基于瀏覽器的機械產(chǎn)品虛擬裝配展示軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)韓欣雨 張應(yīng)中
2021-08-05 05:51:01基于瀏覽器的機械產(chǎn)品虛擬裝配展示軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)韓欣雨張應(yīng)中
軟件工程 2021年7期
基于瀏覽器的機械產(chǎn)品虛擬裝配展示軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)韓欣雨 張應(yīng)中
摘 ?要：隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在瀏覽器網(wǎng)頁上展示和操作機械產(chǎn)品裝配模型有了非常廣泛的應(yīng)用。針對應(yīng)用需求，采用新興的WebGL（Web圖形庫），提出了基于瀏覽器的機械產(chǎn)品虛擬裝配展示方法。通過加載服務(wù)端STL（立體光刻）三角網(wǎng)格裝配模型，對其裝配約束關(guān)系自動重構(gòu)，基于WebGL在瀏覽器上實現(xiàn)裝配零部件導(dǎo)航，基于裝配約束關(guān)系的裝配爆炸圖自動生成和展示，并以一級減速器為例進行展示系統(tǒng)實驗，驗證了方法的可行性。
關(guān)鍵詞：WebGL;三維裝配;裝配展示;裝配約束
中圖分類號：TP393 ? ? 文獻標識碼：A
Design and Implementation of a Browser-based Virtual Assembly
Display Software System for Mechanical Products
HAN Xinyu， ZHANG Yingzhong
（Dalian University of Technology， Dalian 116023， China）
xinyudlut@163.com; zhangyz@dlut.edu.cn
Abstract： With the development of Internet technology， it is widely used to display and operate mechanical product assembly models on web browser. For application needs， this paper proposes a browser-based virtual assembly display method for mechanical products by using emerging WebGL （Web Graphics Library） technology. By loading the server-side STL （Stereolithography） triangular mesh assembly model， the assembly constraint relationship is automatically reconstructed. Assembly component navigation is realized on the browser based on WebGL. Assembly explosion diagram based on assembly constraint relationship is automatically generated and displayed. The feasibility of the method is verified by the experiment of display system with the first-stage reducer as an example.
Keywords： WebGL; three-dimensional assembly; assembly display; assembly constraints
1 ? 引言（Introduction）
機械產(chǎn)品一般由眾多零部件組成，新產(chǎn)品的推廣、用戶的產(chǎn)品體驗、產(chǎn)品的維護和維修等應(yīng)用都需要產(chǎn)品裝配的三維展示，例如，產(chǎn)品的高質(zhì)量渲染、裝配爆炸、裝配拆卸等。傳統(tǒng)的基于計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）模型的裝配展示需要安裝復(fù)雜的CAD軟件系統(tǒng)，操作復(fù)雜，成本高昂。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在各個行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，如果僅僅通過瀏覽器就可以展示和操作復(fù)雜的機械產(chǎn)品，用戶在客戶端便可體會到定制產(chǎn)品逼真的3D效果，將會促進用戶與產(chǎn)品的交互，大大方便和促進產(chǎn)品三維數(shù)字化展示和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的應(yīng)用。
近年來，HTML5融合WebGL為瀏覽器提供了一個硬件3D加速渲染功能，從而借助系統(tǒng)顯卡在瀏覽器里流暢地展示3D場景和模型，可以創(chuàng)建復(fù)雜的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)視覺化[1-2]，為瀏覽器展示和操作復(fù)雜機械產(chǎn)品三維裝配提供了支撐。為此，國內(nèi)外學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界開展了大量的相關(guān)研究，戴秀海等[3]采用WebGL中的Three.js開發(fā)了一個鍍膜機展示平臺，但只能提供產(chǎn)品的三維渲染顯示;姚震等[4]也采用Three.js（3D引擎）開展了機械產(chǎn)品三維展示的研究，主要完成了場景的配置和三維模型的導(dǎo)入;SUN等[5]基于WebGL技術(shù)開發(fā)了一個輕量級的跨平臺鑄造Web3D系統(tǒng)。實際上，WebGL技術(shù)在建筑、地理信息系統(tǒng)取得了更成功的應(yīng)用，ZHOU等[6]基于WebGL開放一個開放式建筑管理信息跨平臺在線可視化系統(tǒng)。WebGL為瀏覽器顯示高質(zhì)量三維模型提供支撐，但是對于由眾多零部件組成的機械產(chǎn)品開展更深入的應(yīng)用，需要有產(chǎn)品的裝配模型，包括零部件的層次組成、零部件之間的裝配約束關(guān)系和各種物理約束關(guān)系等。一個復(fù)雜機械產(chǎn)品的數(shù)字化裝配模型，包括幾何模型十分復(fù)雜，需要功能強大的CAD造型設(shè)計軟件來完成，但不同的CAD軟件都采用各自的模型存儲格式，一般提供較低級的邊界幾何信息。因此需要對CAD軟件完成的裝配模型進行重構(gòu)，構(gòu)建出產(chǎn)品的裝配模型，才能更好地開展各種深入的應(yīng)用。
本文針對機械產(chǎn)品三維展示需求和特點，基于WebGL技術(shù)研究了一個基于瀏覽器的機械產(chǎn)品裝配三維展示方法，通過對CAD軟件提供的裝配模型STL幾何數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和裝配約束關(guān)系的自動識別，重構(gòu)出原產(chǎn)品裝配模型，在瀏覽器上實現(xiàn)了機械產(chǎn)品裝配的三維虛擬展示，包括模型的材質(zhì)渲染、裝配爆炸、零件拆裝、零件導(dǎo)航等功能，從而使用戶在客戶端便可體會到定制產(chǎn)品逼真的3D效果。
2 ? 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計（System architecture design）
2.1 ? 應(yīng)用需求分析
系統(tǒng)的創(chuàng)建用于實現(xiàn)在瀏覽器上展示和操作服務(wù)端的機械產(chǎn)品模型，目前應(yīng)用主要需要實現(xiàn)以下功能：
（1）產(chǎn)品三維模型展示
三維模型展示是指在瀏覽器上無插件加載服務(wù)端的產(chǎn)品三維模型，對產(chǎn)品進行真實感光照渲染、材質(zhì)渲染和各種旋轉(zhuǎn)、縮放變換操作等。此外還需要對模型進行各種交互操作，例如，零件的選擇、零件選擇導(dǎo)航操作等。因此，瀏覽器要能夠加載產(chǎn)品幾何模型，具備渲染、光照和視點變換的場景功能。
（2）產(chǎn)品虛擬裝配展示
產(chǎn)品裝配是將眾多零部件通過裝配約束方式結(jié)合在一起，對產(chǎn)品虛擬裝配展示的主要方式有裝配爆炸、裝配拆卸等，需要模擬真實零部件狀況，零件移動和旋轉(zhuǎn)時的干涉檢查是必需的。
2.2 ? 系統(tǒng)總體架構(gòu)
本文根據(jù)上述應(yīng)用需求分析，基于WebGL技術(shù)，提出如圖1所示系統(tǒng)總體架構(gòu)。
系統(tǒng)架構(gòu)分為如下兩大部分：
（1）瀏覽器客戶端
在瀏覽器客戶端采用WebGL的第三方庫Three.js創(chuàng)建三維展示場景，加載產(chǎn)品三維模型文件，并為后續(xù)裝配展示提供基礎(chǔ)。瀏覽器客戶端主要包括HTML5、層疊樣式表（Cascading Style Sheets，CSS）、JavaScript、Three.js及重構(gòu)的產(chǎn)品裝配模型，基于JavaScript語言及Three.js在VS Code（Visual Studio Code）開發(fā)平臺實現(xiàn)。
在瀏覽器客戶端基于JavaScript中的樹形組件tree及raycaster射線構(gòu)建產(chǎn)品零部件導(dǎo)航界面，并通過Three.js中的相機控件實現(xiàn)對產(chǎn)品的移動、旋轉(zhuǎn)、拆裝等交互操作。
（2）產(chǎn)品模型服務(wù)端
要展示的機械產(chǎn)品裝配模型通常放在服務(wù)端。產(chǎn)品裝配模型十分復(fù)雜，一般通過CAD建模軟件設(shè)計完成，不同CAD建模軟件以不同的裝配模型格式存儲。Three.js提供一個加載STL文件功能，而STL格式文件是將零件幾何模型以三角面的形式進行描述，即一個STL文件是由一組無序的三角面組成的。STL格式在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用，主流CAD建模軟件都能將幾何模型生成STL格式文件。本文將要展示的產(chǎn)品裝配模型按照STL格式存儲在服務(wù)端，客戶端通過資源定位器就可以加載到瀏覽器上展示。
2.3 ? 基于瀏覽器的三維場景
本文通過WebGL的第三方庫Three.js構(gòu)建虛擬裝配展示系統(tǒng)，包括渲染器、場景、相機、光源等的設(shè)置[7]。
（1）渲染器設(shè)置
采用Three.js中的WebGLRenderer渲染器進行場景渲染，它通過HTML5中的
（2）場景設(shè)置
場景是一個3D空間，用來放置物體、相機及燈光。在Three.js中，場景用THREE.Scene表示。
（3）相機設(shè)置
為了保證機械產(chǎn)品模型展示的真實性，采用透視相機（PerspectiveCamera）。它采用的是透視投影，視景體為錐臺形區(qū)域，投射結(jié)果與幾何體角度和距離有關(guān)，會產(chǎn)生“近大遠小”的效果。
同時，為了保證加載模型能夠居中渲染，需要借助相機對象的LookAT（）方法實現(xiàn)，即借助包圍盒BOX3計算模型幾何中心在Three.js坐標中的世界坐標，并將該坐標作為LookAT（）的參數(shù)。
（4）光源設(shè)置
為了保證較好的渲染效果，便于后續(xù)模型放大、縮小、旋轉(zhuǎn)時更好地顯示模型，需要多種光源配合，因此采用兩種點光源（PointLight）和環(huán)境光源（AmbientLight）配合的方法。
2.4 ? 產(chǎn)品三維裝配模型創(chuàng)建
Three.js中包含多種二維及三維網(wǎng)格對象，提供創(chuàng)建簡單幾何體及高級幾何體的方法，可以直接創(chuàng)建三維模型，但是相對機械產(chǎn)品復(fù)雜模型，其功能是遠遠不夠的，必須借助CAD造型軟件系統(tǒng)。另一方面，Three.js支持加載STL、OBJ、FBX等多種格式的三維模型文件，可以直接加載外部模型，目前主流的CAD造型軟件都能生成STL格式文件。因此，本文基于三維建模軟件SolidWorks對機械產(chǎn)品裝配模型進行建模，并導(dǎo)出STL格式的文件。
3 ?產(chǎn)品三維裝配展示模型（3D assembly display model of the product）
3.1 ? 產(chǎn)品三維裝配模型設(shè)計
要實現(xiàn)上述產(chǎn)品裝配展示的應(yīng)用需求，在客戶端必須要構(gòu)建一個產(chǎn)品三維裝配模型。產(chǎn)品裝配模型是對裝配零部件信息的描述，主要包括裝配體單元組成的層次關(guān)系表達、裝配零件、部件的裝配定位及約束關(guān)系表達、各種裝配特征的表達等。本文采用如圖2所示的裝配模型，產(chǎn)品裝配由零件、子裝配通過裝配約束關(guān)系形成的一個層次裝配結(jié)構(gòu)樹。零件模型由零件名稱、零件屬性和一組來自STL文件的三角面表示的幾何邊界來描述。
零件在裝配中的位置和姿態(tài)是通過裝配約束實現(xiàn)的，即裝配零件之間存在一個裝配約束關(guān)系。本文采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)定義的部分裝配約束關(guān)系如圖3所示。“裝配約束”類是裝配約束關(guān)系的基類，下面派生出“同軸約束”類、“共面約束”類、“相切約束”類等，“共面約束”類又可以派生出“同向共面”類和“反向共面”類。在“裝配約束”類中設(shè)立“參考零件”對象、“被約束零件”對象、“參考約束面”對象、“被約束面”對象和“約束參數(shù)”對象等屬性。
3.2 ? 產(chǎn)品三維裝配模型重構(gòu)
由于CAD裝配模型轉(zhuǎn)換為STL格式文件后，原有的裝配模型信息和邊界模型幾何信息丟失，轉(zhuǎn)換為一組三角面集，要構(gòu)造上述產(chǎn)品三維裝配模型需要從這些三角面模型中進行重構(gòu)。自動重構(gòu)過程如圖4所示。
重構(gòu)過程主要有三個步驟：一是加載STL格式三維模型文件，使用Three.js中的STLLoader對象將STL三角面文件轉(zhuǎn)入系統(tǒng)場景中，同時對文件進行MeshLambertMaterial材質(zhì)設(shè)置，完成對模型文件的加載;二是完成對加載STL三角面的拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，方便對三角面進行各種幾何和查詢操作，形成一個零件幾何邊界;三是在所有STL文件加載、零件構(gòu)造完成后，通過零件之間的位置和姿態(tài)識別零件之間的裝配約束關(guān)系。第二個和第三個步驟將在下節(jié)介紹。
圖5是一個減速器產(chǎn)品三維裝配模型通過本文方法重構(gòu)后裝配模型實例。
4 ?產(chǎn)品裝配約束關(guān)系自動重構(gòu)（Automatic reconstruction of product assembly constraint relationship）
4.1 ? 三角網(wǎng)格拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重構(gòu)
如前面所述，STL文件是一組獨立三角面的集合。一個三角面由三個頂點和一個面法矢量組成，相鄰三角面沒有任何拓撲關(guān)系，并且存在大量重復(fù)頂點，因此非常有必要開展三角網(wǎng)格拓撲數(shù)據(jù)重構(gòu)。
拓撲重構(gòu)主要包括兩個部分工作：一是進行冗余頂點剔除;二是創(chuàng)建三角網(wǎng)格拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即構(gòu)建三角網(wǎng)格面與相鄰面之間、三角面與邊之間、邊與頂點之間的拓撲關(guān)系?；谠撏負潢P(guān)系可以實現(xiàn)對三角面進行鄰域搜索和幾何操作。
目前關(guān)于三角網(wǎng)格拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)開展了大量的研究，典型的拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是半邊結(jié)構(gòu)。文獻[8]提出一個采用半邊編碼的緊湊三角網(wǎng)格拓撲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，三角網(wǎng)格的幾何信息通過頂點和三角面描述，拓撲信息隱含在半邊信息中，半邊信息編碼為一個無符號長整型數(shù)，消耗內(nèi)存少。
本文采用JavaScript編程，基于文獻[8]給出的重構(gòu)算法，實現(xiàn)三角網(wǎng)格拓撲數(shù)據(jù)重構(gòu)。從零件三角網(wǎng)格邊界中，已知一個三角面，就可以很快地遍歷所有其他三角面;如果已知一條邊，就可遍歷三角面的所有其他的邊;不需要條件判斷完成一環(huán)鄰域直接查詢，為后續(xù)裝配約束關(guān)系重構(gòu)打下了基礎(chǔ)。
4.2 ? 裝配約束關(guān)系自動識別
完成STL零件模型的拓撲重構(gòu)后，即可得到一個由三角面組成的零件幾何邊界，但以前的零件裝配信息丟失，需要根據(jù)零件的幾何位置和姿態(tài)，對裝配約束關(guān)系自動識別，重構(gòu)其裝配約束關(guān)系。裝配約束關(guān)系自動識別主要步驟如下：
（1）兩個零件包圍盒檢查
零件包圍盒是一個包容零件三角面幾何邊界的最小六面體，可以通過對零件三角面的三維頂點求最大最小獲取。設(shè)零件A的最小包圍盒為Amin，零件B的最小包圍盒為Bmin，則如果Amin∩Bmin=0，表明零件A和零件B可能有交集，即可能存在裝配約束關(guān)系，轉(zhuǎn)到下一步進行檢測。
（2）零件三角面的面面檢測
對存在邊界交集的兩個零件開展三角面的面面檢測。檢測基本方法是任取零件A的一個三角面，與零件B上所有三角面進行面接觸檢測，主要步驟如下：
Step 1：計算兩個三角面夾角。由于每個三角面都保存有面法向量，采用夾角公式計算，如果夾角值，表明兩個三角面是同向平行;如果，表明兩個三角面是反向平行（是設(shè)定的最小閾值）。
Step 2：計算兩個平行三角面距離。如果距離，表明兩個三角面相接觸，再通過三角面拓撲關(guān)系進行鄰域搜索;如果還存在一個相鄰三角面相接觸，表明兩個零件存在共面約束，再進一步判斷是同向共面、反向共面還是同軸關(guān)系。
（3）同軸關(guān)系判定
如果相鄰三角面存在共面約束，同時計算與相鄰面之間的兩面夾角。由于三角網(wǎng)格在近似表示曲面時存在一個舍入誤差，當誤差足夠小時，此時則代表平面。此外，假設(shè)二面角存在一個最大值，當大于這個值時，則兩鄰接面是不同的幾何面[9-10]。因此，兩鄰接面關(guān)系主要有如表1所示三種情況。
根據(jù)表1推斷出一個三角面與三個鄰接面的關(guān)系，存在兩個以上的三角面共面時，即可確定為在一個平面上，然后通過遞歸鄰域搜索屬于同一平面的其他三角面，從而確定整個平面。
當一個三角面的三個鄰接面存在至少一個屬于曲面部分，則將它們作為曲面的候選三角面，然后比較它們的尺寸，當它們的尺寸大小基本相同時，通過判斷圓柱軸線方向的方法來判斷是否為曲面，即將其假設(shè)為圓柱表面的一部分，求得圓柱體軸線的方向，再檢查圓柱軸線與下一個三角面法向量的垂直度，從而識別圓柱表面。識別圓柱表面后，同樣通過遞歸鄰域搜索到同屬于圓柱表面的其他三角面，進而確定兩圓柱的軸線位置，計算兩零件圓柱面軸線夾角，當或時，此時兩零件同軸。
5 ?產(chǎn)品三維裝配展示（3D assembly display of the product）
基于上述工作，本文在谷歌瀏覽器上開展了機械產(chǎn)品三維虛擬裝配展示實驗，由于篇幅所限，下面僅介紹兩項產(chǎn)品裝配展示方法。
5.1 ? 產(chǎn)品零部件導(dǎo)航
為了方便用戶更好地在瀏覽器界面下查找裝配模型中的各個零件，在瀏覽器左側(cè)基于JavaScript中的樹形組件tree構(gòu)建產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹，如果選擇一個零件名稱，相應(yīng)地在裝配展示區(qū)，該零件高亮顯示。
在產(chǎn)品裝配模型中，每個零件幾何邊界是通過加載服務(wù)端的STL文件生成的，加載的STL文件名就是構(gòu)造裝配模型中的零件名。獲取了裝配樹中點擊的零件名稱，就可以通過裝配模型搜索到對應(yīng)零件的幾何邊界。如圖6所示，在左側(cè)結(jié)構(gòu)樹中選擇減速器箱座時，相應(yīng)地在裝配展示區(qū)，減速器箱座高亮顯示。
相應(yīng)地在裝配展示區(qū)，鼠標在模型中移動時，鼠標光標所接觸的零件也會高亮顯示。其基本原理是在鼠標移動光標位置處構(gòu)造一條raycaster射線，計算鼠標所經(jīng)過的3D空間的對象是否被射線擊中，從而返回被擊中的零件對象，完成零件的選中。拾取流程包括三個步驟：
Step 1：坐標轉(zhuǎn)換。將所選零件的屏幕坐標轉(zhuǎn)為WebGL標準設(shè)備坐標。
Step 2：射線計算。通過選中零件位置與相機參數(shù)來計算射線位置。
Step 3：射線交叉計算。通過intersectObjects（）計算出與射線相交的網(wǎng)格模型，實現(xiàn)對展示區(qū)零件的選中。
5.2 ? 產(chǎn)品裝配爆炸圖展示
復(fù)雜的機械產(chǎn)品通常包含大量零部件，為了揭示和分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表達零部件間的相對空間位置關(guān)系，需要將裝配體中的零部件按照指定的次序、方向和距離相互分離，這種視圖稱為爆炸圖或爆炸視圖。爆炸圖可清晰地展示裝配體中所有零部件之間的相互配合、連接關(guān)系等。
目前關(guān)于裝配爆炸圖的生成有大量的研究，主要有自動生成方法和交互手工生成方法。本文在上述裝配約束關(guān)系重構(gòu)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了產(chǎn)品裝配爆炸圖自動生成及展示，主要實現(xiàn)步驟如下：
Step 1：沿坐標軸方向設(shè)立六個爆炸方向：-x，x，-y，y，-z，z。
Step 2：搜索裝配約束關(guān)系模型。對具有反向共面約束的零件，按照其約束參考面法向收集到不同爆炸方向設(shè)定的爆炸序列中。例如，零件A反向共面約束到零件B上，A是約束零件，B是參考零件，B上共面的面為參考面，如果該面法向是x軸正向，則零件A被收集到正x軸方向爆炸排序隊列中。
Step 3：對六個爆炸方向的爆炸排序隊列重新進行排序。每個排序零件都設(shè)置一個初始值為零的約束度，如果該零件被約束關(guān)系每引入一次參考零件，則該零件的約束度加1;約束度最小，同時離垂直坐標平面距離最遠的零件先進入排序隊列。
Step 4：對六個爆炸排序隊列里零件爆炸平移變換。計算裝配包圍盒，確定爆炸距離;按照隊列先進先出原則，按照計算設(shè)定的爆炸距離平移變換爆炸零件。
圖7給出一個在谷歌瀏覽器下生成的減速器裝配爆炸圖。
6 ? 結(jié)論（Conclusion）
通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將服務(wù)端的機械產(chǎn)品三維CAD數(shù)字化模型在客戶端瀏覽器上進行裝配展示，對促進產(chǎn)品的數(shù)字化推廣和服務(wù)具有重要意義。本文基于WebGL技術(shù)，開展了機械產(chǎn)品虛擬裝配展示技術(shù)的研究，對裝配展示技術(shù)架構(gòu)進行了設(shè)計，采用第三方庫Three.js創(chuàng)建虛擬展示場景，對裝配模型的STL文件進行裝配模型及裝配約束關(guān)系的自動重構(gòu)，初步實現(xiàn)了一個基于客戶端瀏覽器的機械產(chǎn)品裝配展示，包括裝配模型零件導(dǎo)航及交互、裝配爆炸圖展示等功能。實驗表明，本文提出的方法是可行的，基于WebGL技術(shù)可以構(gòu)建功能強大的裝配模型虛擬展示平臺，使得用戶在瀏覽器中無須安裝插件即可瀏覽和操作產(chǎn)品裝配數(shù)字模型，大大促進了產(chǎn)品三維數(shù)字化展示和互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的應(yīng)用。
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作者簡介：
韓欣雨（1996-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：基于WebGL機械產(chǎn)品虛擬裝配展示.
張應(yīng)中（1961-），男，博士，教授.研究領(lǐng)域：產(chǎn)品智能幾何建模與特征建模，工程語義信息的知識表示與處理，可持續(xù)（綠色）設(shè)計與制造.
