拖拉機(jī)前驅(qū)動(dòng)橋虛擬裝配應(yīng)用研究

曹文鋼， 程五四， 宋 軍

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拖拉機(jī)前驅(qū)動(dòng)橋虛擬裝配應(yīng)用研究

曹文鋼， 程五四， 宋 軍

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009）

在分析和總結(jié)了虛擬裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，闡述了其原理，實(shí)施步驟以及關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，并以拖拉機(jī)前驅(qū)動(dòng)橋?yàn)樘摂M裝配對(duì)象，在計(jì)算機(jī)虛擬裝配環(huán)境(Division Mockup)中裝配并進(jìn)行相應(yīng)的裝配檢驗(yàn)，介紹生成裝配序列與裝配路徑，并制作成裝配動(dòng)畫的步驟，形象地展現(xiàn)產(chǎn)品的裝配全過程。在(Division Mockup)中，以第三方插件為橋梁，借助由數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器(FOB)、偏振眼鏡和投影系統(tǒng)組建的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，并介紹了人機(jī)交互接口定義的規(guī)則和方法。

虛擬裝配；裝配檢驗(yàn)；虛擬現(xiàn)實(shí)；人機(jī)交互

虛擬裝配(Virtual Assembly，VA)是虛擬制造領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品裝配領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用。20世紀(jì)90年代中期，國(guó)外政府、企業(yè)、大學(xué)等機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行了深入研究，虛擬裝配技術(shù)也逐漸應(yīng)用于工程項(xiàng)目，如美國(guó)SGI 公司在設(shè)計(jì)波音777飛機(jī)的過程中采用虛擬裝配技術(shù)將300多萬個(gè)零件裝配起來，相比于物理裝配，節(jié)省了大量的財(cái)力和時(shí)間。國(guó)內(nèi)對(duì)虛擬裝配的研究比較晚，但也取得了一定的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。如西安飛機(jī)制造公司開發(fā)的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)能完成產(chǎn)品零部件的三維模型設(shè)計(jì)、數(shù)字化預(yù)裝配、干涉檢查等功能。通過對(duì)虛擬裝配技術(shù)原理的分析研究，以拖拉機(jī)前驅(qū)動(dòng)橋?yàn)樘摂M裝配對(duì)象，在division mockup軟件平臺(tái)中對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配并對(duì)裝配過程進(jìn)行了相應(yīng)的裝配檢驗(yàn)，產(chǎn)生裝配序列與裝配路徑，并制作成裝配動(dòng)畫或圖片。

1 虛擬裝配技術(shù)

1.1 概 述

許多學(xué)者從不同的角度對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行了探索，并給出相應(yīng)的定義，具有代表性的有兩個(gè)：① 虛擬裝配就是將零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，是有效分析產(chǎn)品合理性的手段；②虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的模擬裝配過程，以驗(yàn)證和改善產(chǎn)品的可裝配性。

實(shí)際上，上面兩種定義都側(cè)重強(qiáng)調(diào)虛擬裝配的不同方面，虛擬裝配的定義在不同領(lǐng)域都有不同的界定。因此，本文對(duì)虛擬裝配做出如下定義：虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)中模擬仿真現(xiàn)實(shí)裝配過程，即在計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品零部件的三維模型，并采用計(jì)算機(jī)裝配，干涉檢查等反復(fù)驗(yàn)證可行性的手段，利用工程數(shù)據(jù)庫(kù)來統(tǒng)一管理產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程。

1.2 虛擬裝配流程

虛擬裝配工作流程開始于零部件電子模型的提交，結(jié)束于最終檢驗(yàn)報(bào)告的形成。首先，從CAD系統(tǒng)中獲取三維零部件模型和裝配意圖，捕捉裝配約束，并進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換；其次，根據(jù)零部件之間裝配關(guān)系和約束條件，在VA系統(tǒng)中進(jìn)行虛擬裝配，并進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)作出技術(shù)層面的分析評(píng)價(jià)，將不合理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)作為輸出結(jié)果反饋至CAD系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行修改；最后，確定合理的設(shè)計(jì)方案，形成裝配序列與裝配路徑，制作成裝配動(dòng)畫。虛擬裝配流程如圖1所示。

圖1 虛擬裝配流程

1.3 裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：裝配序列設(shè)計(jì)和裝配路徑規(guī)劃。

裝配序列設(shè)計(jì)是確定零部件的裝配順序，可以先將單個(gè)零件的裝配過程和部件的裝配過程分開，最后再集體裝配起來。

裝配路徑規(guī)劃是根據(jù)裝配信息來確定零部件按照什么方向或路徑裝配以及裝配過程中是否有干涉存在，最后在眾多的裝配路徑中生成一條合理的裝配路徑, 對(duì)于幾種可行的裝配序列，根據(jù)裝配操作的穩(wěn)定性、裝配操作中零部件的定位和定向次數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化及選擇。

1.4 裝配過程仿真

裝配過程仿真是在計(jì)算機(jī)上模擬產(chǎn)品的實(shí)際裝配過程，形象地展現(xiàn)產(chǎn)品的裝配過程和裝配方法，并可通過人機(jī)交互手段調(diào)整和控制裝配元件的位姿，對(duì)裝配干涉進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，同時(shí)對(duì)夾具的可達(dá)性、裝配空間的可操作性進(jìn)行仿真，檢查各條裝配路徑上零部件之間在裝配過程中是否存在干涉和單條路徑各相鄰關(guān)鍵點(diǎn)之間是否有干涉情況，最后輸出MPEG視頻格式的裝配過程片段。裝配過程仿真流程如圖2所示。

圖2 裝配過程仿真流程

2 應(yīng)用實(shí)例

本實(shí)例采用自上而下的設(shè)計(jì)模式，也就是在Pro/ENGINEER的軟件環(huán)境下建立產(chǎn)品各個(gè)零部件的三維實(shí)體模型，并以Product View文件ed的格式導(dǎo)出。在Division Mockup軟件中打開已導(dǎo)出的模型文件，可加入一些虛擬場(chǎng)景，以增強(qiáng)真實(shí)感，然后進(jìn)行虛擬裝配仿真操作，最后獲得合理的裝配結(jié)果和模型。

2.1 模型的轉(zhuǎn)換

用于三維模型設(shè)計(jì)的CAD軟件很多，也就存在多種CAD數(shù)據(jù)格式。在進(jìn)行虛擬裝配之前需要將模型導(dǎo)入到Division Mockup軟件中。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，PTC公司的野火版Pro/E所建立的模型可以導(dǎo)出Product View文件ed的格式，使用其它CAD軟件建立的模型，要導(dǎo)入此模型需要調(diào)用Division Mockup軟件中的dvconvert轉(zhuǎn)換模塊，將其它標(biāo)準(zhǔn)CAD格式的模型轉(zhuǎn)換成vdi后綴的格式文件。

2.2 虛擬裝配過程

虛擬裝配是在虛擬環(huán)境下，利用虛擬裝配軟件模擬出CAD模型的零部件形成產(chǎn)品的過程。在大部分的CAD軟件中，模型的裝配需要對(duì)零部件添加適當(dāng)?shù)募s束，建立零部件之間的裝配關(guān)系，將零部件按照裝配要求組裝在一起。但是，它們只顯示出裝配的最終結(jié)果，并不能展示產(chǎn)品的裝配過程，所以也并不能判斷出按照預(yù)定的裝配的關(guān)系是否能夠?qū)崿F(xiàn)裝配過程或者是否是合理的裝配方式，而Division Mockup軟件可以全過程展示裝配的過程，通過設(shè)置各個(gè)零部件的裝配路徑及其它各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將產(chǎn)品裝配起來。同時(shí)，可以通過加載Division Mockup軟件自帶的人體模型，利用外接設(shè)備控制人體模型，進(jìn)行抓取、移動(dòng)、放置等動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的虛擬裝配過程。另外，在虛擬裝配過程中加入聲音、場(chǎng)景、顏色等，增強(qiáng)虛擬裝配過程的真實(shí)感，最后通過“Make Movie”功能將“Sequence”的裝配過程制作成MPEG格式視頻文件或者JPEG格式或者ppm格式圖像。

在導(dǎo)入轉(zhuǎn)換模型后，由于零部件空間位置比較凌亂，數(shù)量可能比較多。所以在裝配之前，將固定的零部件添加“Unmovable”約束，這樣零部件就不會(huì)移動(dòng)，然后對(duì)“Functional Structure”進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。在Division Mockup軟件中“Functional Structure”的調(diào)整很方便，可以在“Functional Structure”中對(duì)部件創(chuàng)建“part”。同樣，可以創(chuàng)建各種“l(fā)ights”，使畫面效果更加逼真。還可對(duì)零部件添加相關(guān)的“Behavior”屬性，在“Behavior”屬性下面添加相應(yīng)的“Event”，只要對(duì)此零部件采取相應(yīng)的操作，就會(huì)啟動(dòng)預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作。如圖3所示。

2.3 干涉檢查

干涉檢查是虛擬裝配的一個(gè)重要內(nèi)容，在虛擬裝配環(huán)境中對(duì)零部件進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，以確定零部件的有效性，對(duì)干涉檢查不通過的零部件要返回CAD系統(tǒng)進(jìn)行模型的修改。在虛擬裝配的同時(shí)對(duì)零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查，若存在動(dòng)態(tài)干涉，則需要修改裝配路徑或者裝配序列，若反復(fù)多次修改仍然未能解決干涉問題，則需要進(jìn)行零部件的模型修改。

在Division Mockup軟件中，對(duì)零部件的干涉檢查操作如下：① 打開虛擬裝配模型；②從菜單欄“Tools”中選擇“Interference”，點(diǎn)擊“Edit Query”，彈出干涉檢查對(duì)話框（如圖4）；③根據(jù)需要選擇檢查模式，選擇需要進(jìn)行干涉檢查的零部件，選擇“Instantaneous”檢查就是靜態(tài)干涉檢查，選擇“Continuous”檢查就是進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查。另外，選擇菜單欄“Sequencer”中的“Interference Query From Sequence ”的選項(xiàng)也可以打開干涉檢查對(duì)話框，點(diǎn)擊“Run Query”進(jìn)行干涉檢查并顯示檢查結(jié)果（如圖5）。從檢查結(jié)果可以看出在裝配過程中，兩零部件之間存在動(dòng)態(tài)干涉的情況，需要調(diào)整裝配的路徑，如果仍然不能解決，需要對(duì)模型進(jìn)行修改。

圖3 動(dòng)作的列表與參數(shù)的設(shè)置

圖4 干涉檢查對(duì)話框

圖5 動(dòng)態(tài)干涉檢查結(jié)果

2.4 截面分析

Division Mockup軟件中有動(dòng)態(tài)截面分析功能，能夠更清楚地了解到產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從菜單欄“Create”中選擇“Dynamic Section”，可以創(chuàng)建截面來對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探視。可以發(fā)現(xiàn)在左邊的“Functional Structure”中有剛剛創(chuàng)建的截面存在，并可以對(duì)截面的屬性進(jìn)行編輯和修改，以達(dá)到想要的效果。如圖6所示。

圖6 截面分析

2.5 人機(jī)交互操作的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)手套、跟蹤器作為相對(duì)獨(dú)立的外設(shè)，并不能直接跟Division Mockup 進(jìn)行交互，需要第三方插件作為橋梁，借助由數(shù)據(jù)手套、跟蹤器、偏振眼鏡和投影系統(tǒng)組建的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作。這里選擇VRCO公司的Trackd軟件和Visual Advantage公司的RapidVRM作為第三方插件。

2.5.1 人機(jī)交互接口的定義規(guī)則

數(shù)據(jù)手套與Division Mockup2000i2接口的定義規(guī)則主要有：

（1）位置跟蹤器(Flock of Birds)上的RS-232接口連接到計(jì)算機(jī)上的COM1接口，特別注意的是，接口連接是只能接通“2、3、5”三個(gè)端口，否則將不能通過調(diào)試；

（2）位置跟蹤器的DIP SWITCH 定義如表1所示；

（3）空間位置發(fā)生器連接到位置跟蹤器的XMTR接口，發(fā)生器的信號(hào)發(fā)生源的放置位置一般與操作者的胸口位置齊平最佳；

（4）空間位置感應(yīng)器連接到位置跟蹤器的RECEIVER接口，另一端粘連在數(shù)據(jù)手套上，一般是粘連在右手?jǐn)?shù)據(jù)手套的手背上。

表1 位置跟蹤器DIP SWITCH定義規(guī)則

（5）Fakespace的RS－232接口連接到計(jì)算機(jī)上的COM2接口；

（6）數(shù)據(jù)手套左手連接到Fakespace 的LEFT接口，右手連接到Fakespace的RIGHT接口；

（7）Fakespace上的CONFIG設(shè)置應(yīng)于位置跟蹤器的DIP SWITCH設(shè)置一致，必須是“1、3、7”處于打開狀態(tài)，其它處于關(guān)閉狀態(tài)，確保Fakespace的BAUD值為38400。

2.5.2 人機(jī)交互接口的定義方法

數(shù)據(jù)手套與Division Mockup連接時(shí)，Trackd軟件主要是配合位置跟蹤器使用，位置跟蹤器通過空間位置發(fā)生器與數(shù)據(jù)手套的空間位置發(fā)生器產(chǎn)生作用。

（1）定義Trackd 找到Trackd安裝目錄下的..etc下的配置文件trackd.conf，用可編譯文本的工具打開，修改定義部分如下：

DeviceOption CAVEPinch buttonassign 1 r1 r2

//右手手套的第一個(gè)手指和第二個(gè)手指對(duì)應(yīng)button1

DefineDevice FOB fobirds 1

//位置跟蹤器的數(shù)量為1

DeviceOption FOB port com1

//位置跟蹤器連接到計(jì)算機(jī)的COM1接口

DeviceOption FOB baud 38400

//位置跟蹤器的BAUD值為38400，與Fakespace的BAUD值一致

DeviceOption FOB srt 1

DefineConnector SHM2 shm out 1

//定義數(shù)據(jù)手套的輸出

DeviceOption FOB srt 1

DefineConnector SHM2 shm out 1

//定義數(shù)據(jù)手套的輸出

DefineConnector SHM1 shm out 1

//定義Trackd的輸出

ConnectorOption SHM1 data tracker

ConnectorOption SHM1 key 4126

（2）定義RapidVRM 找到Division Mockup安裝目錄下的../etc/body下的配置文件rapidvrm-buttons.bod，用可編譯文本的工具打開，這個(gè)配置文件的作用是定義Division Mockup中的動(dòng)作與在trackd中定義的buttons相關(guān)聯(lián)，部分配置如下：

BIND "BUTTON_1" FLY_UP_SLOW

BIND "" FLY_DOWN_FAST

BIND "" FLY_DOWN_ACCELERATE

FLY_DOWN_ACCELERATION 0.075

FLY_DOWN_SLOW_SPEED 0.1

FLY_DOWN_FAST_SPEED 4

FLY_DOWN_MAX_SPEED 8

上面的一段定義語句表示trackd里定義的button1在Division Mockup2000i2代表的動(dòng)作是FLY_UP_SLOW（慢速上升）。而trackd里button1對(duì)應(yīng)的是：“DeviceOption CAVEPinch button assign 1 r1 r2”，反映到數(shù)據(jù)手套上，即是右手手套的第一個(gè)手指與第二個(gè)手指的接觸動(dòng)作，這個(gè)動(dòng)作反映在Division Mockup中就是慢速上升。這就實(shí)現(xiàn)了利用數(shù)據(jù)手套在Division Mockup2000i2中操作模型。定義Division Mockup的啟動(dòng)文件dvise.reg，此文件一般在C:Documents and Settings“用戶名”下，同樣地，用可編譯文本的工具打開，在這個(gè)配置文件里，可以定義Division Mockup的啟動(dòng)狀態(tài)、顯示模式。啟動(dòng)狀態(tài)指的是是否啟動(dòng)數(shù)據(jù)手套，顯示模式指的是是否啟動(dòng)立體顯示模式。數(shù)據(jù)手套與立體顯示模式同時(shí)啟動(dòng)的定義方法如下：

config/test/input/config=test //啟動(dòng)代號(hào)

config/test/visual/config=active //立體模式開啟

config/test/body/config=test

body/test/bodyFile=testbody

input/test/devices/wintracker/PRESENT=yes

//開啟數(shù)據(jù)手套

3 結(jié)束語

利用Division Mockup軟件和一些虛擬裝配的外接設(shè)備，組成簡(jiǎn)單的虛擬裝配環(huán)境，進(jìn)行虛擬裝配。Division Mockup軟件具有強(qiáng)大的仿真功能和人機(jī)交互功能，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就可以模擬零部件在空間的裝配情況并能發(fā)現(xiàn)是否有干涉存在的情況，通過展示產(chǎn)品裝配的全過程，可以驗(yàn)證和改善產(chǎn)品的可裝配性；利用它進(jìn)行裝配過程規(guī)劃和仿真可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

[1] 姚振強(qiáng), 張雪萍. 敏捷制造[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004. 121-125.

[2] 范 菁, 董金祥. 虛擬環(huán)境中的產(chǎn)品裝配技術(shù)[J]. 工程設(shè)計(jì), 2000, (3): 1-5.

[3] 程 凱. 基于CATIA系統(tǒng)的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究[J]. CAD/CAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造, 2002, (4): 24-27.

[4] 張?zhí)m英. 虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2002, (8): 37-38.

[5] Prem K Mahendran. Application of virtual reality & digital manufacturing techniques in aircraft manufacturing assembly [D]. Bharathiar University, 2005.

Application Research on Virtual Assembly of Tractor’s Front Drive Axle

CAO Wen-gang, CHENG Wu-si, SONG Jun

( School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China )

This paper analyzes and summarizes the current status of the virtual assembly technology research and elaborates its principle and implementing process. By taking the tractor’s front drive axle as an object, a virtual assembly and its corresponding inspection is conducted in the computer virtual environment (Division Mockup). The generation assembly orders and routes are introduced. The procedure of assembly animation is set up to vividly exhibit the whole process of product assembly. By virtue of the third-party plug-in units and the virtual reality environment consisting of data gloves, polarization glasses, projection system, and position tracker (FOB), human-computer interaction can be achieved in Division Mockup. The rules and methods of human-computer interaction interface definitions are introduced as well.

virtual assembly; assembly inspection; virtual reality; human-computer interaction

TP 391

A

1003-0158(2011)03-0075-07

2010-01-06

國(guó)防基礎(chǔ)科研基金資助項(xiàng)目（B1120060500）；安徽省科技攻關(guān)資助項(xiàng)目（06012141H）

曹文鋼（1957-），男，河北淶源人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)。