組合夾具虛擬裝配示教系統關鍵技術研究

吳飛　黃威

摘 要：針對在組合夾具教學中存在教育場地、資金和原材料消耗以及安全性等方面的問題，提出使用虛擬裝配技術完成組合夾具的拆裝實驗教學，以彌補現實實驗條件的不足。首先，研究了組合夾具中裝配信息建模、三維建模、虛擬裝配序列規劃、裝配路徑的規劃、碰撞干涉檢驗等虛擬裝配關鍵技術。然后，以VR-Platform為平臺，設計出一套組合夾具虛擬裝配示教系統。在實際教學中，該系統能有效緩解上述不足。

關鍵詞：虛擬裝配;組合夾具;規劃;碰撞干涉檢驗

1 引言

組合夾具是具有標準組件以及特殊裝配的一種特殊夾具，它具有多功能性，可重用性和組件使用的夾具功能特性[1]。由于裝配靈活、設計周期短、管理儲存方便、元件可重復使用、成本低廉等各種優點決定了其擁有顯著的成本優勢和經濟價值，因此受到了國內外市場及研發的廣泛重視。但在教育領域，對于接受相關技能培訓的學生來說，由于資金、場地或者教師等方面的原因，相當一部分高職院校不能滿足培訓要求。并且對于參加初步培訓的學生來說，對培訓設備的結構和裝配關系不熟悉，很容易造成設備損壞甚至安全事故。

使用計算機輔助設計軟件和虛擬裝配技術能夠實現虛擬裝配。而虛擬裝配技術在教學領域的應用彌補了現實中的這一不足，在沒有危險和原材料消耗的前提下，完成實驗培訓，成本降低，使學生的職業技能得到提高。

2 組合夾具虛擬裝配關鍵技術

虛擬裝配是計算機使用仿真模型模擬實際裝配過程的技術，即通過計算機模擬和虛擬現實技術，在計算機上模擬產品的工藝規劃，制造，裝配和調試等整個過程的技術。

組合夾具的虛擬裝配技術包括組合夾具中裝配信息建模、三維建模、虛擬裝配序列規劃、裝配路徑的規劃、碰撞干涉檢驗等。

2.1 組合夾具信息分析

組合夾具信息包含有組合夾具標準元件功能組件、所采取的定位夾緊方案、整體結構設計方案、裝配工藝等信息，主要包括：夾具基本信息、裝配對象幾何信息、工件特征信息、裝夾信息、BOM表等[2]。組合夾具信息如下圖1所示。

2.2 組合夾具裝配信息建模和三維模型的建立

裝配信息模型的建立是裝配順序規劃和裝配路徑規劃的前提。目前裝配信息的建模方法多種多樣，且每種模型在裝配信息模型中都有它們各自的優勢，但是層次模型可以簡化裝配規劃并確保裝配規劃的效率。本文以層次模型為例進行重點研究。

組裝的設備通常具有一定的層次關系，這種分層的關系可由裝配樹來表示。在裝配樹中，樹的根節點是裝配體，葉節點是已經不能再拆卸的零件，中間結點是子裝配體組件[3]。每個設備的裝配樹通過虛擬鏈連接，虛擬鏈包含有關每個組件的信息。裝配樹不僅將裝配體的層次關系顯示出來，而且還顯示了裝配體與其組件之間的父子關聯。裝配層次模型如下圖2所示。

組合夾具中的元件通過SolidWorks三維建模軟件完成，建模過程中使用軟件中自帶的宏技術錄制元件，將變量設置為宏錄制文件中生成的參數，最后只需要對變量進行賦值即可以實現組合夾具元件的自動建模過程。而且SolidWorks軟件采用.wrl格式輸出，其輸出操作比較簡單，只需將裝配體另存為.wrl格式即可，方便下一步導入到3ds max進行后期處理。本文以活塞組合夾具模型為例。建立完成的模型如下圖3所示。

2.3 三維模型后期處理

將完成的三維模型導入3ds max中進行后期處理。在3ds max中所進行的操作主要是對組合夾具進行裝配仿真動畫的制作，為了在虛擬裝配可視化系統中更好的展示組合夾具的結構，還要應用3ds max強大的渲染能力對組合夾具實施一系列的實體環境模擬：燈光、相機、貼圖、烘焙等。3ds max后期處理界面如下圖4所示。

2.4 虛擬裝配序列規劃

通常來說，組合夾具裝配體是剛體，其拆卸和裝配的順序正好相反。當組合夾具各組件之間的裝配關系不發生改變時，拆卸法同樣可以應用于裝配序列的規劃。

拆卸法通過將整個裝配體拆分為若干個較小的子裝配體，再將拆分得到的子裝配體以同樣的方式拆分為更小的子裝配體，直到裝配體拆分至單個零件[4][5]。通過組件的拆卸過程形成產品拆卸樹，并根據拆卸樹形成拆卸順序，并且拆卸順序的相反順序用作組裝順序。拆卸方法如下圖5所示。

2.5 裝配路徑的規劃

由于組合夾具中的部件都是剛性主體構件，因此組合夾具可以被認為是“可拆卸和可安裝的”。因此，對于大多數組件，首先規劃每個組件的逆運動路徑，然后反轉組件的組裝路徑。

對于組件之間的裝配關系，裝配路徑的起點，控制點和終點由鼠標直接控制。使用仿真記錄器記錄這些點以形成初始路徑。同時，執行并連續調整干涉檢查，然后修改和處理干涉結果以生成合理的路徑。具體過程如下圖6所示。

其具體的操作如下：首先，根據裝配順序的計劃結果，選擇要拆卸的子組件。零部件的拆卸方向和分離的平移量由零件之間的裝配關系和裝配環境確定。確定分離平移量時須檢查零件平移方向的干。以上步驟不斷重復，直到無干涉。完成上述拆卸過程后，可以通過反轉拆卸路徑來反轉裝配路徑。

2.6 碰撞干涉檢驗

裝配過程中的碰撞干涉測試主要是為了確保零件不會碰撞或干擾組裝空間中的其他部件。目前，對碰撞干涉檢測算法有的研究有很多，常用的碰撞干涉檢測算法主要是空間分解法和層次包容盒法[6][7]。為了便于將來對更復雜組件的干涉檢查，本文定義為一種裝配環境較復雜的類型，因此采用層次包容盒法較合適。

通過設置干涉集來判斷是否有干涉。具體來說，可以對A、B兩個相交的子裝配體進行層次分析，首先將B組件拆散，命名為零件B1、B2、B3，并將它們分別與子裝配體A進行相交測試，當檢測到其中的某個零件Bi與A相交，則將其加入干涉集。通過以上這種逐層分解子裝配體的方式來進行干涉檢驗，直到裝配體中的零件無法進行分解為止。其原理如下圖7所示。

通過逐一分解和細化包容盒，不但可以在一定程度上確保干涉檢查的準確性，而且可以提高計算效率。其算法框圖如下圖8所示。

3 虛擬裝配系統實現

VR-Platform[8]～[10]是一款虛擬現實軟件，它可以利用3ds Max中全局光植染器所生成的光照貼圖，對材質的各項屬性進行調整，支持多種外置硬件設備，可獲得多種體驗方式。VR-Platform軟件界面如圖9所示。

組合夾具三維模型經過3ds max后期處理后，首先將制作好的場景導出為VRP數據，每個結構組都能導出多個數據文件，如靜態模型、剛體動畫和相機等。然后，在VR-Platform中實現對系統界面的設計與創建，編輯制作交互腳本實現虛擬裝配系統的交互功能。最后，對系統進行調試和運行功能實時驗證所做工作有無差錯，當所有界面都搭建完布后，將虛擬系統編譯成可執行文件，發布虛擬裝配系統。

組合夾具虛擬裝配系統將利用在Solidworks中建好的零部件三維建模以及自身軟件所具有的功能來實現組合夾具的裝配仿真。系統中的夾具組成結構介紹、結構檢索、裝配過程動畫仿真以及說明文檔菜單功能可以滿足組合夾具的虛擬裝配。

因包含基礎件、支承件、定位件等八大類組合夾具，選用回轉式鉆孔活塞組合夾具作為實例驗證。使用“組成結構”功能展示活塞組合夾具的結構。活塞組合夾具的結構展示界面如下圖10所示。

VR-Platform中還包含說明文檔功能模塊，查看說明文檔時，會顯示Word格式的組合夾具說明文檔，里面包含組合夾具的工件結構分析、組合夾具裝配工藝知識、組合夾具定位夾緊方案選擇、組合夾具裝配路徑和裝配順序的選擇方法等關于組合夾具說明信息的文檔資源。方便學生查看詳細、完整的說明信息。

4 結語

實際教學中，通過使用開發的組合夾具虛擬裝配示教系統，運用已建立的模型庫來重新生成新的零件。它具有強大的可控制、可集成和可互換性。學生在計算機平臺上就可以完成現實中實體對象的虛擬裝配。從而減少了資金投入，彌補培訓資金的不足。計算機上的虛擬裝配也可以實現物理裝配并節省時間。更高效、更直觀、更安全，它還有助于學生深入地了解實驗內容。

參考文獻：

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