层次约束结构的虚拟装配建模技术.pdf

第 41卷 第 7期 2 0 0 9年 7月 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 JOURNAL OF HARBIN INSTITUTE OF TECHNOLOGY Vol 141 No 17 July 2009 层次约束结构的虚拟装配建模技术 夏平均 陈 鹏 姚英学 唐文彦 哈尔滨工业大学 机电学院 哈尔滨 150001 smallping hit yahoo com cn 摘 要 为了解决虚拟环境下装配建模在信息完备性和模型复杂性等方面的问题 提出了一种基于层次约 束结构的虚拟装配模型 该模型分为产品层 部件层 零件层 特征层 几何面层和面片层来表达 不同层元素 之间存在层次映射关系 同一层元素之间存在约束关系 通过 CAD系统和虚拟装配系统之间的数据转换 实 现了虚拟装配模型的生成算法 并给出了根据虚拟装配模型生成的虚拟装配场景图的结构 基于层次约束结 构的虚拟装配模型具有信息表达完备 信息集成度高 满足实时性要求等优点 同时还能与 CAD系统和虚拟 装配场景图实现集成 实例验证了虚拟装配建模的有效性 关键词 虚拟装配 装配建模 层次约束结构 中图分类号 TP391文献标识码 A文章编号 0367 6234 2009 07 0040 06 V irtual assembly m odeling based on hierarch ical and constrained structure XIA Ping2jun CHEN Peng YAO Ying2xue TANG Wen2yan SchoolofMechanical and ElectricalEngineering Harbin Institute ofTechnology Harbin 150001 China smallping hit yahoo com cn Abstract In order to solve the proble ms such as infor mation co mpleteness andmodel co mplexness ofassembly modeling in virtual environmen t a hierarchical and constraint2based virtual asse mblymodel is proposed in this paper This virtual assemblymodel includes product layer co mponent layer part layer feature layer surface layer and polygon layer the hierarchicalmapping relationships are existed among the elements in different lay2 ers and the constraint relationships are existed among the elements in the sa me layer Based on data transfor2 mation fro m CAD to virtual reality system the generation algorithm of the virtual asse mblymodel is realized and the structure ofvirtual assembly scene graph is given The hierarchical and constraint2based virtual assem2 blymodel has high integration of infor mation and can satisfy the real2ti me demands and it is convenient to be integrated with CAD systems and scene graph The exa mples are given to demonstrate the effectiveness of the proposed virtual assembly aswel l K ey words virtual assembly assemblymodeling hierarchical and constrained structure 收稿日期 2008 01 09 基金项目 总装 十五0计划预研资助项目 总装 十一五0计划预研项目 作者简介 夏平均 1978 男 博士 讲师 姚英学 1962 男 教授 博士生导师 装配建模是虚拟装配必须解决的首要问题 虚拟环境下零部件模型的表达与 CAD系统存在 很大不同 1 CAD系统采用精确几何描述 而虚 拟环境下采用三角面片模型来表达 三角面片模 型虽然减少了数据量 满足了虚拟现实的实时性 要求 但是它损失了零件的精确几何信息 拓扑信 息和工程设计信息 使得虚拟装配过程的分析 评 价 以及装配约束关系的定义变得困难 2 针对虚拟环境下的装配建模问题 国内外学 者进行了大量研究 美国芝加哥Illinois大学 Banejnee等 3 提出基于场景图的虚拟装配模型 该方法便于与虚拟环境软件集成 但用户需要预 先定义大量装配优先关系 前期工作量十分繁琐 南洋理工大学的 W angQ H 等 4 在其开发的工 业培训系统中用 BSP Tree组织虚拟环境中的几 何对象模型 并用 v ml文件进行存储和表达 但这 种方法主要侧重表达零件的几何外观信息 没有 考虑零部件之间的装配约束关系 为了在虚拟环 境下更全面表达产品装配相关的信息 一些学者 采用与 CAD系统类似的 Brep或 CSG方法 浙江 大学的万华根 5 香港城市大学的 Ma等 6 7 采用 Brep和 CSG相结合的方法来描述相关几何信息 和拓扑信息 从而支持直接的 3D操作和虚拟装 配 这种方法的主要缺点是信息量大 模型复杂 很难满足实时性要求 综上所述 目前的虚拟装配系统还缺乏一个 信息完备且集成度高的虚拟装配模型 主要表现 在 尽管许多研究者针对不同的虚拟装配应用 提出了许多类型的装配模型 但大多以几何信息 为中心 缺乏工程设计信息和装配约束信息 一些装配模型采用类似 CSG或 Brep的精确表达 方法 虽然满足了信息完备性的需求 但模型表达 复杂 很难满足虚拟现实的实时性要求 虚拟 装配模型应方便与 CAD系统和虚拟环境系统集 成 目前的研究者对这方面考虑较少 1 基于层次约束结构的虚拟装配模型 尽管不同的虚拟装配系统根据具体应用的不 同 对装配建模的信息需求也不相同 但一个完善 的虚拟装配模型应包含如下几方面的信息 几何 信息 拓扑信息 层次结构信息和装配约束信息 同时 虚拟装配模型应满足如下几方面的基本要 求 完备性 虚拟装配模型的信息表达应该完 整 以满足后续工艺规划和装配操作的需求 集成性 虚拟装配模型的信息主要来源于 CAD系 统 首先应实现与 CAD系统集成 同时还应与虚 拟装配场景图实现集成 高效性 虚拟装配模 型的表达与组织应具有高效性 以满足系统的实 时交互 根据以上要求 基于层次约束结构的虚拟装 配模型如图 1所示 下面分层次来进行描述 1 产品层 可描述为 Z D 图 1 基于层次约束结构的虚拟装配模型 41 第 7期夏平均 等 层次约束结构的虚拟装配建模技术 其中 D表示产品节点对象 产品节点属性主要包 括产品型号 产品名称 产品类型等工程语义信 息 以及其他相关的管理属性信息 2 部件层 可描述为 B A H A HZ 其中 A表示部件节点集合 部件节点属性主要包 括部件型号 部件名称 组成零部件的数量等 H A 表示部件层之间的层次映射关系 因为部件又可迭 代分解为下一层的部件 因此部件层具有多层结 构 H Z 表示部件层和产品层之间的层次映射关系 3 零件层 可描述为 L P H B HZ CP 其中 P 表示零件节点集合 零件节点属性包括零 件的标识 名称 以及工程设计属性 功能信息 技 术信息 等 H B 表示零件层和部件层之间的层次映 射关系 H Z 表示零件层和产品层之间的层次映射 关系 因为零件可能属于某个部件 也可能直接属 于产品层总装配体 因此 零件层与部件层和产品 层都存在层次映射关系 C P 表示零件层节点的约 束关系 图中 C11 C12 C13所示 零件节点之间 的约束关系主要表现为装配语义形式描述的装配 关系 例如 工程中经常遇到的装配语义包括 轴 孔配合0 平面配合0 螺栓 螺母联接0等 4 特征层 可描述为 T F H L C 1 F C 2 F HC F P 其中 F 表示特征节点集合 特征节点属性主要包 括特征类型 特征名称以及特征参数等信息 H L 表示特征层和零件层之间的层次映射关系 零件 是由特征构成的 因此每个特征都对应一个零件 特征之间的约束关系可分为两类 C1 F 表示同一 零件特征之间的内部约束关系 图中 C21 C22 C23所示 C2 F 表示不同零件特征之间的外部约 束关系 图中 C31 C32 C33 C34所示 同一零件 特征之间的内部约束关系主要是指特征之间的定 位约束 用来保持零件特征之间的相互位置 不同 零件特征之间的外部约束关系主要指特征之间的 装配约束关系 HC F P 表示特征层约束和零件层 约束之间的层次映射关系 因为零件之间的装配 约束关系可以分解为不同零件特征之间的外部约 束关系 例如 零件 Part1和 Part3之间的装配约束 关系 C11可以分解为特征之间的装配约束关系 C31和 C32 5 几何面层 可描述为 J S H T C 1 S C 2 S HCS F 其中 S 表示几何面节点集合 几何面节点属性主 要包括几何面名称 类型 尺寸等信息 H T 表示几 何面层和特征层之间的层次映射关系 零件特征 是由几何面组成的 因此几何面层和特征层之间 存在层次映射关系 几何面之间也存在约束关系 两几何面之间常见的约束关系主要包括重合 平 行 垂直 距离 角度 对齐 共线 以及同轴等 几 何面之间的约束关系也可分为两类 C1 S 表示同 一零件几何面之间的内部约束关系 图中 C41 C42 C411所示 C2 S 表示不同零件几何面之 间的外部约束关系 图中 C51 C52 C53 C54所 示 同一零件几何面之间的内部约束关系主要 用来定义零件的形状和尺寸 不同零件几何面之 间的外部约束关系主要表示零件之间的装配约束 关系 HC S F 表示几何面层约束和特征层约束之 间的层次映射关系 因为不同零件特征之间的装 配约束关系可进一步分解为不同零件几何面之间 的装配约束关系 例如 零件 Part1的特征 Feat1和 零件 Part3的特征 Feat3之间的装配约束关系 C31 可进一步分解为两零件几何面之间的约束关系 C51和C52 虚拟环境下零件几何面之间的内部约 束关系是保持静态不变的 主要用来保持零件的 外形和尺寸 虚拟装配主要是指识别不同零件几 何面之间的装配约束关系 从而实现零件的精确 定位 6 面片层 可描述为 M O H J 其中 O表示三角面片节点集合 三角面片节点的 属性主要包括组成三角面片的顶点坐标 法失向 量 面片颜色和纹理等 其中面片颜色和纹理直接 用于虚拟环境下显示物体的物理属性 从而使虚 拟环境下的物体现实更加真实和自然 H J 表示面 片层和几何面层之间的层次映射关系 零件的每 个几何面都可以离散成一系列三角面片 因此面 片层和几何面层之间存在层次映射关系 面片层 主要用于虚拟环境下的模型显示以及精确到面片 级的碰撞检测 2 虚拟装配模型的建立 211 CAD系统与虚拟装配系统之间的数据转换 建立产品的虚拟装配模型 首先应实现 CAD 系统和虚拟装配系统之间的数据转换 装配模型 的信息主要来源于 CAD系统 与 CAD系统的数 据集成是虚拟装配建模的重要内容 本文采用信 息分解的方法 根据虚拟装配模型所表达的信息 需求 将 CAD系统中表达的产品信息分解为几何 信息 拓扑信息 结构层次信息和装配约束信息 等 通过不同途径将它们分别提取出来 转换到虚 42 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 41卷 拟现实环境 在此基础之上构建基于层次约束结 构的虚拟装配模型 数据转换的总体流程如图 2 所示 详细过程可参考文献 8 图 2 数据转换流程 212 虚拟装配模型的生成 虚拟装配模型的生成算法描述为如下步骤 输入 产品在 CAD系统中的装配模型 输出 基于层次约束结构虚拟装配模型 步骤 1 加载产品的 CAD总装配体模型 建 立产品层节点 Z D 并为产品层节点属性 赋值 步骤 2 遍历产品结构树 判断当前节点是否 为部件 若不是部件 为零件 则转步骤 3 若是 部件 建立部件层节点 Ai 并为部件节点属性赋 值 根据该节点的父亲节点 建立层次映射关系 该节点的父亲节点若为总装配体对象 建立部件 层与产品层的映射关系 Hi Z 该节点的父亲节 点若为部件层对象 建立部件之间的层次映射关 系 Hi A 步骤 3 建立零件层节点 Pj 并为节点属性 赋值 根据该节点的父亲节点 建立层次映射关 系 该节点的父亲节点若为总装配体对象 建立零 件层与产品层的映射关系 Hj Z 该节点的父亲 节点若为部件层对象 建立零件层与部件层之间 的层次映射关系 Hj B 步骤 4 遍历零件的特征树 建立特征层节点 Fk 并为节点属性赋值 根据特征与零件之间 的对应关系 建立特征层与零件层之间的层次映 射关系 Hk L 提取同一零件特征之间存在的约 束关系 建立 零件特征之间的内部约束关系 C1k F 步骤 5 遍历零件的边界表示 建立几何面层 节点 Sl 并为节点属性赋值 根据特征与几何面 之间的对应关系 建立几何面层与特征层之间的 层次映射关系 Hl T 提取同一零件几何面之间 的约束关系 建立几何面之间的内部约束关系 C1l S 步骤 6 对每一个几何面 进行三角面片的离 散化处理 建立面片层节点 Om 并为节点属性 赋值 根据三角面片与几何面之间的对应关系 建 立面 片层与 几何 面层之 间的 层次 映射关 系 Hm J 将对应的三角面片数据写入 NFF 文件 实现几何信息的转换 步骤 7 零件几何面遍历是否结束 若没有 完成 则转步骤 5 若遍历完成 则转步骤 8 步骤 8 零件特征树遍历是否结束 若没有 完成 则转步骤 4 若遍历完成 则转步骤 9 步骤 9 产品结构树遍历是否结束 若没有 完成 则转步骤 2 若遍历完成 则转步骤 10 步骤 10 遍历产品的配合特征树 提取产品 的装配约束关系 以及每一个配合约束相关的引 用对象及其属性值 步骤 11 根据装配约束对应的两配合零件的 信息 建立零件层之间的装配约束关系 Cn P 步骤 12 根据装配约束对应的两个零件的特 征信息 建立特征层不同零件的特征之间存在的 装配约束关系 C2u P 并建立特征层约束和零件 层约束之间的层次映射关系HCu F P 步骤 13 根据装配约束对应的两配合几何面 的信息 建立几何面层不同零件的几何面之间存 在的装配约束关系 C2v P 并建立几何面层约束 和特征层约束之间的层次映射关系HCv F P 步骤 14 产品的配合特征树遍历是否结束 若没 有完成 则转步骤 10 若遍历完成 则转步骤 15 步骤 15 算法结束 3 虚拟装配场景图的生成 根据虚拟装配模型可自动生成虚拟装配的场 景图 如图 3所示 虚拟装配场景图也具有层次结 构 根节点 root 下面包括光照节点 light 虚拟 车间分隔节点 sep fact 虚拟手分隔节点 sep hand 和产品总分隔节点 sep prod 而产品总分 隔节点下包括产品的总位置节点 xf m prod 和 组合节点 grp prod 其中产品总位置节点用来 控制整个产品总装配体的位置和姿态 根据产品 的构成 产品组合节点又包括部件 1 sep asm1 部件 2 sep as m2 和零件 3 sep part3 的分隔节 点 针对部件 2来说 组合节点 grp asm2 包括 控制其总体位置和方向的位置节点 xf m asm2 43 第 7期夏平均 等 层次约束结构的虚拟装配建模技术 以及组合节点 grp asm2 而部件 2由部件 6和 零件 7组成 因此部件 2组合节点下包括部件 6 sep asm6 和零件 7 sep part7 的分隔节点 同 理 部件 6由零件 8和零件 9组成 针对零件 9 分 隔节点下包括控制该零件位置和姿态的位置节点 xf m part9 以及组合节点 grp part9 零件 9 又是由很多几何面组成的 sep surf1 sep surfn 每一个几何面作为一个独立的对象来看 待 因此 每个几何面分隔节点包括一个位置节点 xf m surf1 和一个几何节点 geo surf1 其中位 置节点用来控制该几何面的位置和姿态 几何节 点主要用来在虚拟环境下显示零件的几何面 图 3 虚拟装配场景图的结构 采用如图 3所示结构的场景图 具有如下优 点 场景图的层次结构和虚拟装配模型保持高 度一致 根据虚拟装配模型可直接生成虚拟装配的 场景图 从而实现两者之间的集成 场景图也按 照产品节点 部件节点 零件节点和几何面节点的 层次结构来组织 每个节点既有自己独立的位置和 方向 同时 同组的节点可以组成一个整体 由其上 层父节点的位置节点来控制其整体的位置和方向 从而方便执行各种虚拟装配和拆卸操作 虚拟 环境下根据几何面节点可以识别并选择每一个几 何面 读取几何面的数据 进行装配约束关系的识 别和碰撞检测 同时 也可对几何面节点的父节点 即零件节点进行操作 当移动零件节点时 所有相 关的几何面节点作为整体一起移动 4 虚拟装配建模实例 利用卫星中的某部件作为例子 对虚拟装配 建模的有效性进行分析和验证 该部件在 Pro E 系统中的装配模型如图 4所示 部件中包含有一 个子装配体 经过虚拟装配建模之后 CAD模型 转换到虚拟现实环境 生成的初始虚拟装配场景 如图 5所示 其中左边是根据虚拟装配模型的产 品层 部件层和零件层信息构造出的产品结构树 用来表达虚拟环境各零部件的层次组织结构 根 据虚拟装配模型 虚拟环境下既可以对单个的零 件进行操作 图 6所示显示被操作零件的包容盒 44 哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报 第 41卷 同时还可对组装好的部件作为一个整体进行操 作 图 7所示为对部件进行移动 虚拟环境下用户 可以选择并识别零件的每一个几何面 图 8所示 为选中零件的圆柱几何面并改变颜色 图 9所示 为选中零件的平面几何面并改变颜色 虚拟环境 下还可以构造出零件特征的相关参数 图 10所示 为显示零件轴特征的轴线 图 11所示为显示零件 孔特征的轴线 5 结 论 基于层次约束结构的虚拟装配模型在以下方 面具有优点 信息表达完整 虚拟装配模型不仅表达了 CAD系统中零部件的几何拓扑信息 层次结构信 息和装配约束关系信息 还可以附加工程语义和 设计信息 可以满足虚拟装配系统的信息需求 信息集成度高 虚拟装配模型将上述相关 信息集成到一个层次化的结构图中 条理清晰 层 次分明 不同层次的信息满足不同的用途和目的 与 CAD系统的自动集成 虚拟装配模型 所需的相关信息可直接从 CAD系统提取 实现从 CAD系统的自动数据转换和信息集成 与虚拟装配场景图的集成 虚拟装配模型 可以直接转化为场景图 场景图也采用层次结构 每层节点都有自己的位置和方向数据 上下层之 间存在父子联系 这样 虚拟环境下不仅可以对零 件节点进行操作 还可将某个部件节点作为整体 进行操作 满足系统的实时性要求 虚拟装配模型在保 持 CAD设计信息完整性的同时 避免了 CSG或 Brep 表达模型的复杂性 满足了系统的实时性要求 参考文献 1 JAYARAM S CONNAC HER H I eta l