Division Mockup關(guān)鍵技術(shù)在裝配仿真中的應(yīng)用

【摘 要】Division Mockup作為虛擬裝配軟件，具有很強(qiáng)的圖形仿真功能。但由于零部件件數(shù)量大及裝配工藝繁瑣，復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品利用Division Mockup裝配仿真在實(shí)時(shí)、高效及逼真性等方面比較難以實(shí)現(xiàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，首先探討了CAD模型與Division Mockup之間的一種高效全面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法；最后，提出了模型二分法管理、包圍盒碰撞干涉檢查及細(xì)節(jié)渲染以實(shí)現(xiàn)模型高效性和逼真性的裝配仿真。

【關(guān)鍵詞】Division Mockup；裝配仿真；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；模型渲染

計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的相結(jié)合發(fā)展給機(jī)電產(chǎn)品的裝配理念帶來(lái)了變革，引發(fā)了新興技術(shù)-虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展。虛擬裝配技術(shù)的提出可以使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期針對(duì)產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī)在三維虛擬仿真軟件上進(jìn)行裝配仿真驗(yàn)證以及裝配工藝制作等等。

Division Mockup是美國(guó)PTC公司推出的一款裝配過(guò)程與驗(yàn)證軟件，可以用來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的零部件之間的碰撞干涉檢驗(yàn)、裝配路徑規(guī)劃、裝配運(yùn)動(dòng)仿真及裝配視頻動(dòng)畫(huà)錄制等，具有很強(qiáng)的圖形仿真功能。通用三維CAD設(shè)計(jì)模型無(wú)縫導(dǎo)入到Mockup中，就可以進(jìn)行產(chǎn)品樣機(jī)的數(shù)字化裝配過(guò)程仿真與驗(yàn)證。Mockup通過(guò)應(yīng)用接口獲取的數(shù)字化模型具有輕量化的特點(diǎn)。鑒于這兩方面，Mockup已經(jīng)成為進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品裝配動(dòng)畫(huà)制作的主流軟件，甚至在航天和船舶等大型復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品上都有許多成功應(yīng)用的案例。

基于Mockup的虛擬裝配系統(tǒng)主要由人機(jī)交互層、應(yīng)用層、核心服務(wù)層和數(shù)據(jù)層等4層組成。人機(jī)交互層主要功能是借助于三維鼠標(biāo)和數(shù)據(jù)手套等人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)行虛擬場(chǎng)景的漫游、零件及視角的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)等；應(yīng)用層主要包括三維裝配模型建立與管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口開(kāi)發(fā)、裝配工藝規(guī)劃和裝配現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)畫(huà)制作等；核心服務(wù)層主要為應(yīng)用層提供基本技術(shù)支持包括碰撞檢測(cè)、約束識(shí)別和行為控制等；數(shù)據(jù)層主要用于保存虛擬裝配系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

Division Mockup操作界面簡(jiǎn)單，但是針對(duì)復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品，如何進(jìn)行實(shí)時(shí)高效的裝配過(guò)程仿真制作是一個(gè)難點(diǎn)。本文針對(duì)這一問(wèn)題，首先提出了數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換方法以獲取復(fù)雜產(chǎn)品的輕量化模型；其次提出了余零件掛起、材質(zhì)紋理映射和光源視角制作等三種技術(shù)以?xún)?yōu)化模型空間及可視化效果；最后提出了模型二分法管理、包圍盒碰撞干涉檢查、細(xì)節(jié)渲染及工裝工具定義等技術(shù)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品高效地裝配仿真。

一、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

大部分Division Mockup使用者都是中間格式轉(zhuǎn)換的方式獲取用于裝配仿真的數(shù)字化模型，一般若是Pro/E設(shè)計(jì)的產(chǎn)品則采用*.ed格式，其它軟件則是采用*.stl格式。這兩種格式得到的模型雖然是面片模型且具有輕量化的特點(diǎn)，但是在轉(zhuǎn)換過(guò)程模型的紋理材質(zhì)等信息會(huì)丟失，只是保留了模型零件的坐標(biāo)位置和幾何形狀信息。

實(shí)際上，Division Mockup提供了一個(gè)DOS下運(yùn)行的dvconvert轉(zhuǎn)換模塊，將多種標(biāo)準(zhǔn)CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成后綴為vdi格式的文件，裝配體模型按照這種方法轉(zhuǎn)化后也可以生成5個(gè)文件夾：geometry、material、olfiles、texture、vdifiles。Geometry中為bgf文件，記錄了模型的幾何形狀及特征信息；Material中為bmf文件，記錄了模型的顏色、質(zhì)地、紋理、光源等信息；Olfiles中為ol文件，存儲(chǔ)了模型的幾何描述信息；Texture中包含環(huán)境設(shè)置文件等；Vdifiles中的vdi文件存儲(chǔ)了模型的結(jié)構(gòu)，此文件是Division Mockup標(biāo)準(zhǔn)格式文件。以某汽車(chē)為例，基于Pro/E模型采用dvconvert模塊進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換，得到的vdi文件如圖1所示。轉(zhuǎn)換后得到的Mockup文件主要包括頭文件、定義庫(kù)及字義零件三部分。

二、裝配動(dòng)畫(huà)制作關(guān)鍵技術(shù)

導(dǎo)入到Mockup中的模型的功能結(jié)構(gòu)目錄樹(shù)反映的是零部件的從屬關(guān)系，為了高效地進(jìn)行零部件順序裝配，需要對(duì)功能結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行編輯和更改。功能結(jié)構(gòu)樹(shù)的更改基于Division Mockup提供的創(chuàng)建空零件（create new part）來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)空零件對(duì)應(yīng)每一個(gè)裝配工步，里面包含了當(dāng)前工步內(nèi)的所有子零件，目錄樹(shù)的結(jié)構(gòu)采用二分法的思想，滿(mǎn)足以下三方面的基本原則：① 裝配的位置和從屬關(guān)系要求；② 裝配的順序和路徑規(guī)劃要求；③ 裝配的并行和聯(lián)動(dòng)關(guān)系要求。

以某汽車(chē)模型為例，采用上述思想編制的功能結(jié)構(gòu)樹(shù)如圖2所示。從編制好的功能結(jié)構(gòu)樹(shù)可以直接得到此汽車(chē)的各部分組成，每個(gè)部件以其子零件的裝配順序。Division Mockup提供了基于A(yíng)ABB包圍盒的碰撞檢測(cè)功能，具體的操作過(guò)程是向有可能互相發(fā)生碰撞的零件添加碰撞屬性，再添加發(fā)生碰撞時(shí)觸發(fā)的行為，如發(fā)出聲音或者零件材質(zhì)顏色改變等。對(duì)于僅需要向幾個(gè)零件添加碰撞屬性的模型來(lái)說(shuō)這么直接使用是可以，但如果模型緊湊且零件數(shù)量龐大，需要添加的碰撞屬性的零件達(dá)到幾十個(gè)甚至上百個(gè)時(shí)，若還是這么都直接添加就會(huì)造成裝配仿真動(dòng)畫(huà)錄制的時(shí)候渲染失真或者出現(xiàn)遲鈍現(xiàn)象。為了解決這一問(wèn)題，可以利用Division Mockup提供的LOD設(shè)置來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。LOD就是細(xì)節(jié)層次表達(dá)，體現(xiàn)在模型上就是需要渲染的三角面片的數(shù)量，LOD值設(shè)置越高則需要表達(dá)的面片數(shù)量越小，在不考慮電腦配置前提下只要不影響零部件外形，可以盡量的將LOD值設(shè)置得盡可能高。圖3反映的是針對(duì)某增壓器在進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)有無(wú)設(shè)置LOD值的效果。前一副圖采用的是系統(tǒng)默認(rèn)的LOD值，由于增壓器內(nèi)部細(xì)小零件繁多且空間狹小，添加碰撞屬性的零件很多導(dǎo)致在進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢測(cè)時(shí)發(fā)生了圖形渲染失真的現(xiàn)象。后一副圖反映的是經(jīng)過(guò)增大LOD值后，在進(jìn)行干涉檢測(cè)時(shí)圖形渲染流暢并且零部件外形無(wú)變化。

三、結(jié)論

本文提出了若干關(guān)鍵技術(shù)使得復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品在Division Mockup中能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效及逼真的裝配仿真。采用了dvconvert轉(zhuǎn)換模塊，在保證模型幾何信息、位置及材質(zhì)的前提下獲取了適用于Division Mockup的輕量化模型。最后以二分法管理模型結(jié)構(gòu)目錄樹(shù)，結(jié)合碰撞檢測(cè)及LOD層次表達(dá)，提高了Division Mockup中裝配工藝規(guī)劃的效率。下一步的研究工作將圍繞Division Mockup中如何實(shí)現(xiàn)工裝工具操作空間驗(yàn)證展開(kāi)。

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