式。 作为虚拟制造技术的支撑技术之一，虚拟现实技术对于制造业来说，具有巨 大的应用潜力，从初始的市场调查阶段到产品设计再到加工产品乃至产品的装配 和售后服务，都可运用虚拟现实技术来实现。从本质上说，虚拟现实是虚拟制造 的基础，虚拟制造又是虚拟现实的扩展。采用虚拟现实技术的虚拟制造允许客户、 设计师及维护工程师等在整个产品的生命周期内来观察任一产品。面向虚拟制造 行业的虚拟现实技术已成为大型机械设计、加工、生产过程中的重要辅助手段， 对传统的机械产生了深远的影响。 产品的装配是产品制造过程的末端环节，它的目的是将零散的部件装配成完 整的产品，装配质量对产品的性能有直接的影响。随着现代生产从单一品种、大 批量生产向多品种、高质量、小批量生产模式的变换，装配作业在制造过程中所 占的比重也日益增加。在工业化国家，产品的生产过程中装配所需工时占产品生 产制造总工时的4 0 6 0 ，装配成本占总生产成本的2 5 7 0 ，大约3 0 左右 的人力在从事有关装配活动，超过4 0 以上的生产费用由于产品的装配，良好的 装配设计可以减少2 0 4 0 的制造费用，同时提高1 0 0 2 0 0 的生产率”1 。因 此，为降低生产成本，减少装配时间，提高装配效率，提高企业经济效益和竞争 能力，在产品的设计阶段，进行产品数字化预装配是十分必要的。 虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ，v a ) 是虚拟制造的关键组成部分，利用计算机 第i - 页共7 0 更 上海太学硕士学位论文第一章前言 工具，通过分析、预测产品模型，对产品进行数据描述和可视化，做出与装配有 关的工程决策，而不需要实物产品模型作支持。虚拟装配作为虚拟现实技术( v r ) 在产品设计领域的一个典型应用，已引起国内外学者的关注。虚拟装配虽然被定 义为一种技术，实际上是许多技术的综合利用，包括可视化技术、仿真技术、决 策理论、装配和制造过程的研究等等”1 。 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 和以广义虚拟装配翘主要研究对象的自顶向下的研究过程。狭义的虚拟装配就是 在虚拟环境中快速的把单个零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的进行结构设计、修改，让设计人员更专 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 ra s s e m b l y ， d f a 。 虚拟装配技术的实际应用应考虑下列几个问题：( 1 ) 虚拟装配如何使工程设 计、加工、装配、维护等得到关于装配问题的综合观察；( 2 ) 系统如何帮助工程 设计人员做出决策：( 3 ) 如何实现虚拟装配和工程设计支撑系统及制造系统间的 信息传递。虚拟装配的关键技术包括装配建模、装配规划、装配仿真和容差分析 等“。 2 0 0 2 年5 月，上海大学向上海市科委申报了“基于p c 平台的a r 系统的关 键技术研究和基于v r 培训系统开发”科研项目，利用虚拟现实技术，开发以车 床操作过程和维护过程为对象的虚拟培训系统。 1 2 国内外研究情况 1 2 1 国外研究情况h “1 国外对于虚拟现实技术在工程制造中的应用的研究起步较早，取得了一些比 较成功的经验。摩托罗拉公司，有一种教授怎样操纵机器人装配线的高级培训课 程。从1 9 9 4 年开始，这个公司利用v r 技术制造装配线的模型。学员在启动、运 行、关闭装配系统的虚拟模型中，可以听到像从真实系统发出的响声，从显示器 上可看见与真实系统一样的动作反应。利用装配线的虚拟模型，就可对学员进行 培训。通用电动机车部( g e n e r a lm o t o r se l e c t r om o t i r ed i v i s i o n ，e m d ) 在 1 9 9 7 年，利用u g i i 软件，建成了第一个完全数字化的机车样机模型，并围绕这 个数字模型并行地进行产品设计、分析、制造、夹模具工装设计和可维修性设计。 美国的华盛顿州立大学( w a s h i n g t o ns t a t eu n i v e r s i t y ) $ 口国家标准技术研究所 n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 共同合作成功开发了虚拟装 配设计环境v a d e “”3 。开发v a d e 的主要目的是通过生成一个用于装配规划 和评价的虚拟环境来探索在设计和制造中运用虚拟环境的潜在的技术的可能性。 第2 页共7 0 页 上海太学硕士学位论文第一章前言 该系统具有以下显著的特征，并实现了相应的功能：c a d 系统到虚拟环境的自 动数据翻译，现实环境和部件初始位置的生成，双手装配和灵活操作，从c a d 系统中获取装配目的并将其应用于虚拟环境，约束移动的模拟，对部件的交互式 动态模拟，部件的体积生成和轨迹编辑，虚拟环境中的参数化设计修改。利用一 个三维的图形用户界面，用户能在虚拟环境中修改这些参数，被修改后的参数可 以返回给c a d 系统。根据用户的定义，所有变化的参数化的关系部件被重新生 成，修改后的部件再重新装入v a d e 。 h e r i o t w a t t 大学韵机械和化学工程系所进行的两个关于虚拟装配的项目，一 是利用虚拟环境对电缆连接进行设计和规划，二是利用虚拟环境来得到用于装配 规划的知识，并开发了一个虚拟装配规划系统1 r w u 。 在欧洲，虚拟装配的研究同样也是开展得如火如荼，尤其是德国和英国走在 最前面。虚拟环境在装配方面的应用主要是在汽车和飞机制造工业。例如，福特 公司的开发机构对虚拟环境应用于自动装配进行了评估，证实了虚拟现实技术应 用于安装过程的可行性。汽车部件首先在c a d 系统中建模，再将得到的c a d 文件传输到虚拟环境系统，然后用户就可以操纵虚拟部件并可试图将它装配到虚 拟汽车中去，系统能够检查部件和汽车之间的相互干扰和碰撞。 1 2 2 国内研究情况“” 目前我国各研究机构对虚拟机床和虚拟制造技术的研究正在积极的展开。大 连铁道学院机械工程系的王启义，葛研军等研制了含有整个数控车削加工环境的 全景仿真，可初步表达几何仿真、加工过程仿真及加工质量仿真。华中理工大学 的周祖德教授、哈尔滨工业大学及合肥工业大学在“虚拟数控系统”方面也进行 了研究。现阶段有待解决的重点技术问题包括虚拟加工分析工具的研究；数字化 产品模型的建模技术；以交互方式控制三维真实模拟装配过程等等。 浙江大学自主开发了虚拟环境产品装配设计原型系统( v i r t u a ld e s i g na n d a s s e m b l ys y s t e m ，v m o a s ) ”7 1 , 用于虚拟环境中产品层次信息的表达，研究基 于直接三维操作的虚拟装配建模和装配规划与仿真方法。另外，浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室也开发了一个基于多通道的、集成的虚拟设计与虚拟 装配系统v d v a s 【18 1 。在该系统中，设计者可以通过直接三维操作和语音命令直 观方便地建立机械零件及其装配模型，并通过交互拆装来得到零件的装配顺序和 装配路径等信息。v d v a s 的一个重要特征在于，可通过集成虚拟设计与虚拟装 配过程，使设计者能在一个集成的虚拟环境中修改零件几何( 假如在装配过程中 发现零件存在设计缺陷的话) 。 目前有关虚拟装配的工作大多是在人工规划领域进行的，整个规划过程都是 通过用户界面完全由人工干预来引导。他们的研究方向是将人工智能技术与虚拟 第3 页共7 0 页 上洛太学硕士学位论文第一章前言 该系统具有以下显著的特征，并实现了相应的功能：c a d 系统到虚拟环境的自 动数据翻译，现实环境和部件初始位置的生成，双手装配和灵活操作，从c a d 系统中获取装配目的并将其应用于虚拟坏境，约束移动的模拟，对部件的交互式 动态模拟，部件的体积生成和轨迹编辑，虚拟环境中的参数化设计修改。利用一 个三维的图形用户界面，用户能在虚拟环境中修改这些参数，被修改后的参数可 以返回给c a d 系统。根据用户的定义，所有变化的参数化的关系部件被重新生 成，修改后的部件再重新装入v a d e 。 t 4 e r i o t - w a t t 大学的机械和化学工程系所进行的两个关于虚拟装配的礞目，一 是利用虚拟环境对电缆连接进行设计和规划，二是利用虚拟环境来得到用于装配 规划的知识，并开发了一个虚拟装配规划系统u v a v u 。 在欧洲，虚拟装配的研究同样也是开展得如火如荼，尤其是德国和英国走在 最前面。虚拟环境在装配方面的应用主要是在汽车和飞机制造工业。例如，福特 公司的开发机构对虚拟环境应用于自动装配进行了评估，证实了虚拟现实技术应 用于安装过程的可行性。汽车部件首先在c a d 系统中建模，再将得到的c a d 文件传输到虚拟环境系统，然后用户就可以操纵虚拟部件并可试图将它装配到虚 拟汽车中去，系统能够检查部件和汽车之间的相互干扰和碰撞。 1 2 2 国内研究情况。”1 8 目 ； 我国各研究机构对虚拟机床和虚拟制造技术的研究f 在积极的展开。大 连铁道学院机械工程系的王启义，葛研军等研制了含有整个数控车削加工环境的 哞= 景仿真，可初步表达几何仿真、加n 【过程仿真及加工质量仿真。华中理工大学 的周祖德教授、哈尔滨工业大学及合肥工业大学在“虚拟数控系统”方面也进行 了研究。现阶段有待解决的重点技术问题包括虚拟加工分析工具的研究：数字化 产品模型的建模技术；以交互方式控制三维真实模拟装配过程等等。 浙江大学自主开发了虚拟环境产品装配设计原型系统( v i r t u a ld e s i g na n d a s s e m b l ys y s t e m ，v i r d a s ) ”7 1 , 用于虚拟环境中产品层次信息的表达，研究基 于直接三维操作的虚拟装配建模和装配规划与仿真方法。另外，浙江大学 c a d & c g 国家重点实验室也开发了一个基于多通道的、集成的虚拟设计与虚拟 装配系统v d v a s1 1 。1 。在该系统中，设计者可以通过直接三维操作和语音命令直 观方便地建立机械零件及其装配模型，并通过交互拆装来得到零件的装配顺序和 装配路径等信息。v d v a s 的一个重要特征在于，可通过集成虚拟殴计与虚拟装 配过程，使设计者能在一个集成的虚拟环境中修改零件几何f 假如在装配过程中 发现零件存在设计缺陷的话) 。 目前有关虚拟装配的工作大多是在人工规划领域进行的，整个规划过程都是 通过用户界面完全由入工干预柬 1 导。他们的研究方向是将人工智能技术与虚拟 通过用户界面完全由人工干预来引导。他们的研究方向是将人工智能技术与虚拟 第3 页共7 0 贝 上洛大学硕士学位论文第一章前言 装配结合起来，利用k b s ( k n o w l e d g eb a s e ds y s t e m ) 技术对原有的虚拟装配规划 系统的结构进行改造，构造一个知识库作为信息中心，将部分人类专家的领域知 识形式化后存放在知识库里。在虚拟装配规划过程中，系统可以根据当前的状况 利用知识库中的知识进行推理，为进一步的装配提供参考信息，协助用户进行装 配操作的选择。知识库中的专家知识不但可以重用，而且可以更新。通过对以往 装配规划过程的学习，知识库可以不断地被修改以提高性能【】。 清华大学c i m s 工程研究中心虚拟制造研究室是国内最早开展虚拟制造研 究的机构之一。该中心开展了剑杆织机的虚拟产品开发，进行了剑杆织机的三维 数字建模及产品性能分析、加工过程仿真、虚拟装配技术等技术的研究与应用。 在一些大学院校里，也在进行一些基于c a d 软件( 如u g t “、s o l i dw o r k s i9 1 、 s o l i de d g e i ”】、i - d e a s 2 0 】、p r o e n g i n e e r 等) 系统和基于v r m l 环境进行了虚拟 装配的研究。 1 3 研究内容、研究方向和研究方法 当今，产品需求的多样化进一步扩大，个性化需求得到迅速增强，这就要求 制造业采取措施提高产品设计成功率，缩短产品设计周期：随着新产品推出时问 进一步缩短，企业竞争空前激烈，就要求企业从产品设计到产品制造的时阳j 大大 缩短。 加工过程的可视化展示技术的应用可为提高设计的成功率，及时发现加工过 程中的问题，可为改进设计的建议提供基础，也可为教学提供有力的展示手段。 虚拟机床的可视化和运动仿真有助于发现设计中的问题，为改进设计提供基础， 当前的虚拟现实技术具有非常好的展示能力，但没有运动学、动力学分析能力， 使加工过程和虚拟机床中很多部件的运动状态难以确定，而运动学、动力学分析 系统强于分析，其展示能力又比较有限。因此实现分析系统与展示系统的集成是 十分重要的，将两者有机结合，可以创造一个崭新的、人性化的设计仿真系统， 大大改善产品设计、分析过程。 通过这个课题的研究，我们设计出一套自主知识产权平台的软件一一虚拟机 床系统v m s ( v i r t u a lm a c h i n es y s t e m ) ，可以方便的对装配工艺过程与装配路径进 行三维可视化环境中的调整。我们所设计的该系统是基于v c + + 以及 o p e n l n v e n t o r 开发，能够在w i n d 2 0 0 0 系统的微机上运行，实现对虚拟车床的虚 拟仿真功能。它不仅仅是虚拟现实( v r ) 技术在数字化漫游和装配演示方面的 应用，而且是一台实实在在的软件化的数控机床，是交互式的虚拟现实系统。与 单纯的展示性的虚拟现实系统不同的是，它拥有真实控制器一样的软数控系统， 他所连接的不是真实的机床本体，而是一台虚拟数字化的机床床身，软数控系统 可以自由操作虚拟床身的运动，通过数控系统进行人机交互。 第4 页共7 0 页 上海太学硕士学位论文第一章前言 本系统主要功能包括： 机床机构的虚拟漫游功能。虚拟机床的使用着可以通过交互设备 ( 三维鼠标) ，实现三维虚拟环境的漫游，可以帮助使用者了解机床机构 和组成，为数控机床的培训发挥作用。 虚拟装配功能。三维可视化装配过程可以帮助他们进一步完善和 验证制造工艺，这给于机床制造和装配工艺人员提供了一个非常好的培 训和工作环境。 机床虚拟操作和虚拟加工功能。软数控系统和虚拟机床床身的联 动，同时驱动三维虚拟环境的各零件做相应的运动，并结合工件的实时 变化，实现了虚拟操作的模拟。这项功能可以替代使用真实机床进行的 操作培训。 实时的工程分析系统及其可视化。切削过程中的实时工程分析系 统及其可视化，显示了切削过程中的某些关键零件的应力或温度场变化。 这项功能可以为设计者提供设计验证，也可以帮助加工工艺人员合理调 整加工工艺。 通过对国内外虚拟装配研究情况的分析，我们了解到在多数的研究中，漫游 和装配过程演示主要是基于国外虚拟现实软件平台进行应用开发的；在假定装配 体拆卸为装配的逆过程的前提下提出了一些虚拟装配的理论和方法，但是在多数 情况下，装配体拆卸并不为装配的逆过程；装配序列与机床的零件数量成正比： 一个机床的零件越多，它的装配序列越多，当要修改装配序列时，虚拟装配的环 境需要重新调整全部零件的装配路径，这将是一个复杂的过程。 在本系统的虚拟装配仿真模块中，需要实现多达数百个的机床零件模型的复 杂运动，如果要在程序设计中描述机床装配过程的话，显然即缺乏效率，又无法 对装配过程灵活地进行修改。因此，必须要解决机床装配仿真的快捷实现技术， 要能够让机床维护人员使用独立于虚拟机床程序的简便灵活的方式描述机床的 装配过程。在此基础上，本文提出了一种机床虚拟描述性语言一一虚拟语言以及 与其相对应的虚拟函数。这种语言代码记录了虚拟装配的路径，通过随时修改代 码就可以达到改变虚拟装配序列或装配路径的目的。 本文的组织结构为： 第一章，综述了虚拟现实技术与虚拟装配技术研究及应用的发展状况，讨论 了一般的虚拟装配系统存在的问题与不足，论述了本文研究的背景和研究内容。 第二章，分析并介绍了本系统的软硬件方案以及系统结构。 第三章，首先对o p e ni n v e n t o r 体系结构、机床几何建模和场景优化方法进 行了研究，论述了利用三维场景数据库技术完成场景绘制，以v r m l 作为外部 机床零部件模型表示，以l o d 方法优化仿真场景所实现的虚拟机床场景绘制模 第5 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文 第一章前言 块的开发技术与方法；其次介绍了本系统人机交互模块的开发：最后，通过对现 有碰撞检测程序库的整合与改进，我们设计并实现图形仿真系统的碰撞检测模 块。 第四章，重点介绍了虚拟语言的研究开发，包括虚拟语言的功能设计、代码 的格式设计、对虚拟代码的解释器开发、装配语言的运动算法设计、虚拟语言的 生成器开发及实现。 第五章，通过一个具体应用实例来演示本系统的结构与功能。 第六章，总结与展望。对全文的工作总结以及对下一步如何继续开展研究工 作，增强系统功能作了必要的说明。 第6 页共7 0 页 上洛走学硕士学位论文第二章虚拟机床仿真系统结构 第二章虚拟机床仿真系统结构 2 1 系统软硬件方案 2 1 1 系统的硬件方案 虚拟图形仿真系统可使用的硬件平台有微机和工作站两种。工作站具有运算 速度快和图形能力较强的特点，早期的商品化仿真软件多在u n i x 工作站平台上 运行，但是价格十分昂贵，而且往往自成体系，难以与其他软件共享数据，因而 限制了它们的推广应用。另外，从开发的角度来看，工作站随机附带的开发工具 功能较弱，开发资料较少，使得开发工作的复杂度加大。而专用的商业化开发工 具价格昂贵，难以承受，而且也不利于进一步的推广应用。在近年来随着计算机 技术的迅速发展，特别是微机三维图形加速卡的出现和3 2 位操作系统的使用， 使微机的总体功能大大提高，性能上已达到或超过早期工作站的水平，具备了和 低端工作站产品抗衡的能力，而且，许多著名的三维开发软件，如t g s 的o p e n i n v e n t o r 、e a i 公司的w t k ，c a d 软件如e d s 公司的u g 、p t c 公司的p r o e 等都 推出了各自的针对微机平台的产品，这些都大大提高了使用微机作为开发平台的 可行性。 本论文工作采用基于w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统的多c p u 微机和专业级图形加速 卡作为开发平台。此外，还使用了三维鼠标和三维立体眼镜作为人机交互设备。 使用三维鼠标主要是可以用它代表视点在虚拟环境中漫游；使用三维立体眼镜是 为了提高虚拟仿真的真是感，通过眼镜可以看到空间立体的效果。为了提高虚拟 仿真的真实感和沉浸感，我们为虚拟数控系统提供了触摸屏，这样一方面可以清 晰地显示虚拟控制器上的操作面板，另一方面，通过触摸屏对虚拟控制器进行操 作，可以达到与真实控制器相同的结果，从而提高培训的效果。在虚拟图形仿真 系统的输出方面，除了一般的电脑显示器外，在2 0 0 3 年度上海国际工业博览会 上展示本系统时，我们还使用了v rx 1 2 0 0 l 投影仪和利用液晶快门技术的 c r y s t a l e y e s 立体眼镜，取得了很好的效果。 2 1 2 系统的软件方案。”1 在图形核心显示方面，可供选择的方案包括使用国际通用的图形库o p e n g l 或其它高端的图形软件开发包。我们选用的是s g l 公司丌发的o p e ni n v e n t o r 三维开发包，如图2 1 所示，这是二种构筑在o p e n g l 三维图形接口之上的通用 的商业化三维开发包，由一个完整的用c + + 编写的大型类库组成。它支持面向对 第7 页共7 0 页 上海大学硕士学位论文第二章虚拟机床仿真系统结构 象的设计方法，可以实现对象的造型、属性描述、动画表现等系列功能，并可 以在多个平台运行，被誉为是交互式3 d 开发工具的“事实标准”。w i n d o w s 平 台下的o p e ni n v e n t o r 能够与v i s u a lc + + 6 0 紧密结合，借助这个技术成熟、 功能强大、使用广泛的软件开发工具，能够高效地开发和调试基于o p e ni n v e n t o r 的三维软件。 图2 i o p e ni n v e n t o r 与o p e n g l 及w i n d o w s 环境的关系 与0 p e n g l 相比较，o p e ni n v e n t o r 通过它自身的场景数据库调用o p e ng l 实现三维图形对象的显示。o p e ng l 直接把显示的对象送入到帧缓冲器中，而 o p e ni n v e n t o r 则把需要显示的对象先存入o p e ni n v e n t o r 内部的数据库中，并 把对象和操作封装在一起，当o p e ni n v e n t o r 数据库的显示操作被激活时，o p e n i n v e n t o r 才把要显示的对象送入到帧缓冲器中进行显示；在o p e ng l 中，对目 标体的显示和对目标体的操作是分开的，而o p e ni n v e n t o r 把对象及其操作封 装在一起；用o p e ng l 显示对象，用户必须掌握很多编程细节，诸如对象的选 取、旋转、平移等操作，用户必须用一系列的g l 编程语句来实现，而o p e n i n v e n t o r 预先提供了一系列的标准组件和操作，用户只需把这些组件组合起来 即可，无需了解太多的细节。而且，o p e ni n v e n t o r 也保持了很多o p e ng l 的灵 活之处，使用户可以构造自己所需要的，而o p e ni n v e n t o r 未提供的对象、组件 及其操作。好比制造一台机器，用户既可以自己制造每一个零件( o p e ng l 的方 式) ，也可先买一些标准件再自己制造一些特殊零件( o p e ni n v e n t o r 的方式) 。 总之，我们可以根据虚拟车削加工中心图形仿真系统开发中的具体需求来决定怎 样组合使用o p e ng l 与o p e ni n v e n t o r ，把o p e ni n v e n t o r 提供的对象组件和 o p e ng l 提供的具体函数组合在一起使用。 在图形的建模方面，由于o p e n i n v e n t o r 软件是很好的显示工具而不是建模 工具，而且我们了解到很多的三维c a d 软件都很方便的对机床零部件建模，而 第8 页共7 0 页 上洛太学硕士学位论文第二章虚拟机床仿真系统结构 且这些三维c a d 软件具有两项突出的功能：完整的三维建模功能，模型应该具 有良好的继承性，良好的可控性：良好的参数化设计特征。同时，我们要求通过 对该软件的二次开发，自动地输出c a d 格式文件为o p e ni n v e n t o r 环境可以导入 的格式文件即v r m l 模型文件。 能够实现三维建模功能的软件目前有以下几种，c a t i a ，p r o e ， s o l i d w o r k s ，u n i g r a p h i c s 等等。 它们都具有优秀的参数化设计功能，目前在国 内，c a t i a 主要应用于航空航天领域，部分汽车厂商也使用它，总的看它的应 用还未普及，但是大家公认它具有非常优秀的内核，p r o e 是非常早进入中国市 场的高端c a d c a m 软件，广泛应用于模具行业，板筋加工，家电行业，广大 的中小企业多使用p r o e 。s o l i d w o r k s 以易学、易用而出名。相比之下，u g n x 虽然没有p r o e 应用得那么广泛，但是市场占有率呈逐年上升趋势，而且伴随着 对i d e a s 并购，它的技术实力正不断地增强，同时它在中国的汽车企业，相关行 业中有着优势的市场占有率，目前在磨具，家电，通用机械行业应用也日益广泛。 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 软件起源于美国麦道飞机公司，它是从二维绘图，数控 加工编程，盐面造型等功能发展起来的软件，自七十年代起成为商业化软件，并 很快发展成为世界一流的集成化机械c a d c a m c a e 软件，被众多世界著名公 司选定为企业计算机辅助设计分析和制造的标准。它具有良好的参数化造型功 能。它不仅仅提供了基本特征的参数化功能而且还提供了从草图，到关系式，到 w a y e 链接等功能，利用u g 可以容易地造出全参数化的零部件模型。 u g 软件的重要特征是面向工作组的企业级集成的m c a d c 删a e 产品设 计系统，具有集成性、关联性、协同性、先进性和灵活性等特征。而且，u g 软 件提供了多种功能强大、集成性良好的开发工具，如u g o r i e l 2m e n us c r i p t 、 u g o p e nu i s t y l e r 、u g o p e ng r i p 、u g o p e na p i 与u g o p e n + + 等。 u g o p e na p i 是继g r i p 语言之后推出的另一种开发工具，它利用c 语言 作为开发工具，因此相对于g r i p 语言来讲具有更大的灵活性，而且由于c 的 流行性比较好，更容易使用，在工程界有着广阔应用的c 语言进行开发。 基于以上原因，我们选择u g 作为本系统三维建模的工具，使用u g o p e n a p i 作为本系统二次开发的工具。 2 2 虚拟机床的软、硬件系统结构 虚拟机床仿真系统一般由数控系统和用图形仿真实现的虚拟机床本体两个 部分组成。出于对系统效率和稳定性的考虑，我们将这两个系统分为两个独立的 子系统，通过高速以太网相连接。为了保证设计过程中的灵活性和系统的通用性， 我们开发了基于p c 的虚拟数控系统以取代数控系统的实体。课题所采用的硬件 系统结构如图2 2 ，软件系统结构如图2 3 ，虚拟机床的功能结构如图2 4 。 第一9 页共7 0 页 形仿真系统 虚拟数控系统 虚拟机床显示设备 图2 2 系统硬件结构图 虚拟操作面板 图2 , 3 系统软件结构图 一一 圈2 4 虚拟机床的功能结构图 虚拟图形仿真系统包括了仿真场景绘制模块、装配仿真模块、人机交互模块、 实时碰撞检测模块等四个模块。 仿真场景绘制模块是虚拟图形仿真系统的核心，负责对虚拟机床场景的实时 渲染，包括几何图形绘制、纹理渲染、光照渲染、物体运动和时间节点等等。虚 1 7 0第一0 - 页共页 上海大学硕士学位论文 第二章虚拟机床仿真系统结构 拟图形仿真系统的其它模块都是在它的基础上实现的；装配仿真模块通过对描述 机床装配过程的v 语言文件的解释和执行，实现机床装配仿真；人机交互模块 则使操作者可以通过三维鼠标与立体眼镜等交互设备对虚拟机床场景进行漫游。 上海大学硕士学位论文第三章虚拟机床仿真系统的设计与实现 第三章虚拟机床仿真系统的设计与实现 虚拟机床图形仿真系统的核心部分是机床仿真场景绘制模块，首先对o p e n i n v e n t o r 体系结构、机床几何建模和场景优化方法进行了研究，论述了利用三 维场景数据库技术完成场景绘制，以v r m l 作为外部机床零部件模型表示，以 l o d 方法优化仿真场景所实现的虚拟机床场景绘制模块的开发技术与方法；其 次介绍了本系统人机交互模块的开发；最后，通过对现有碰撞检测程序库的整合 与改进，我们设计并实现图形仿真系统的碰撞检测模块。 3 1 虚拟车床仿真场景绘制 我们在o p e l li n v e n t o r 平台上用三维场景图技术实现了机床仿真场景的绘制 并且探讨了机床几何建模和对大数据量的场景进行优化的技术。 3 1 1o p e ni n v e n t o r 简介及场景图技术 o p e ni n v e n t o r 是由s g i 公司推出的面向对象的三维图形软件包，它是一种 相对独立的窗1 3 系统，它可以通过支持不同的窗口系统移植到不同的硬件平台 上。它采用“搭积木”的方式来构造复杂的三维场景。也就是说：o p e ni n v e n t o r 预先为用户提供了很多基本的三维图形的元素和对三维图形对象操作的方法，此 外，o p e ni n v e n t o r 还为每一个图形窗口提供了统一的界面，用户无需关心界面制 作，用o p e ni n v e n t o r 创建的每一个三维图形对象都是可旋转、平移、放大缩小 或动画的，这种“搭积木”的方式可以使用户花费很少的时间就可构造复杂、优 美的三维场景和最大限度地发挥硬件的效能。 o p e ni n v e n t o r 由于采用了面向对象思想，它创建的图形对象不同于用传统 方法( 如用c 语言或g l ) 产生的图形。用传统方法产生的图形和图形的操作之间 是没有联系或联系很弱的，因此，用传统的方法产生复杂的三维图形并实现复杂 的图形操作是十分繁琐的。然而，o p e ni n v e n t o r 把它创建的图形对象和对这些 图形对象的操作“捆绑”在一起，从而使三维图形的创建与操作变得简单。o p e n i n v e n t o r 所创建的对象的所有信息，如：对象的位置、形状、大小、色彩、表现 纹理、光源等都储存在o p e ni n v e n t o r 的场景数据库中，用户可读取或显示这些 信息。o p e ni n v e n t o r 把图形对象的信息和对图形对象的操作封装在一起。这样， 用户很容易对创建的图形对象实现改变颜色、大小、纹理、移动位置、变换视角、 动画、鼠标选取，高亮度显示，包围盒计算，搜索等一系列操作。 o p e ni n v e n t o r 不但是一个面向对象的高效的三维图形制作系统，它还提供 了多种文件格式接口的方法。用户可以用这些方法读入或输出图形对象( 本系统 上f 争太学硕士学位论文第三章虚拟机床仿真系统的设计与实现 中，我们是采用读入v r m l 格式的模型文件) 。 o p e ni n v e n t o r 的主要结构：o p e ni n v e n t o r 包括三大部分：o p e ni n v e n t o r 工具箱、o p e ni n v e n t o r 部件库和o p e ni n v e n t o r 文件格式接口。o p e ni n v e n t o r 的体系结构如图3