基于虛擬組裝快速配刀的功能開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

廖生輝，卓 勇，唐炳洋，陳子健，張 俊

(廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門361102)

有效的刀具管理無(wú)疑能夠降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.因此，國(guó)內(nèi)外各企業(yè)均非常重視對(duì)刀具管理的研究.國(guó)外許多公司根據(jù)自身刀具使用情況推出具有其代表性的管理系統(tǒng)，例如Sandvik推出的Coroguide軟件、Valenite Modco推出的Spectra系統(tǒng)、Iscar推出的Pro-Grip系統(tǒng)、CTMS推出的計(jì)算機(jī)刀具管理系統(tǒng)(CYMS)、Delkel推出的Tool Manager管理系統(tǒng)等[1].目前國(guó)內(nèi)外刀具管理系統(tǒng)主要采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)，其研究方向主要在庫(kù)存管理、刀具監(jiān)控、刀具壽命檢測(cè)、刀具調(diào)度等方面.在圖形處理研究方面，網(wǎng)頁(yè)的圖形處理技術(shù)在刀具管理系統(tǒng)中應(yīng)用較少，其中有德國(guó)的ZOLLER系統(tǒng)[2].

隨著近年來網(wǎng)頁(yè)圖形庫(kù)(WebGL)和HTML5技術(shù)的引入，目前可以在不使用任何第三方插件的情況下從瀏覽器中開發(fā)圖形處理單元(GPU)的功能，為刀具零件模型顯示提供了新的解決方案[3].比如在虛擬裝配研究方面，王世超[4]應(yīng)用WebGL技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)虛擬場(chǎng)景，對(duì)Solidworks生成的水輪機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)單虛擬裝配，但其裝配的水輪機(jī)模型并未建立起刀具零件間的特征約束；為解決異構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型無(wú)法裝配的問題，劉巍[5]提出了一種新的虛擬裝配方式并應(yīng)用在可視化裝配平臺(tái)InteVue中；陳麗麗[6]通過提取三維軟件Pro/ENGINEER中的裝配信息，對(duì)虛擬裝配中的碰撞檢測(cè)，提出了分層精確碰撞檢測(cè)算法；林齊等[7]基于C/S架構(gòu)開發(fā)的刀具管理系統(tǒng)，其根據(jù)刀具零件參數(shù)及裝配知識(shí)集對(duì)三維軟件應(yīng)用程序接口(API)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在三維軟件場(chǎng)景中自動(dòng)完成刀具的虛擬裝配及特征約束建立，但該方法與基于網(wǎng)頁(yè)的裝配系統(tǒng)相比，存在不能協(xié)同開發(fā)的缺陷.本研究將根據(jù)現(xiàn)存刀具管理系統(tǒng)存在的不足，應(yīng)用WebGL圖形處理、三維CAD軟件二次開發(fā)、前后臺(tái)信息傳輸?shù)燃夹g(shù)提高刀具零部件的智能篩選及配置能力，旨在開發(fā)基于瀏覽/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)的具有圖形化處理功能的刀具管理系統(tǒng).

本研究結(jié)合網(wǎng)頁(yè)、CAD技術(shù)，在刀具管理系統(tǒng)的刀具組裝模塊添加刀具虛擬裝配功能.實(shí)際裝配刀具前，在刀具組裝網(wǎng)頁(yè)中加載待裝配的零件模型，通過鼠標(biāo)進(jìn)行一系列零件位姿調(diào)整操作及零件位姿同步后，自動(dòng)識(shí)別并建立零件間約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)刀具的虛擬裝配.在刀具虛擬裝配的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的快速配刀及干涉的檢查.

1 刀具零部件模型在線顯示

1.1 基于WebGL的網(wǎng)頁(yè)模型渲染

隨著WebGL技術(shù)的普及，網(wǎng)頁(yè)的表現(xiàn)能力逐步提升，特別是在圖形渲染顯示方面得到了更好的完善.WebGL可以為HTML5 Canvas提供硬件三維加速渲染，因此網(wǎng)頁(yè)開發(fā)人員可以使用系統(tǒng)圖形在瀏覽器中更平滑地顯示三維場(chǎng)景和模型，還能創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和視覺數(shù)據(jù)化.Three.js在WebGL的基礎(chǔ)接口之上做了一層封裝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了可在瀏覽器中運(yùn)行的三維引擎功能，瀏覽器不用安裝插件即可創(chuàng)建各種三維場(chǎng)景，包括相機(jī)、燈光、材料等.故本研究采用Three.js對(duì)三維模型進(jìn)行加載，其支持的三維模型有obj、json、stl等格式，本研究采用stl格式完成網(wǎng)頁(yè)三維模型加載.

1.2 三維模型在線顯示

為使刀具零件能夠具有在網(wǎng)頁(yè)上進(jìn)行虛擬裝配的圖形操作功能，按編號(hào)將刀具零件的三維模型加載至網(wǎng)頁(yè).在加載刀具零件模型至網(wǎng)頁(yè)時(shí)，本研究采用Three.js庫(kù)文件中的立體成型術(shù)加載器(STLLoader)完成刀具零件模型的在線顯示.圖1為三維模型在線顯示流程.具體地：

1) 利用Three.js進(jìn)行場(chǎng)景創(chuàng)建與配置.刀管系統(tǒng)中導(dǎo)入Three.js庫(kù)文件；應(yīng)用Three.js框架下的函數(shù)分別創(chuàng)建場(chǎng)景、相機(jī)、光源、渲染器等；配置相機(jī)/光源的位置；最后用渲染器渲染Three.js場(chǎng)景，令網(wǎng)頁(yè)加載Three.js場(chǎng)景.

2) 創(chuàng)建STLLoader.用STLLoader的模型加載函數(shù)“l(fā)oad(modelname，function(geometry){})”將模型加載至Three.js場(chǎng)景中；其中，“modelname”變量為包含三維模型路徑的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)后的模型名稱，“geometry”表示刀具零件模型，“function(geometry)”表示刀具零件模型函數(shù)描述.

3) 調(diào)用軌道控制函數(shù)“THREE.OrbitControls()”來創(chuàng)建control控制視野對(duì)象，用control對(duì)象的事件監(jiān)聽功能監(jiān)聽渲染器，使三維模型能夠隨著鼠標(biāo)縮放旋轉(zhuǎn).圖2為滾刀三維刀具零件模型在線顯示情況.

圖1 刀具零件三維模型在線顯示流程圖Fig.1Flow chart of three-dimension mode online display of tool parts

圖2 滾刀零件三維模型在線顯示Fig.2Online display of three-dimensional model of hob part

2 網(wǎng)頁(yè)操作顯示及刀具零件位姿同步

2.1 虛擬裝配操作顯示功能

在虛擬裝配過程中，為了更好地展現(xiàn)裝配的不同視角，加強(qiáng)裝配操作的靈活性，本研究在頁(yè)面設(shè)計(jì)時(shí)增加了旋轉(zhuǎn)移動(dòng)按鈕、放大縮小按鈕、清空按鈕、隱藏顯示按鈕等.圖3為切換至多頁(yè)隱藏刀具零件時(shí)不同視角下的刀具零件裝配模型.

圖3 不同視角下的刀具零件裝配模型Fig.3Tool parts assembly model from different perspectives

2.2 刀具零件位姿同步

網(wǎng)頁(yè)中包含的Three.js場(chǎng)景作為刀具管理系統(tǒng)的前端，可在Three.js場(chǎng)景中加載stl格式的刀具零件模型，供用戶控制刀具零件位姿.Creo作為刀具管理系統(tǒng)后臺(tái)加載part格式刀具零件模型，負(fù)責(zé)零件的特征提取與識(shí)別.在虛擬裝配過程中，由于網(wǎng)頁(yè)上加載的刀具零件模型為stl格式，屬于三角面片格式，stl格式的模型上點(diǎn)、面等特征信息已丟失，不易提取出相關(guān)信息用于特征識(shí)別[8]，故本研究中采用Creo二次開發(fā)提取刀具零件模型的特征并建立約束.為了使Creo充分提取場(chǎng)景中刀具零件模型的特征建立有效約束，需將網(wǎng)頁(yè)上刀具零件位姿運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)完整傳輸給Creo，其核心思想是將Three.js場(chǎng)景中的刀具零件運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞至后臺(tái)，供Creo場(chǎng)景中的刀具零件調(diào)整位姿.

圖4 Creo/網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景刀具零件位姿同步流程圖Fig.4Flow chart of tool part posture synchronization in Creo/Web

本系統(tǒng)在刀具裝配過程中，需要用戶在系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)中采用人機(jī)交互的方式調(diào)整待裝配刀具零件的位姿.由于刀具零件在網(wǎng)頁(yè)中是以Three.js文件來加載的，可提取的刀具零件位姿屬性數(shù)據(jù)分別為平移和旋轉(zhuǎn)屬性，平移屬性表示沿x、y、z軸移動(dòng)的位移，旋轉(zhuǎn)屬性表示繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角度.在Creo場(chǎng)景中，刀具零件模型的位姿分別以全局坐標(biāo)系下刀具零件坐標(biāo)系原點(diǎn)的值確定刀具零件的位置，全局坐標(biāo)系下刀具零件坐標(biāo)系x、y、z軸的方向向量確定刀具零件的旋轉(zhuǎn)情況.圖4為Creo/網(wǎng)頁(yè)刀具零件位姿同步流程圖.

由于網(wǎng)頁(yè)與Creo場(chǎng)景中刀具零件的平移向量相同，故刀具零件在網(wǎng)頁(yè)上的移動(dòng)數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用至Creo場(chǎng)景下的刀具零件，將網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景中移動(dòng)后的坐標(biāo)位置設(shè)置成Creo場(chǎng)景中刀具零件的坐標(biāo)系原點(diǎn)，促使Creo場(chǎng)景下刀具零件移動(dòng).

Three.js場(chǎng)景下的刀具零件模型做繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，是繞著相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的某軸進(jìn)行的，而不是相對(duì)于固定的參考系，即網(wǎng)頁(yè)中的刀具零件模型的轉(zhuǎn)動(dòng)為歐拉角轉(zhuǎn)動(dòng)[9].若在網(wǎng)頁(yè)上操作刀具零件使其按不同順序分別繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)不同角度，可根據(jù)Three.js庫(kù)中的旋轉(zhuǎn)屬性及歐拉角轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)矩陣公式[10]獲取刀具零件在網(wǎng)頁(yè)中的旋轉(zhuǎn)矩陣.

本研究虛擬裝配的關(guān)鍵在于刀具零件位姿的線上線下同步.在約束建立前，網(wǎng)頁(yè)上刀具零件的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)傳遞至Creo場(chǎng)景，即Creo場(chǎng)景中刀具零件模型位姿同步于網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景中刀具零件模型；約束的建立見下文3.1節(jié)；建立約束后， Creo場(chǎng)景中刀具零件的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)反向傳遞至網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景中的刀具零件，即網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景中刀具零件模型位姿同步于Creo場(chǎng)景中刀具零件模型位姿.

下面是刀具零件之間約束關(guān)系建立后，網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景中刀具零部件模型位姿同步于Creo場(chǎng)景中刀具零件位姿的流程：

1) 求Creo場(chǎng)景中人為操作的旋轉(zhuǎn)矩陣.建立約束后，根據(jù)Creo場(chǎng)景中的刀具零件最終位置，求得刀具零件旋轉(zhuǎn)矩陣.

2) 求解歐拉角.根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣，求解得出刀具零件模型分別繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角度θx、θy、θz.

3) 數(shù)據(jù)傳遞.將Creo場(chǎng)景中刀具零部件沿x、y、z軸平移的位置信息Tx、Ty、Tz與繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)角度信息θx、θy、θz傳回網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景.

4) 網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景中刀具零部件的位姿調(diào)整.為零部件的平移、旋轉(zhuǎn)屬性分別賦Tx、Ty、Tz值與θx、θy、θz值.即可自動(dòng)完成零部件在網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景的位姿調(diào)整.

3 基于虛擬裝配的刀具零件優(yōu)選

圖5 刀具編碼自動(dòng)生成流程圖Fig.5Automatic generation flow chart of tool coding

3.1 刀具裝配運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航

當(dāng)兩個(gè)模型之間移動(dòng)到碰撞檢測(cè)[13]范圍內(nèi)時(shí)，激發(fā)識(shí)別操作.識(shí)別操作一般需要獲取曲面的各種信息.由于曲面即可表示為S(x,y,z)也可表示為f(u,v)，本文中通過“Eval3DData(UVParams)”函數(shù)獲取“SurfXYZData”類，即將曲面函數(shù)f的自變量u和v構(gòu)成的參數(shù)矩陣“UVParams”轉(zhuǎn)換為x,y,z構(gòu)成的曲面S的參數(shù)矩陣，通過“SurfXYZData.GetNormal()”和“SurfXYZData.GetPoint()”函數(shù)分別用于求解面的法向向量與面上點(diǎn)的信息.圖5是裝配約束識(shí)別流程圖，主要流程有：

1) 判斷模型是否為裝配件.

2) 當(dāng)模型為裝配件時(shí)，提取裝配件的軸與面，若模型為零部件，則提取零部件的軸與面.

3) 將提取到的面與面、軸與軸添加至可能裝配集合.設(shè)裝配集合中裝配對(duì)個(gè)數(shù)為n.

4) 從裝配集合中提取一個(gè)可能裝配對(duì)，判斷該裝配是否為特殊裝配面.例如圓錐面和球面.

5) 若可能裝配對(duì)中面為特殊裝配面，則優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行裝配.否則，計(jì)算位置接近度、方向匹配度、限制自由度數(shù).

多功能輪椅組合床使病人的生活更加舒適方便，同時(shí)也降低了護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以普遍生產(chǎn)使用．這種輪椅組合床能很好地體現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)給病人日常生活帶來方便．它將床板、床架、電動(dòng)千斤頂裝置、扭簧裝置、水平電動(dòng)伸縮桿、電動(dòng)機(jī)及控制裝置等巧妙組合，通過遙控器控制水平電動(dòng)伸縮桿的抽離與推進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)輪椅與病床的分離與結(jié)合，以及輔助代步功能．通過遙控器控制兩側(cè)電動(dòng)千斤頂裝置，可以使床板向左或向右轉(zhuǎn)過一定角度，實(shí)現(xiàn)左右翻身功能，也可以通過手動(dòng)控制扭簧裝置，使背部和腿部的床板旋轉(zhuǎn)0°~90°，實(shí)現(xiàn)坐臥功能．

6) 計(jì)算位置接近度R1k.設(shè)Oi和Oj分別表示兩裝配面i和j上的一點(diǎn)，Vij表示Oi和Oj兩點(diǎn)連線表示的向量，Vi表示面i上的法向單位向量，則可求得點(diǎn)Oj到面i的距離為[14-15]：

dk=|Vij|·cos|()|.

(1)

7) 計(jì)算方向匹配度R2k.設(shè)兩個(gè)模型A和B上的單位特征向量分別為VA和VB，則兩個(gè)單位向量的夾角為αk=arccos(VA·VB)，取

R2k=|sin()|，k=1,2，…，n.

(2)

8) 計(jì)算自由度數(shù)R3k.取

(3)

其中，Lk表示可能裝配集合中第k個(gè)裝配對(duì)建立約束所限制的自由度數(shù)量.如面-面限制3個(gè)自由度、軸-軸限制4個(gè)自由度.

9) 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)矩陣與確定元素影響因子.取R1k，R2k，R3k構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣R,其子矩陣Rk=[R1k，R2k，R3k].取位置接近度占影響因素0.3，方向接近度占影響因素0.3，自由度數(shù)占影響因素0.4，即W=[0.3，0.3，0.4].

10) 計(jì)算最優(yōu)解.取

Q=W·RT=(q1,q2,q3，…，qn).

(4)

11) 判斷最優(yōu)解是否滿足約束識(shí)別條件.取得最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的dk和αk.

當(dāng)待識(shí)別特征元素為直線-直線時(shí)，若dk-d0≤0且|cosα|-|cosα0|≤0，則為識(shí)別到對(duì)齊約束，其中d0和α0分別為距離和夾角的允許誤差值.

當(dāng)待識(shí)別特征元素為面-面時(shí)，若dk-d0≤0且|α|-α0≤0，則為識(shí)別到對(duì)齊約束；若dk-d0≤0且|π-α|-α0≤，0則為識(shí)別到貼合約束；若dk-d0=0且|π-α|-α0≤0，則為識(shí)別到偏移d0距離.

當(dāng)待識(shí)別特征元素為圓柱面-圓柱面時(shí)，若dk-d0≤0且|cosα|-|cosα0|≥0且r1-r2≤r0,其中r1為軸半徑，r2為孔半徑，則為識(shí)別到插入約束.

取d0=0.2×D,α0=π/9其中，D為包圍碰撞盒的長(zhǎng)度，D=1.2L,L為刀具零件模型的長(zhǎng)度.若不滿足條件，則退出裝配.

12) 判斷最優(yōu)解是否會(huì)發(fā)生尺寸干涉、與已建立的約束發(fā)生干涉.若存在干涉，則退出裝配.

以上步驟為刀具零件間的約束識(shí)別，在識(shí)別到刀具零件間相互約束的基礎(chǔ)上，通過Creo的API中的約束建立函數(shù)“ComponentConstraint_Create(ComponentConstraintType)”建立特征元素對(duì)應(yīng)的約束對(duì)象.根據(jù)約束對(duì)象建立裝配件與刀具零件間的約束關(guān)系.

3.2 刀具零件智能優(yōu)選

為實(shí)現(xiàn)裝配刀具所需刀具零件的快速配置，應(yīng)用虛擬組裝功能開發(fā)刀具零件智能優(yōu)選功能.在虛擬裝配中，若網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景下存在裝配不完全的刀具，則尋找合適的刀具零件作為下一裝配操作所用刀具零件.首先判斷網(wǎng)頁(yè)場(chǎng)景下，不完全裝配刀具所含零部件是否組裝過其他刀具.若沒組裝過其他刀具，則在Creo場(chǎng)景中獲取裝配不完全刀具主要尺寸，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找尺寸匹配的其他刀具零件作為優(yōu)選刀具零件，記錄刀具零件的種類編號(hào)，即sap編碼；若曾經(jīng)組裝成其他刀具，則從數(shù)據(jù)庫(kù)中查找組裝成同一刀具的其他刀具零件，標(biāo)記為優(yōu)選刀具零件，記錄刀具零件sap編碼，執(zhí)行沒組裝過其他刀具的步驟.具體刀具零件優(yōu)選流程見圖6.

圖6 智能優(yōu)選流程圖Fig.6flow chart of intelligent optimization

4 刀管系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

4.1 刀具虛擬裝配應(yīng)用

首先在刀具管理系統(tǒng)刀具組裝模塊的網(wǎng)頁(yè)逐步加載待裝配的刀具，通過移動(dòng)旋轉(zhuǎn)等操作控制刀具零件模型在網(wǎng)頁(yè)上的移動(dòng)距離、旋轉(zhuǎn)角度并記錄每次操作的信息.

刀具在虛擬裝配過程中，若操作人員裝配不符合尺寸條件的刀具零件時(shí)，本系統(tǒng)會(huì)給予操作人員提示該刀具零件不能進(jìn)行裝配，便于裝配人員提早更換刀具零件，減少重復(fù)勞動(dòng)(附錄(http:∥jxmu.edu.cn/upload/20210115)圖S1).

4.2 刀具快速配刀應(yīng)用

刀具零件智能優(yōu)選功能的優(yōu)選刀具零件由兩部分組成，比如組裝成裝配不完全刀具所包含的刀具零件型號(hào)分別為345R-1305M-KM3220與345-160Q40-13M時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依次優(yōu)選出10種滿足刀具零件裝配尺寸條件的刀具零件(附錄(http:∥jxmu.edu.cn/upload/20210115)圖S2).

5 結(jié) 論

本研究以某大型加工企業(yè)面臨的刀具管理問題作為切入點(diǎn)，結(jié)合圖形圖像處理技術(shù)，開發(fā)了一套具有圖形處理功能的智能刀具管理系統(tǒng).對(duì)比傳統(tǒng)的刀具管理系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有如下創(chuàng)新之處：

1) 傳統(tǒng)刀具管理軟件大都只是記錄刀具零件存儲(chǔ)位置、刀具使用數(shù)據(jù)、刀具二維圖片等信息，不利于裝配人員了解刀具內(nèi)部結(jié)構(gòu)和刀具零件的裝配效果，本研究通過系統(tǒng)上的刀具零件二維工程圖、三維刀具零件模型、刀具零件虛擬裝配的效果幫助裝配人員快速熟悉系統(tǒng)中各刀具零件結(jié)構(gòu)和刀具裝配可行性.

2) 傳統(tǒng)的刀具管理系統(tǒng)普遍基于C/S架構(gòu)(如ZOLLER)，其中的數(shù)據(jù)模型對(duì)象存儲(chǔ)于本地，不利于共享，本研究的刀具管理系統(tǒng)應(yīng)用B/S架構(gòu)，可供多人共享數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)模型對(duì)象.

3) 本研究在刀具虛擬裝配的基礎(chǔ)上，根據(jù)刀具零件的干涉檢查，開發(fā)刀具零件智能優(yōu)選功能，可快速匹配出符合尺寸和裝配條件的刀具零件，加快刀具裝配效率.