面向過程的產品信息虛擬裝配建模技術研究

劉子建 王 平 艾彥迪

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

面向過程的產品信息虛擬裝配建模技術研究

劉子建 王 平 艾彥迪

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙，410082

為解決虛擬裝配過程中產品模型信息的完備性和跟隨性等問題，提出了面向裝配過程的產品信息虛擬裝配模型，該模型運用屬性機制建立模型幾何拓撲信息與非幾何信息的映射關系，依據(jù)信息粒度采用樹型框架結構構造信息的多層次表達結構，滿足虛擬裝配過程中產品信息表達完備、動態(tài)跟隨和實時性要求。開發(fā)了虛擬裝配建模系統(tǒng)，驗證了實現(xiàn)技術的可行性。

虛擬裝配；產品信息；屬性機制；樹型框架結構

0 引言

虛擬裝配作為虛擬現(xiàn)實技術在產品設計領域的典型應用，對優(yōu)化產品設計、縮短裝配周期、降低裝配成本、提高裝配操作人員的培訓速度、提高裝配質量和效率具有重要意義［1－3］。國內外學者對虛擬裝配技術進行了廣泛的研究。南洋理工大學的 Wang等［4］在其開發(fā)的工業(yè)培訓系統(tǒng)中用BSP－Tree組織虛擬環(huán)境中的幾何對象模型，使用vml文件進行存儲和表達。這種方法側重表達零件的幾何外觀信息，未考慮零部件間裝配約束關系和工程設計等非幾何信息。文獻［5－7］采用B－rep和CSG相結合的方法描述幾何拓撲信息，支持3D操作的虛擬裝配，可滿足模型信息完備性的需求，但模型信息表達復雜，信息更新和管理效率偏低，不能很好地滿足實時性要求。

總之，現(xiàn)有虛擬建模方法對裝配過程中產生的裝配工藝、工程語義、產品管理等信息未能提供動態(tài)、有效的存取和管理機制，難以發(fā)揮模型作為產品信息載體的作用。因此，為實現(xiàn)裝配過程信息的有效集成和完備表達，虛擬裝配模型應能滿足如下三方面要求：

（1）完備性。裝配模型不僅包含完整的幾何拓撲信息，還應包含設計要求、工程語義、裝配工藝等非幾何信息，以滿足裝配工藝規(guī)劃和可行性分析的需求。

（2）跟隨性。模型裝配信息隨著裝配過程的推進而逐步豐富，裝配信息與模型動態(tài)跟隨是減少模型信息冗余、滿足實時性要求的基礎。

（3）高效性。裝配模型應具有合理的數(shù)據(jù)結構，支持信息的高效表達和有序組織，有利于降低系統(tǒng)檢索、存取數(shù)據(jù)的開銷。

鑒于此，本文研究了面向虛擬裝配過程的產品信息模型原理和結構問題，運用屬性機制建立模型幾何信息與非幾何信息動態(tài)跟隨的映射關系，構建信息多層次表達的樹型框架結構，以實現(xiàn)裝配過程信息的完備表達和有效管理。

1 屬性機制與樹型結構框架

1.1 屬性機制

目前，虛擬裝配系統(tǒng)多采用幾何拓撲元素直接驅動的模式存取裝配模型的數(shù)據(jù)。當模型的幾何元素發(fā)生改變時，連接在幾何元素上的模型數(shù)據(jù)將會丟失或產生冗余，存在著數(shù)據(jù)結構可擴展性差、更新效率低的缺點。

針對以上不足，本文運用屬性機制建立模型幾何體與非幾何信息動態(tài)映射關系。其基本原理是將模型包含的所有信息均作為屬性類進行統(tǒng)一處理，即將模型的幾何拓撲數(shù)據(jù)、非幾何信息分別定義為形體屬性和信息屬性，通過屬性機制建立模型幾何拓撲數(shù)據(jù)與非幾何信息的映射關系。不同于傳統(tǒng)的屬性方式（圖1a），本文運用的屬性機制包含一個特殊的樹型框架結構，系統(tǒng)通過它建立模型的幾何信息與非幾何信息之間的映射關系，并為設計者在裝配過程中實時修改、添加連接在模型或幾何體素上的非幾何信息提供支持，形成模型信息的動態(tài)跟隨，原理如圖1b所示。

圖1 屬性機制比較

1.2 樹型框架結構

本文參考OCAF的Label樹結構，結合裝配設計的需求，通過構造樹型框架結構對裝配模型幾何信息與非幾何信息的映射關系進行組織和管理，將所有模型信息均掛接在樹型框架結構的各層次節(jié)點上，通過訪問節(jié)點標簽可查詢幾何拓撲元素及其關聯(lián)的非幾何信息，實現(xiàn)對模型信息數(shù)據(jù)的存取與索引。樹型框架結構如圖2所示。

圖2 樹型框架結構

樹型框架的構架規(guī)則如下：①節(jié)點位置由整數(shù)數(shù)值的節(jié)點標簽標記；②樹型框架的最高層節(jié)點為根節(jié)點，根節(jié)點標簽始終標記為0；③除根節(jié)點外的節(jié)點都有一個父節(jié)點；④共享一個父節(jié)點的節(jié)點為兄弟節(jié)點，兄弟節(jié)點標簽不能使用相同的標記值；⑤每個節(jié)點用唯一的數(shù)字編碼來表示從根節(jié)點到該節(jié)點的索引路徑。如圖3所示，樹型框架結構中圓圈內的數(shù)值是節(jié)點標簽，圓圈下端數(shù)字是訪問該節(jié)點的索引路徑的數(shù)字編碼。

圖3 樹型框架結構規(guī)則

2 產品信息裝配模型的層次結構

為完整地表達產品的裝配信息，基于產品信息的不同粒度，本文對文獻［8］提出的產品層次信息表達方法進行改進，建立層次結構的產品信息裝配模型，依次劃分為產品層、零件層、裝配特征層、幾何拓撲層和面片顯示層，實現(xiàn)產品信息的合理存儲和表達，如圖4所示，其中虛線所圈特征屬于同一零件。本文中，量符號右上標的數(shù)字1，2，…，5表示模型結構的層次，而不是冪指數(shù)。

產品層表達為

其中，N1為產品節(jié)點集合，N1＝｛n11，n12，…，n1n｝。

產品層以產品為基本節(jié)點。產品節(jié)點信息包括產品型號、名稱等BOM表信息，以及產品的組成零部件、功能設計等工程語義信息。產品層基本節(jié)點及相關信息以屬性的形式掛接在樹型結構框架的根節(jié)點上。

零件層表達為

零件層以零件為基本節(jié)點。零件節(jié)點信息包括零件的標識、工程設計信息、物理信息及加工處理要求等信息；M2記錄零件層節(jié)點與產品層節(jié)點之間的映射關系；E2記錄零件與零件之間的裝配約束關系，約束關系主要表現(xiàn)為以裝配語義形式描述的裝配關系，例如，工程中的“螺栓連接”、“鍵連接”、“軸－孔配合”、“平面配合”等裝配語義表達零件間的約束關系。裝配約束關系在零件層表現(xiàn)為一有向閉環(huán)，順次將裝配語義約束的零件節(jié)點聯(lián)系起來。

圖4 產品信息裝配模型層次結構

裝配特征層表達為

裝配特征層以零件的裝配特征為基本節(jié)點。裝配特征節(jié)點包括特征類型、特征名稱及特征參數(shù)信息。零件由裝配特征構成，因此裝配特征對應相應的零件，M3記錄裝配特征層與零件層之間的映射關系；零件之間的裝配約束關系本質上分為不同零件的裝配特征之間的外部約束關系，E3記錄裝配特征之間的約束關系。

幾何拓撲層表達為

幾何拓撲層以幾何拓撲體素為基本節(jié)點，記錄模型精確的幾何拓撲信息，提供設計者在虛擬裝配環(huán)境下面片顯示模型所不能表達的精確幾何形狀信息，以及幾何體素上的表面質量、形位公差、尺寸精度和裝配精度等信息。零件裝配特征由幾何面組成，M4記錄幾何拓撲層和裝配特征層之間的映射關系；構成零件某個裝配特征的幾何面之間存在鄰接關系，E4inside記錄同一零件構成某個裝配特征的幾何面之間的鄰接關系；不同零件裝配特征之間的約束關系可以分解為不同零件幾何面之間的裝配約束關系，E4outside記錄不同零件的裝配特征所包含的幾何面之間的約束關系。兩幾何面之間的約束關系主要包括重合、平齊、垂直、角度等。

面片顯示層表達為

面片顯示層以三角形面片為基本節(jié)點。該節(jié)點記錄了組成零件表面各三角形面片的頂點坐標、頂點法矢量、面片顏色和紋理信息。模型的每個幾何面均可離散成一系列三角形面片，M5描述面片顯示層與幾何拓撲層之間的映射關系。面片顯示層主要用于虛擬環(huán)境下的模型顯示及裝配過程中的碰撞檢測。

根據(jù)信息裝配模型的信息需求，將系統(tǒng)中所表達模型的幾何拓撲、裝配約束和裝配工藝等信息分別提取出來，依據(jù)導出信息記載的映射關系和裝配模型的層次結構，由樹型結構框架對這些信息進行重構。樹型結構框架的層次節(jié)點分別聯(lián)接裝配模型產品層、零件層、裝配特征層、幾何拓撲層和面片顯示層的基本節(jié)點和相關模型信息，描述了虛擬裝配環(huán)境下產品模型的整體結構，可實現(xiàn)模型信息的快速查詢，如圖5所示。

圖5 裝配模型的樹型框架結構

3 裝配模型信息的存取和管理

產品的裝配設計信息主要包括產品的屬性信息和過程信息。其中，屬性信息是指產品的幾何拓撲、工程設計信息、物理信息等，可通過裝配過程的交互式輸入獲得。過程信息包括零件的裝配序列、裝配路徑、裝配約束、工裝夾具的使用等與裝配過程相關的設計信息，主要是在虛擬裝配建模過程中生成。

下面以軸類零件的裝配設計過程為例說明裝配模型的建立和信息管理。如圖6所示，軸模型由裝配模型樹型框架結構根節(jié)點的子節(jié)點保存，當設計者在軸的圓柱面、設計基準面等幾何體素上添加表面粗糙度、裝配精度等設計信息，或者記錄裝配約束等過程信息時，系統(tǒng)即在軸模型節(jié)點的下一級生成與該幾何體素對應的子節(jié)點，子節(jié)點的指針分別指向幾何體素和裝配約束等設計數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)內部的數(shù)據(jù)庫會動態(tài)地建立一個數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表名用該節(jié)點標簽的數(shù)字編碼標識，數(shù)據(jù)表保存和管理軸模型幾何體素上的屬性信息以及裝配約束關系等過程數(shù)據(jù)，從而通過樹型框架結構建立軸模型的幾何體和裝配信息之間的聯(lián)系。

圖6 裝配模型信息的添加

4 應用實例

基于上述原理和方法，本文在Visual C＋＋6.0的環(huán)境下利用Opencascade工具包開發(fā)了產品信息虛擬裝配建模系統(tǒng)，該系統(tǒng)的硬件設備包括集群圖形系統(tǒng)、立體投影系統(tǒng)及人機交互設備。虛擬裝配信息建模系統(tǒng)通過接口讀取CAD系統(tǒng)導出的中性文件，獲取產品零件的幾何拓撲等數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)中建立產品的樹型結構層次裝配模型。圖7所示為利用系統(tǒng)建立ZJ112煙草卷接機組SE100傳動主軸裝配模型的設計實例。

系統(tǒng)在樹型框架結構的對應節(jié)點上存儲設計者添加、修改的裝配信息，記錄該傳動主軸的裝配序列、裝配約束關系等過程信息，如圖8所示。

圖7 傳動主軸信息模型

圖8 虛擬裝配信息的存儲與管理

在系統(tǒng)生成的虛擬裝配環(huán)境中，設計者佩戴立體眼鏡和位置跟蹤器，通過三維鼠標、數(shù)據(jù)手套等進行虛擬裝配操作，完成裝配信息的實時添加和修改，如圖9所示。

圖9 設計者在虛擬環(huán)境中進行產品裝配

5 結論

本文研究了一種面向裝配過程的產品虛擬裝配建模原理和實現(xiàn)技術，滿足了模型幾何信息與非幾何信息動態(tài)跟隨的要求，實現(xiàn)了裝配信息的層次表達，并進行了設計實例驗證，研究表明：

（1）以屬性機制和樹型框架結構相結合的方式構建了產品模型的幾何信息與非幾何信息的映射關系，較好地體現(xiàn)了模型的信息載體作用，解決了模型信息的動態(tài)跟隨問題，適于交互式虛擬裝配設計過程的信息處理需求。

（2）樹型框架結構較完備地表達了裝配模型信息的層次關系，可定義和記錄裝配的過程信息，建立了信息較為完備的裝配模型。

本文的探討可以為相關研究提供借鑒。但是，如何建立可覆蓋裝配模型各層次信息處理需求的樹型框架結構，并實現(xiàn)對各節(jié)點信息的高效添加和處理，關系到虛擬現(xiàn)實領域多個硬件和軟件研究課題，本文還未作深入的研究。

［1］ Sankar J，Uma J，Wang Y，et al.VADE：a Virtual Assembly Design Environment［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，1999，19（6）：44250.

［2］ Sankar J，Hugh I C，Kevin W L.Virtual Assembly Using Virtual Reality Techniques［J］.Computeraided Design，1997，29（8）：575－584.

［3］ Mo J Z，Cai J G.DFA－oriented Assembly Relation Modeling［J］.International Journal of Computer Ingergrated Manufacturing，1999，12（3）：238－250.

［4］ Wang Q H，Li J R.A Desktop VR Prototype for Industrial Training Applications［J］.Virtual Reality，2004（7）：187－197.

［5］ 萬華根.基于虛擬現(xiàn)實的CAD技術研究［D］.杭州：浙江大學，1999.

［6］ Zhong Y，Ma W，Shirnzadeh B.A Methodology for Solid Modeling in a Virtual Reality Environment［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2005，21：528－549.

［7］ Ma W，Zhong Y，Tsoa S K，et al.A Hierarchically Structured and Constraint－based Data Model for Intuitive and Precise Solid Modeling in a Virtual Reality Environment［J］.Computer－aided Design，2004，36：903－928.

［8］ 劉振宇，譚建榮，張樹有.面向虛擬裝配的產品層次信息表達研究［J］.計算機輔助設計與圖形學學報，2001，13（3）：223－228.

Research on Process－oriented Virtual Assembly Modeling Technology for Product Information

Liu Zijian Wang Ping Ai Yandi
State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，410082

In order to solve the problems such as completeness and following performance of product model information in process of virtual assembly，aprocess－oriented virtual assembly model for product information was proposed herein.It applied attribute frame to constitute the mapping among geometry topology information and non－geometry information，and based on information granularity，the structure of multi－layer representation for assembly model information was constructed by framework of tree structure.It can satisfy the requirements of representation completeness，dynamic following and real－time in virtual assembly.A modeling system was established and its feasibility was verified by research results.

virtual assembly；product information；attribute frame；framework of tree structure

TP391

1004—132X（2011）01—0060—05

2010—03—09

國家自然科學基金資助重點項目（60635020）；國家基礎研究發(fā)展計劃（973計劃）資助項目（2010328CB002）

（編輯 郭 偉）

劉子建，男，1953年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室985團隊教授、博士研究生導師。研究方向為CAD／CAE建模理論與實現(xiàn)技術、計算機仿真等。發(fā)表論文80余篇。王 平，男，1982年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室博士研究生。艾彥迪，男，1982年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室博士研究生。