虛擬裝配教學系統的功能設計與開發

無錫商業職業技術學院 郁 敏，信 軻

1 系統需求分析

虛擬裝配技術已成為數字化制造技術在制造業中研究和應用的典范，將此技術應用于教學系統可以提高學生裝配任務的完成質量。

在汽車專業拆裝實習的教學過程中，學生主要面臨如下問題。第一，學生對結構件的運動過程理解困難。第二，運動部件是否存在干涉現象很難觀察并矯正。第三，復雜的裝配體內部結構了解不全面。第四，拆裝實習時，學生經常出現拆裝順序混亂，拆卸下來的部件裝不上去等現象。針對以上問題對虛擬裝配教學系統進行功能設計與開發。

2 系統框架結構設計

基于OSG的虛擬裝配教學系統框架，主要由數據層、核心服務層、應用層及界面層等4個層面組成。各個層面之間協調工作，實現系統各個模塊的功能。系統的框架結構設計如圖1所示。

（1）界面層。使用CEGUI編程技術開發本系統的操作界面，系統中設計有VR-Space Wintracker位置跟蹤器和DG5VHand 2.0數字手套的編譯接口，通過以上交互設備可以進行虛擬瀏覽和虛擬裝配等人機交互操作，通過鍵盤按鍵可以切換為鼠標和鍵盤控制人機交換模式。

（2）應用層。應用層主要提供CAD的數據接口，管理裝配體信息。

（3）核心服務層。此層負責實現虛擬裝配教學系統中關鍵技術，系統的關鍵技術主要有場景管理、約束識別、碰撞檢測和運動仿真。

（4）數據層。數據層主要有兩大類數據，一類是CAD 系統中提取出的三維裝配體模型信息，另一類是包含有裝配序列、裝配路徑、裝配約束等裝配過程信息。

3 系統功能設計

虛擬裝配教學系統引入汽車車門作為模型，主要用于汽車車門的虛擬裝配與拆卸仿真。為了更好地解決實際教學過程中存在的問題，系統設計并開發了車門虛擬漫游、車門附件運動仿真、車門虛擬裝配仿真、多人協同管理、車門裝配序列規劃及爆炸圖展示等6個模塊。系統模塊設計圖如圖2所示。

圖1 系統總體框架結構圖

圖2 系統模塊設計圖

4 系統功能實現

4.1 虛擬漫游模塊

虛擬漫游模塊主要是使用交互設備來改變攝像機位置和朝向，使用戶從不同的角度來觀察虛擬場景的效果。虛擬漫游的實現過程如圖3所示。在Viewer初始化之后，在場景中添加漫游器，通過handle處理輸入的事件，使用矩陣控制攝像機的位置，將攝像機的信息反饋到Viewer中，進行場景的更新。

從場景中選擇一個目標節點進行跟隨。通過將攝像機聚焦到場景圖形節點的方法，將視口的攝像機將跟隨節點的世界坐標進行放置，系統實行了對運動目標的聚焦瀏覽功能，此功能可以更為精確地觀察運動部件內部是否存在運動干涉。

4.2 車門附件運動仿真模塊

車門運動附件主要包括玻璃升降器、門鎖及鉸鏈等。系統運動仿真動畫制作過程如圖4所示。

首先利用UG軟件建立車門模型，接著將車門模型的零件以STL格式轉出，導入3dmax軟件中。使用3dmax材質編輯器給模型加上材質和表面貼圖。接著制作玻璃升降器、門鎖、鉸鏈的運動仿真模型。最后將模型文件以.ive的格式導出，轉入到基于OSG的汽車車門虛擬裝配教學系統，OSG加載并渲染車門模型。

本系統將虛擬漫游技術和3dmax的動畫技術相結合，開發車門附件運動仿真模塊，對車門附件的組成和工作原理的展示更加生動直觀，學生還可以用來校核車門附件是否存在運動干涉。

4.3 虛擬裝配仿真模塊

虛擬裝配仿真模塊可實現汽車車門的虛擬裝配和拆卸仿真，檢驗零件的可裝配性。此模塊工作流程設計如圖5所示。裝配時，先抓取一個零件，建立或解除零件間的約束信息，移動零件。裝配過程全程進行碰撞檢測，如果出現碰撞，則彈出對話框“模型中發生碰撞，請返回上一幀操作”。系統可記錄下每個零件的裝配序列和路徑，回放裝配過程，修改優化裝配路徑和序列。調用裝配文件，還可實現裝配動畫播放功能。裝配動畫可以很好地指導學生完成裝配操作。

4.3.1 碰撞檢測

汽車車門虛擬裝配教學系統將ODE和OSG結合起來，利用ODE的碰撞檢測算法，編程實現實時檢測模型運動是否發生碰撞。如圖6所示，圖中畫圈區域為在安裝門鎖時，門鎖和安裝孔邊緣發生碰撞，系統自動彈出“模型中發生碰撞，請返回上一幀操作”的提示框。

圖3 場景漫游實現流程圖

圖4 運動仿真實現過程圖

圖5 裝配仿真模塊工作流程圖

4.3.2 路徑記錄與回放

在OSG中，使用類osg::Animation Path記錄零件的裝配路徑。實現過程如圖7所示，先定義一個結構體，結構體內存有模型的節點名稱、動作時每幀的位姿矩陣信息，信息傳入結構體形成向量組列表。路徑信息用Animation.txt文件進行記錄。

圖6 安裝過程碰撞檢測圖（截屏）

每個零件的運動路徑信息存儲在Animation.txt文件中，調用Animation.txt文件可對零件的裝配路徑進行回放。使用OSG中的osg::Animation Path Call Back 類中Updata Callback 函數來實現路徑回放功能。

圖7 路徑記錄流程圖

4.4 多人協同管理模塊

將Socket編程技術運用到本系統中，基于Socket程序靈活的移植性能，它可以平穩地在此系統中運行，實現多人同時操作裝配的功能。

學生在彈出的對話框中輸入自己電腦的IP地址，便完成客戶端登陸進入虛擬裝配教學系統。學生可以同時對同一個裝配體進行操作，協調完成序列規劃等一系列學習任務。如圖8所示，圖中畫圈區域為三位同學拖著不同的零件同時進行車門裝配任務。此功能加強了學生之間團隊合作和溝通能力，提高了學生完成任務的效率。

圖8 三人協同裝配操作示意圖（截屏）

4.5 裝配序列規劃模塊

裝配序列規劃模塊使用分層算法來控制車門拆裝。以拆卸分層控制為例，若選取任意一個零件，搜索數據庫中存儲的此零件的節點信息，若此零件存在上層父節點，說明其上層裝配體拆卸沒有完成，用定義函數的方式阻止零件的移動；若此零件無上層父節點，說明其上層裝配體拆卸完成，可以規劃下一步的拆卸。依據自下而上分層拆卸原則，此算法克服了任意拆卸導致的混亂，符合正常的拆卸邏輯。

如圖9所示，在拖動玻璃升降器大臂時，無法移動，系統彈出“請完成上一層級拆卸步驟！”對話框。這是因為在拆卸玻璃升降器大臂時，沒有事先拆卸下升降器托架裝配體，所以此步驟無法進行。

裝配序列規劃模塊通過分層算法獲得合理的裝配序列，同時可對車門零部件的裝配路徑和序列做相應的調整，刪除不合理的規劃序列或路徑，從而獲取較優的規劃結果。

圖9 拆卸序列規劃過程圖（截屏）

4.6 爆炸圖生成模塊

爆炸圖生成模塊算法是基于零件的拆卸序列，可分別實現總裝配及子裝配體的全局爆炸和局部爆炸。用零件包圍盒進行零件位置的描述，利用拆卸矩陣實現裝配體的爆炸。獲得的爆炸圖可清晰地展示汽車車門裝配體的內部結構，加深學生對車門內部結構的了解。如圖10為車門模型爆炸全局圖。

圖10 車門全局爆炸圖（截屏）

本文結合拆裝實習教學過程中問題與需求，設計并開發了汽車車門虛擬裝配教學系統。6大功能模塊很好地解決了教學過程中存在的問題，提高了學生拆裝實訓的裝配效率和精度，加強了協同拆裝過程中的團隊合作精神。