機(jī)械手表虛擬裝配系統(tǒng)的開發(fā)*

李亞東 ， 譚桂玲

（天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

0 引言

機(jī)械手表作為精密機(jī)械計(jì)時(shí)儀器和裝飾用品，實(shí)用性和裝飾性是必須要具備的。機(jī)械手表應(yīng)當(dāng)走時(shí)準(zhǔn)確、使用方便、工藝精細(xì)、外表美觀和經(jīng)久耐用，連續(xù)走時(shí)時(shí)間大于36 h，一些表還具有防水、防震、防磁性的功能。機(jī)械手表從簡單三針系列到世界三大復(fù)雜手表陀飛輪、三問和萬年歷系列，其零件數(shù)量為60～650件，表盤直徑25 mm～50 mm，機(jī)芯厚度1.64 mm～12 mm。由于機(jī)械手表零件數(shù)量多、尺寸非常小、工藝復(fù)雜和零部件容易損壞等特點(diǎn)，導(dǎo)致在實(shí)際培訓(xùn)或教學(xué)裝配中，出現(xiàn)裝配工藝難理解、零部件結(jié)構(gòu)難觀察、零部件損壞率高的問題，很難提高裝配質(zhì)量和教學(xué)質(zhì)量。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是將人們的想象力和科學(xué)技術(shù)結(jié)合到了一起，讓想法變成“現(xiàn)實(shí)”。這種身臨其境的感覺帶給人們前所未有的體驗(yàn)，人們不僅能看到虛擬的世界，還可以通過一些交互方式與虛擬世界中的物品進(jìn)行互動[1]。從應(yīng)用角度來看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的含義體現(xiàn)在桌面、硬件設(shè)施、存儲以及網(wǎng)絡(luò)四方面的虛擬化[2]。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對夾具三維模型進(jìn)行預(yù)裝配，可驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，以檢驗(yàn)夾具各元件的可裝配性[3]。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、娛樂、軍事、航天、建筑等領(lǐng)域。EON Studio 是美國某公司開發(fā)的專業(yè)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，具有操作界面智能、節(jié)點(diǎn)功能豐富、模擬程序文件小、交互性好等優(yōu)點(diǎn)。EON Studio 應(yīng)用程序也可以與其他支持微軟ActiveX控件工具相結(jié)合，如Visual Basic[4]。利用Visual Basic中類的成員函數(shù)完成應(yīng)用程序?qū)ON Studio模擬程序的加載，達(dá)到實(shí)時(shí)交互的目的。

虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要組成部分，主要包括面型裝配特征的建模技術(shù)、模型仿真技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)等，虛擬裝配可以提前驗(yàn)證設(shè)計(jì)和裝配過程的合理性，并記錄整個(gè)裝配路徑，生成裝配過程報(bào)告[5]。若將VR技術(shù)和高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，創(chuàng)建虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的，這種新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，有利于提高實(shí)踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，適應(yīng)發(fā)展對人才培養(yǎng)的新要求[6]。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能和設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如下：首先，利用SolidWorks三維建模軟件建立三維模型；其次，將建立的三維模型導(dǎo)入到EON Studio虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中進(jìn)行設(shè)置，利用功能節(jié)點(diǎn)的模擬樹（Simulation Tree）中階層的安排和節(jié)點(diǎn)屬性的設(shè)置，以及在流程控制視窗（Routes：Simulation）中邏輯關(guān)系的確定來實(shí)現(xiàn)功能節(jié)點(diǎn)間的互動；最后，利用Visual Basic為集成工具進(jìn)行系統(tǒng)登錄界面和系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)Visual Basic應(yīng)用程序?qū)ON Studio模擬程序的加載，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)械手表虛擬裝配仿真系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)方案的框架流程圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案框架流程圖

2 虛擬裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 三維模型的建立與導(dǎo)入

利用SolidWorks三維建模軟件建立前閥部分柄頭、柄軸、離合輪、定檔簧、離合桿、拉檔、拉檔釘和拉檔軸等零件的三維實(shí)體靜態(tài)模型，按照裝配規(guī)劃序列先組裝柄頭部件、拉檔部件和離合桿部件等部件，再組裝前閥部分三維組件模型，并對模型進(jìn)行材質(zhì)、燈光渲染，增強(qiáng)模型在虛擬環(huán)境中的真實(shí)感。

在EON Studio虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，將Frame節(jié)點(diǎn)拖到Simulation Tree中的Scene之下，利用EON Studio中自帶的SolidWorks插件將前閥部分三維模型導(dǎo)入Frame節(jié)點(diǎn)下，通過設(shè)置Qianfabufen.SLDASM的Property Bar中Scale和Orientation的參數(shù)調(diào)整模型在EON Studio中的狀態(tài)。在導(dǎo)入過程中，軟件會對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理并重新計(jì)算，模型數(shù)據(jù)量會變小，模擬樹視窗中自動生成一個(gè)默認(rèn)的模型層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。為了便于后續(xù)的人機(jī)交互開發(fā)和運(yùn)動控制，需要根據(jù)交互和運(yùn)動控制的需求，重新構(gòu)建復(fù)合邏輯的前閥部分虛擬模型的層次數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對每個(gè)模型的從屬關(guān)系與父子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定。

2.2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

EON主要是利用樹狀層次進(jìn)行動作的編排，利用母節(jié)點(diǎn)控制子節(jié)點(diǎn)的所有屬性來改變子節(jié)點(diǎn)的移動、旋轉(zhuǎn)、放大、隱藏、上色[7]。在虛擬環(huán)境中人與零部件之間的交互設(shè)計(jì)是通過傳感器觸發(fā)、路由機(jī)制和事件驅(qū)動等組成[8]。在EON Studio中常用的傳感器節(jié)點(diǎn)有ClickSensor、MouseSensor、TouchSensor和KeyboardSensor，常用的圖形用戶界面控制觸發(fā)節(jié)點(diǎn)有2D Text2和2D Image2。功能節(jié)點(diǎn)間通過事件輸出收送區(qū)域EvenOut接口和事件輸入收送區(qū)域EvenIn接口，進(jìn)行邏輯連線的路由機(jī)制驅(qū)動節(jié)點(diǎn)之間的消息傳遞。在EON Studio中常用的運(yùn)動控制節(jié)點(diǎn)有Place、Rotate、Motion和Position等[9-10]。

當(dāng)鼠標(biāo)按下或彈起時(shí)，觸發(fā)OnButtonDown或OnButtonUp信號，由2D Text2節(jié)點(diǎn)將信號傳遞給控制節(jié)點(diǎn)Place，Place節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置x、y、z來控制零部件沿x、y、z三維坐標(biāo)方向上的移動，設(shè)置h、p、r來控制零部件沿x、y、z三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的角度。前閥部分人機(jī)交互設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)Place的運(yùn)動僅限于父親節(jié)點(diǎn)下的其他兄弟節(jié)點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)對前閥部分每個(gè)模型的從屬關(guān)系與父子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定，例如，在拆卸拉檔部件的步驟中，運(yùn)動節(jié)點(diǎn)應(yīng)在拉檔部件模型下，確保拉檔、拉檔軸和拉檔釘一起運(yùn)動。為了確保前一個(gè)零部件裝配完成之后下一個(gè)零部件才能進(jìn)行裝配，必須讓前一個(gè)零部件Place節(jié)點(diǎn)EvenOut接口的OnRunFalse與后一個(gè)零部件Place節(jié)點(diǎn)EvenIn接口的SetRun連接。利用Script節(jié)點(diǎn)支持的VBScript或JavaScript編寫相關(guān)功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜運(yùn)動的控制。

以前閥部分自動拆卸為例：1）進(jìn)行Place節(jié)點(diǎn)分配，將GUIControls中2D Text2節(jié)點(diǎn)拖到Scene之下，將Agent Nodes中Place節(jié)點(diǎn)拖到qianfabufen.SLDASM中離合輪部件、柄頭部件、離合桿簧、離合輪部件、拉檔部件、離合桿壓片、定檔簧和撥針輪零部件之下，為了對部件進(jìn)行進(jìn)一步的觀察，那么要對部件再次進(jìn)行拆卸，需要將Place節(jié)點(diǎn)拖到相應(yīng)零件之下，例如，分別將Place節(jié)點(diǎn)拖到拉檔軸和拉檔釘零件之下。2）對Place節(jié)點(diǎn)中Movement、Time to move、Type和Active進(jìn)行設(shè)置，Movement是對零部件沿x、y、z三維坐標(biāo)方向上的移動距離和沿x、y、z三個(gè)軸旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行設(shè)置，Time to move是對零部件的移動速度或旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行設(shè)置，Type是對零部件相對或絕對的形式進(jìn)行設(shè)置，本研究選擇相對移動或旋轉(zhuǎn)形式，Active是對進(jìn)入程序模擬時(shí)是否自動激活進(jìn)行選擇，本研究選擇不激活。3）設(shè)置邏輯關(guān)系及串聯(lián)和并聯(lián)方式的選擇，將2D Text2節(jié)點(diǎn)和Place節(jié)點(diǎn)拖到Routes：Simulation窗口中進(jìn)行邏輯關(guān)系設(shè)置，有以下兩種：一種是串聯(lián)方式的選擇，為了確保前一個(gè)零部件裝配完成之后下一個(gè)零部件才能進(jìn)行裝配，必須讓前一個(gè)零部件Place節(jié)點(diǎn)輸出三角形OnRunFalse與后一個(gè)零部件Place節(jié)點(diǎn)輸入圓形SetRun連接，例如，離合桿壓片拆卸之后才能拆卸拉檔部件，則離合桿壓片Place節(jié)點(diǎn)輸出三角形的OnRunFalse應(yīng)當(dāng)與拉檔部件Place節(jié)點(diǎn)輸入圓形SetRun連接。一種是并聯(lián)方式的選擇，拉檔部件移動之后需要對拉檔和拉檔釘進(jìn)行觀察，需要將拉檔和拉檔釘并聯(lián)在拉檔部件之后，即拉檔部件Place節(jié)點(diǎn)輸出的三角形OnRunFalse應(yīng)當(dāng)分別與拉檔和拉檔釘零件Place節(jié)點(diǎn)輸入的圓形SetRun連接。前閥部分自動拆卸各節(jié)點(diǎn)邏輯關(guān)系設(shè)置如圖3所示。

圖3 邏輯關(guān)系設(shè)置

機(jī)械手表的裝配，不僅有一個(gè)順序問題，而且每一步裝配都必須按照裝配工藝規(guī)定操作，來保證各部分的裝配質(zhì)量，以便通過綜合檢驗(yàn)和調(diào)試來確保手表走時(shí)準(zhǔn)確、工作可靠，且外觀符合要求。為了有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者科學(xué)的操作方法，既提高產(chǎn)量又保證質(zhì)量，按照裝配規(guī)劃序列設(shè)置ToolTip節(jié)點(diǎn)，當(dāng)鼠標(biāo)移動到相應(yīng)零部件表面并單擊時(shí)，則自動顯示對該零部件的裝配工藝要求。設(shè)置ClickSensor屬性，勾選Change cursor when clickable方框，在手動裝配過程中當(dāng)鼠標(biāo)移動到相應(yīng)零部件位置時(shí)鼠標(biāo)顯示方式發(fā)生改變，提示可以裝配此零部件，并從Click button中Left、Middle、Right和None之間選擇一種。設(shè)置Place節(jié)點(diǎn)各項(xiàng)參數(shù)與自動裝配中保持一致。設(shè)置ToolTip屬性，在Enter ToolTip Text below方框中輸入相應(yīng)零部件的名稱、裝配要求和注意事項(xiàng)等裝配工藝要求，勾選Change cursor when clickable方框和Click to display方框，當(dāng)鼠標(biāo)移動到相應(yīng)零部件表面并單擊時(shí)則顯示對該零部件的裝配工藝要求，在Routes：Simulation窗口中進(jìn)行手動裝配工藝模塊邏輯關(guān)系設(shè)置。

2.3 碰撞檢測

在虛擬環(huán)境中，碰撞檢測是機(jī)械手表虛擬裝配仿真系統(tǒng)研究的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為使零部件在模擬過程更加符合真實(shí)情況，模型間不能發(fā)生穿透現(xiàn)象，在虛擬裝配系統(tǒng)中添加實(shí)時(shí)碰撞檢測。在EON Studio中，利用CollisionObject節(jié)點(diǎn)，將需要進(jìn)行碰撞檢測的零部件Copy as Link到CollisionObject節(jié)點(diǎn)下，并利用ColorCode3DMaterial和DirectSound節(jié)點(diǎn)，設(shè)置相關(guān)屬性，當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)產(chǎn)生顏色變化和真實(shí)聲音。

3 Visual Basic集成虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

以Visual Basic為開發(fā)工具集成機(jī)械手表虛擬裝配仿真系統(tǒng)時(shí)，EON Studio提供了一個(gè)EonX的Active控件，EonX 控件具有一系列的屬性、方法、事件，當(dāng)把EonX控件添加到VB應(yīng)用程序中時(shí)，其封裝的類也同時(shí)添加上了，這時(shí)就可以方便地調(diào)用該類的成員函數(shù)與VB應(yīng)用程序進(jìn)行通信了[7-8]。例如，針對本研究集成系統(tǒng)而言，首先將EonX控件添加到VB應(yīng)用程序中，然后利用VB語言開發(fā)環(huán)境中的Label控件、TextBox控件和CommandButton控件，設(shè)置好控件的屬性之后，編寫程序代碼來實(shí)現(xiàn)各控件的響應(yīng)事件系統(tǒng)登錄程序設(shè)計(jì)，最后利用AxControl2類的成員函數(shù)完成應(yīng)用程序?qū)ON模擬程序的加載，達(dá)到實(shí)時(shí)交互的目的。

系統(tǒng)登錄程序的功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶在用戶名和密碼都輸入正確時(shí)，點(diǎn)擊登錄按鈕就可以進(jìn)入機(jī)械手表裝配系統(tǒng)主界面，若輸入錯(cuò)誤則提示聯(lián)系程序員，點(diǎn)擊取消按鈕則退出本系統(tǒng)的學(xué)習(xí)。

系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)部分程序如圖4所示，其程序的功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)用戶點(diǎn)擊機(jī)械手表前閥部分、能源裝置、傳動輪系、擒縱機(jī)構(gòu)、振動系統(tǒng)、附加機(jī)構(gòu)、整只機(jī)芯和成表總裝共八大部分任一部分的按鈕時(shí)，系統(tǒng)就會完成對EON Studio模擬程序的加載。例如，點(diǎn)擊前閥部分，就會加載前閥部分自動裝配模塊、自動拆卸模塊、運(yùn)動仿真模塊、裝配工藝模塊和點(diǎn)油要求模塊共五大模塊的內(nèi)容。本系統(tǒng)八大部分主界面設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)程序

圖5 系統(tǒng)主界面

4 結(jié)束語

本研究利用SolidWorks三維建模軟件對機(jī)械手表前閥部分、能源裝置、傳動輪系、擒縱機(jī)構(gòu)、振動系統(tǒng)、附加機(jī)構(gòu)、整只機(jī)芯和成表總裝八大部分零部件進(jìn)行建模、渲染和規(guī)劃，基于EON Studio虛擬仿真平臺對機(jī)械手表每一部分的自動裝配、自動拆卸、運(yùn)動仿真、裝配工藝和點(diǎn)油要求五個(gè)模塊進(jìn)行虛擬裝配的人機(jī)交互設(shè)計(jì)、運(yùn)動控制和碰撞檢測，運(yùn)用Visual Basic設(shè)計(jì)系統(tǒng)登錄界面和主界面，實(shí)現(xiàn)Visual Basic應(yīng)用程序?qū)ON Studio模擬程序的加載，集成機(jī)械手表八大組成部分，構(gòu)成一個(gè)完整的機(jī)械手表虛擬裝配仿真系統(tǒng)。該機(jī)械手表虛擬裝配系統(tǒng)對促進(jìn)實(shí)際機(jī)械手表裝配與維修培訓(xùn)或教學(xué)具有重要的指導(dǎo)意義，降低了培訓(xùn)或教學(xué)成本，大幅提高了學(xué)員學(xué)習(xí)效率，切實(shí)提高了裝配與維修質(zhì)量，極大地降低了手表零部件損壞程度。