基于XML技术的虚拟装配信息表达及其应用

第 9期 2 0 1 4年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 2 0 5 基于 X ML技术的虚拟装配信息 表达及其应用 张燕宁 杨兆建 丁华 王义亮 太原理工大学 机械工程学院 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 针对虚拟装配系统中装配信息数据的集成和虚拟装配系统中各个模块之间信息交互技术中存在的问题 提出了 一 种基于XM L S c h e m a 技术表达装配信息的装配数据模型 介绍了XM L S c h e m a 技术特性 并且描述了这种装配信息数 据模型的结构框架及其特点 最后基于X ML S c h e ma 技术 利用U G O p e n A P I 二次开发工具以及 V S 2 0 1 0 MF C软件开 发工具联合开发 了一个煤矿机械虚拟装配系统 通过行星齿轮结构装配部件在该煤矿机械虚拟装配系统中应用的实例 验证 了该技术的 良好特性及其可行性 关键词 虚拟装配 装配信息 X ML U G Op e n A P I 中图分类号 T H1 6 T H1 2 2 T P 3 9 1 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 9 0 2 0 5 0 3 Vi r t u a l As s e mb l y I n f or ma t i o n E x p r e s s i o n B a s e d o n XML Te c h n o l o g y a n d I t s Ap p l i c a t i o n Z HA N G Y a n n i n g Y A NG Z h a o j i a n D I N G H u a WA N G Y i l i a n g T h e Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S c h o o l T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y S h a n x i T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 C h i n a A b s t r a c t A g a i n s t t h e p r o b l e m o f t h e o B s e m b l y d a t a i n t e g r ati o n a n d a s s e m b l y i n f o r m ati o n i n t e r a c t i o n b e t w e e n m o d u l e s i n v i r t u a l a s s e m b l y s y s t e m i t p r e s e n t s a m o d e l ofass e m b ly i n f o rma t i o n b a s e d o n X ML S c h e m a i n t r o d u c i n g t h e c h a r act e r i s t i c s of X ML S c h e m a t e c h n o l o g y a n d d e s c r i b i n g t h e S t r u c t u r a l f r am e and c h aract e r i s t ic s of t h i s d at a m o d e 1 F i n a l l y t o p r o v e t h e e x c e l l e n t c h ara c t e r is t i c s a n d e a s i b i l i t y of t h is t e c h n o l o g y an e x a m p l e a b o u t t h e a p p l ic a t i o n of a p l ane t a r y g e ar s t r u c t u r e i n t h e v i r t u a l ass e mb l y s y s t e m of c o l l ie r y m ach i n e r y w h i c h c r e ate d b y t h e U G O p e n A P I t o o l and V S 2 0 1 0 MF C b ase d o n X ML S c h e m a t e c h n o l o gy v e 嘶 e d t h e g o o d p r o p e rt i e s oft h i s t e c h n o l o gy and i t s asi b i l i t y Ke y W o r d s Vi r t u a l As s e mb l y As s e mb l y I n f o r ma t i o n XM L UG Op e n AP I 1引言 随着现代机械产品的发展和计算机辅助设计技术的提高 虚拟装配技术 V i r t u a l A s s e m b l y V A 凭借其具有提高设计效率 缩短开发周期 降低成本等优点 已成为近十几年数字化机械设 计领域 的重要技术 虚拟装配系统设计 中从 C A D模 型中读取装 配信息以及在模块之间交互传递方式的构建关乎到能否减少虚 拟装配系统中的信息冗余 避免模块之间数据不一致等问题 因 此 如何实现装配信息在 C A D模型与虚拟装配系统之间以及在 模块之间的交互 是开发虚拟装配系统 实现机械产品高效设计 的关键 传统的信息数据互交方式各功能模块按照各自的标准设 计 缺乏通用性以及可扩展性 不利于缩短设计周期 降低设计成 本日 针对以上论述的问题 提出了一种基于 X ML技术实现虚拟 装配系统中的信息交互方式 构建具有开放性的数字化装配系统 的数据处理框架 由于 X ML 语言具有层次清晰 易于扩展 便于 不同模块之间高效地共享信息数据等良好特性翻 该方案能够有 效篮缩产品设计周期 提高设计效率 2基于X ML的虚拟装配信息框架 xM L e x t e n s i b l e Ma r k u p L a n g u a g e 是 由 W3 C于 1 9 8 8年 1 月 1 0 E l 正式公布的一种通用置标语言 用户可以根据不 同的需 求定义新的标记 具有良好的可扩展性 将 X ML应用于机械设计 领域已成为国内外学者研究的热点 5 7 X M L有 D T D与 S c h e ma 两 种形式 针对 D T D复杂 仅支持 自身语法 缺乏良好扩展性等种 种不足 推 出了 S c h e m a 其可认为是 D T D的升级 不仅具备 D T D所有功能 而且简洁灵 克服了 D T D的局限性 在虚拟装配系统构建中 对装配模型中的装配信息的交互 传递 各个模块对装配信息的读取应用 以及后期系统的扩展都 需要一个简洁灵活 具有可扩展性的装配信息数据交互框架 因 此 基于 X ML技术 采用 X MLS c h e m a 标准构建一个面向虚拟装 配系统的装配信息数据交互框架 来稿 日期 2 0 1 4 0 3 2 5 基金项 目 山西省科技重大专项项 目 2 0 1 1 1 1 0 1 0 4 0 山西省科学技术发展计划项 目 2 0 1 1 0 3 2 1 0 0 5 0 4 山西省青年科技研究基金 2 0 1 2 0 2 1 0 2 2 6 作者简介 张燕宁 1 9 8 8 一 男 山西大 同人 硕士研究生 主要研究方 向 现代机械设计 杨兆建 1 9 5 5 一 男 河北高阳人 博士 教授 博士生导师 主要研究方 向 煤矿机械故障诊断 2 0 6 张燕宁等 基于X M L 技术的虚拟装配信息表达及其应用 第 9 期 装配信息数据框架 如图 1 所示 将 X ML文件作为过渡体 可以实现装配信息与各个功能模块之间交互 各模块也可对 X ML中的数据进行读取 应用 由于各模块之间是并行结构 互 相之间不存在制约 这有利于在系统开发同时进行 以及在系统 升级时可以随意的进行模块的删减与新增而不影响系统中其它 结构 一 一 一 一 一 一 顿 曩 一 一 一 一 一 一 一 图 1 装配信息数据框架 Fi g 1 F r a me wo r k o f As s e mbl y Da t a 3基于 X ML的装配信息数据结构设计 3 1装配信息数据模型 为了满足虚拟装配系统各个模块对装配数据需求 鉴于 X ML语法具有清晰的层次 采用分层结构来表达装配信息数据 数 据分层结构 如图2 所示 第一层为产品层即装配模型文件 息 第 二层为零部件层 包含构成产品模型的零件和子装配部件 第三层 为装配数据层 包含对应零件所施加的配合数目 零件载人状态 等信息 第四层为配合信息层 该层存储了每个配合的所有数据 其中包含配合类型 配合的主动件和被动件等装配信息数据 零I 件装 配数 据 卜 一 一 一 零 件l 配 合 约 束 信 息 第一层 第二层 第三层 第 四层 图 2数据分层结构 F i g 2 Hi e r a r c h i c a l Da t a S t r uc t u r e 3 2基于 XML S c h e ma标准的装配信息数据文件 依据图2所示的数据结构建立基于 X ML的装配信息数据 模型文件基本格式如下 配合类型 v a l u e 被动件特征类型 v a l u e 装配体 其中零部件层中的三个参数 n a m e 和 p a r t n a me 分别表示 零部件的存储路径和零部件标识名 A S S E M 和 i s p a r t 是用来 判断该零部件有无装配配合条件和该零部件是否为单个零件 在 配合信息层中的 配合类型 是指装配事例之间的配合关系 主 动件 和 被动件 是指该装配配合约束的零件对象 事例特征 是指主动件和被动件 C A D模型上被约束的几何特征 通常情况 为面特征 特征类型 是指配合零件事例特征的类型 3 3基于 X ML的装配信息数据结构特点 基于 X ML S c h e ma 标准 结合多层次结构方法建立的面向 虚拟装配环境的装配信息数据模型 能够很大程度上表达产品的 装配信息 应用这种方法和思路使系统的数据结构具有先进性 通用性和可扩展性 主要体现为以下方面 1 利用多层次结构方法能够清晰的表达产品中每一个零 部件的装配信息 2 基于X MLS c h e m a 标准语言 使数据文档简洁灵活 易于 扩展 便于系统的调试以及升级 3 这种数据结构每一层各分支之间的内容相互独立 相互 之间不存在任何制约 因此 有利于避免系统开发过程过于繁琐 能够有效提高开发效率 4 具有很好的通用性 不仅可以在系统内部各功能模块之 间依据基于XM L S c h e ma 标准语言建立的数据文档来实现信息 互通 甚至还可以在系统之外与其他系统共享装配信息数据 有 效地解决了异构系统之间数据共享的问题 4实例应用 采用 U G O p e n A P I 二次开发工具基于上述装配信息数据的 X ML表达方式利用 V i s u a l S t u d i o 2 0 1 0 V C 开发 了一个面向煤 矿机械的虚拟装配系统 该系统可以对产品装配模型进行分析 求解 然后将产品的装配信息数据输出 生成基于 X MLS c h e ma 的装配信息数据文档 通过该文档实现了系统中的信息数据集 成 装配信息显示功能 自动装配功能等模块的信息数据交互通 讯 最后通过采煤机中的行星齿轮结构装配部件这一产品模型对 以上各环节进行验证 证明上述方法的可行性 4 1构建基于 X ML装配信息文档 虚拟装配系统打开产品装配模型 利用函数求解产品模型 中每一个零部件的标识 然后再对每一个零部件的装配信息进行 求解 最后在信息窗13中按照 X ML 语法结构将其输出 并将信息 窗口中的数据保存为 x ml 文档 具体算法如下 1 打开信息窗口 输出X ML文件开头格式 2 1 0 机 械 设 计 与 制 造 No 9 S e p t 2 01 4 基于N v i s i o n较好的兼容性以及支持自动漫游 手动漫游 自定义漫游轨迹路径和骨骼动画 位移动画 变形动画等的特点 将场景模型以统一的 i v e格式导入到 N v i s i o n平台中 从 N v i s i o n 平台再次打开路径文件 选择立体通道显示 通过佩戴好的 3 D眼镜 身临其境地观测加工过程环境 如图 4所示 从而达到 为优化加工工序设计提供直观参考依据的目的 5总结 采用虚拟现实技术 模拟车间的内部和加工过程 可以把产 品的加工过程 作业原理 性能特征 使用方式等一系列真实事物 实时动态的形式模拟出来 设备都参照实物的尺寸和外观进行构 建 达到了真实的模拟效果 通过交互外设 自由控制浏览角度实 现 3 6 0 浏览与旋转 使用放大缩小可以对任意角度进行高精度 放大浏览 并支持拖拽 切换 观众通过透视功能 可以直观额展 示产品的内部结构 通过身临其境的观察加工过程 反馈信息将 运用于加工工序的优化 参考文献 1 曹玉泉 1T程机械加工工序优化排序的探讨 J 1 基建优化 2 0 0 3 2 4 5 53 5 4 C a o Yu q u a n E n g i n e e ri n g o p t i mi z a t i o n ma c h i n i n g p r o c e s s J J C o n s t r u c t i o n o p t i mi z a t i o n 2 0 0 3 2 4 5 5 3 5 4 2 姜存学 蔡力钢 胡于进 基于约束矩阵与蚁群算法的C A P P加工工序 优化排序 J 中国机械工程 2 0 o 9 1 8 J i a n g C u n x u e C a i L i g a n g H u Yu j i n C A P P p r o c e s s i n g p r o c e s s o p t i mi z a t i o n b a s e d o n c o n s t r a i n t ma t ri x a n d a n t c o l o n y a l g o ri t h m J C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g 2 0 0 9 1 8 3 魏文杲 基于改进遗传算法的工件加工工序优化 J 组合机床与自 动 化加工技术 2 0 1 0 1 We i We n g a 0 Wo r k p i e c e m a c h i n i n g p r o c e s s o p t i mi z a t i o n b ase d o n i mp r o v e d g e n e t i c a l g o ri t h m J J J o u r n a l o f C o m b i n a t i o n Ma c h i n e T o o l s a n dA u t o m a t i c P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y 2 0 1 0 1 4 余成益 朱华炳 唐 自 玉 基于多色集合理论的半轴加工工序方案优化 J 机械工程与 自动化 2 0 0 7 2 Yu C h e n g y i Z h u Hu a b i n g T a n g Z i y u H a l f s h a f t m a c h i n i n g p r o c e s s o p t i m i z a t i o n b a s e d o n p o l y c h r o m a t i c s e t s t h e o r y J J o u r n a l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g a n dA u t o ma t i o n 2 0 0 7 2 5 王栋 陈栋 弹簧工作过程虚拟现实技术仿真实现 J 机械设计与制 造 2 0 1 3 1 2 7 0 7 2 Wa n g D o n g C h e n D o n g S p r i n g w o r k i n g p r o c e s s v i r t u a l r e ali t y t e c h n o l o g y s i mu l a t i o n J Ma c h i n e ryD e s i g na n dManu f a c t u r e 2 0 1 3 1 2 7 7 2 6 诺曼 凯瑞 邦尼 模拟人类 M 牛津 牛津大学出版社 1 9 9 3 N o r ma n I B a d l e r C a r y B P h i l l i p s B o n n i e L y m We b b e r S i mu l a t i n g H u m ans M O x f o r d O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s 1 9 9 3 7 朱彦军 姜国华 虚拟现实中虚拟人体模型概述 J 计算机仿真 2 0 0 4 2 1 1 1 1 1 3 Z h u Y a n j u n J i a n g G u o h u a S u m ma r y o f v i r t u a l h u ma n r e ali t y mo d e l J C o m p u t e r S i m u l a t i o n 2 0 0 4 2 1 1 1 1 1 3 8 钮建伟 张乐 J A C K人因工程基础及应用实例 M 北京 电子工业出 版社 2 0 1 2 6 N i uJ i a n w e i Z h a n g L e j A C KE n g i n e e ri n g F o u n d a t i o n a n dA p p l i c a t i o n s M B e i j i n g E l e c t r o n i c I n d u s t ryP r e s s 2 0 1 2 6 9 吴围良 马登武 虚拟现实技术中的人机交互技术 J 电光与控制 2 0 0 1 3 3 9 4 2 Wu G u o l i ang Ma D e n g w u V i r t u al r e ali t y t e c h n o l o gy h u man c o m p u t e r i n t e r a c t i o n t e c h n o l o g y J E l e c t ri c a n dC o n t r o l 2 0 0 1 3 3 9 4 2 上接 第 2 0 7页 参考文献 1 盛义军 张振 明 樊其瑾 基于 C A P P F r a me w o r k的飞机装 配 C AP P系 统开发 J 机械科学与技术 2 0 O l 1 1 4 5 1 4 6 S h e n g Y i j u n Z h a n g Z h e n mi n g F a n Q i j i n O n t h e C A P P s y s t e m f o r a i r c r a f t a s s e m b l y b ase d o n C A P P f r a me wo r k J Me c h ani c al S c i e n c e a n d T e c h n o l o gy 2 0 0 1 1 1 4 5 1 4 6 2 章明 许青松 沈锡臣 基于 X M L的数据交换共享平台模型 J j 清华大 学学报 自然科学版 2 0 0 3 4 3 1 1 0 5 1 0 7 Z h a n g Mi n g X u Q i n g s o n g S h e n Xi c h e n D a t a e x c h a n g e a n d s h a r i n g p l a tf o rm m o d e l b a s e d o n X ML J J o u r n al o f T s i n g h u a u n i v e r s i t y s c i e n c e a n dT e c h n o l o g y 2 0 0 3 4 3 1 1 0 5 1 0 7 3 胡伟 魏昕 基于 X ML 的工艺信息建模与交换技术 J 组合机床与自 动化加工技术 2 0 0 5 1 2 2 4 2 6 H u W e i We i Xi n XML b ase d p r o c e s s p l a n n i n g i n f o r ma t i o n mo d e l i n g a n d e x c h a n g e J M o d u l a r M a c h i n e T o o l A u t o m a t i c M a n u e t u ri n g T e c h n i q u e 2 0 0 5 1 2 2 4 2 6 4 陈石 X M L 技术及其应用 j 计算机应用研究 2 0 0 2 1 9 3 1 1 5 1 1 7 C h e nS h i X MLa n di t s a p p l i c a t i o n J A p p l i c a t i o nR e s e a r c h o f C o mp u t e F 8 2 0 0 2 1 9 3 1 1 5 1 1 7 5 Y u m a S A T O K o i c h i MO R I S H I G E D e v e l o p m e n t o f o p e r a t i o n p l a n n i n g s u p p o r t s y s t e m u s i n g X M L d a t a b a s e o f m a c h i n i n g i n f o r m a t i o n J J o u rna l o f