1 引言

“虛擬裝配”(Virtual Assembly)是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬現(xiàn)實領域中得到了廣泛的應用研究。通常有兩種定義：一是虛擬裝配是一種零件模型按約束關系進行重新定位的過程， 是有效分析產(chǎn)品設計合理性的一種手段。該定義強調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進在裝配過程中人的裝配知識無法運用等缺點。

2 設計思想

復雜機械設備的虛擬裝配設計與實現(xiàn)為設計者提供了視、聽、觸覺一體化的設計環(huán)境，也為產(chǎn)品裝配性分析提供了新的手段，虛擬裝配已成為虛擬設計領域中的重要研究方向。虛擬裝配一方面可以避免傳統(tǒng)人工裝配中對實際產(chǎn)品操作的弊端，同時又可以避免自動裝配中操作困難以及作業(yè)時的交互等。

虛擬裝配， 由于時空觀念的超越，會出現(xiàn)一些新的特點，要解決的技術(shù)問題，主要有如下幾點。

2．1 虛擬裝配環(huán)境的構(gòu)筑

虛擬環(huán)境的描述與管理，動作檢測子系統(tǒng)和感覺信息合成子系統(tǒng)的因果關系處理，虛擬世界的事件控制，感覺信息的綜合以及輸入、輸出驅(qū)動規(guī)則等。

2．2 裝配過程的力作用機理分析

裝配過程實質(zhì)上是用力學方法不斷地變化、調(diào)整由于多個物體的接觸而引起的約束關系的過程。由于這一過程呈現(xiàn)出很強的非線性和瞬態(tài)性，因此分析難度很大。在虛擬環(huán)境中，把微觀接觸狀態(tài)展現(xiàn)到宏觀世界，把瞬態(tài)接觸延續(xù)為虛擬空間中的“慢動作”，在賦予裝配零件機械物理特性的條件下進行裝配過程力作用機理分析。為了直觀形象，可以對分析數(shù)據(jù)進行可視化處理。

2．3 自動裝配規(guī)劃的生成

裝配規(guī)劃就是以某種評價標準，按照一定的算法，尋求一條最優(yōu)的零件裝配順序序列，實際上是最優(yōu)化問題。在虛擬環(huán)境下，應該重點解決：如何更形象地表現(xiàn)裝配規(guī)劃過程中信息流的動態(tài)流動和可視化；如何在搜索過程中加入啟發(fā)性知識和進行人的智能參與。

2．4 虛擬環(huán)境中人的自身投射性

需要研究人的動作檢測及其信號處理，人手模型在虛擬環(huán)境中的映射，人和虛擬環(huán)境在裝配行定位、分析過程；另一個定義是虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性?；赩IRTOOLS的復雜機械設備虛擬裝配技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下完成的，它把人、現(xiàn)實世界以及虛擬環(huán)境結(jié)合起來，融為一體，實現(xiàn)信息的交流和反饋。人可以在虛擬環(huán)境中以最自然的形態(tài)實時地進行操作和行動，猶如在自身所處現(xiàn)實環(huán)境中同樣的感受，能訓練人們對復雜機械設備的裝配、操作，避免對機械設備的損害，這對節(jié)約成本和提供方便的訓練等方面都具有重要的意義。

3 實現(xiàn)方法

以下將以飛機發(fā)動機裝配為例， 介紹基于VirtooLS的復雜機械設備虛擬裝配方法。

(1)．由于VIRTOOLS本身不能創(chuàng)建模型，需要在三維建模軟件中創(chuàng)建三維發(fā)動機的模型，常用的建模軟件有3DS MAX、MAYA、PRO／E、SOLIDWORKS 、 CAT 等， 本例采用SOLIDWORKS建模。

(2)． 由于VIRTOOLS無法讀取SOLIDWORKS的零件模型或裝配體模型， 因此需將SOLIDwORKS的裝配體導出為3DXML模型。

(3)．在VIRTOoLS中導入3D)【ML模型，并對其進行動態(tài)抗鋸齒處理，如圖l所示。

 
圖1 動態(tài)抗鋸齒

(4)．在Level Manager的3D Object中選擇發(fā)動機所有零部件， 并添加到群組‘‘ObjectsRename”。

(5)．動態(tài)復制“Objects ”群組中的零部_ Rename件，將其重命名并隱藏顯示，主要用于對裝配過程中的零部件進行定位，如圖2所示。

 
圖2 動態(tài)復制零部件

(6). 編輯鼠標動作，該部分為程序的核心內(nèi)容，主要解決鼠標三維空間的拾取和定位，其中鼠標在三維空間中的定位是難點，需要解決鼠標在拖動零部件時物體的位置和朝向。程序模塊如圖3所示。

 
圖3 鼠標動作檢測

其中2D Picking一直處于開啟狀態(tài)，用于檢測鼠標的狀態(tài)，當鼠標拾取的物體為群組中的零部件物體時(Test輸出值為True)，觸發(fā)MouseWaiter模塊，Left Button Down Received(鼠標左鍵按下狀態(tài))連接Keep Active的in端口，表示當鼠標按下時觸發(fā)Keep Active模塊，使得KeepActive后面的模塊一直處于運行狀態(tài)，Left ButonUp Received(鼠標左鍵彈起狀態(tài))連接Keep Ac．tive的Reset端口，表示當鼠標左鍵彈起的時候，關閉KeepActive后面的程序。

 
圖4 鼠標拾取與定位

鼠標拾取零部件物體在三維空間的定位程序如圖4所示，其中主要運用了Get Mouse Dis．placement程序模塊，該模塊主要用于獲取鼠標相對運動的位移屬性，其中X和Y的兩個參數(shù)輸出表示鼠標在x軸向和Y軸向的相對位移值，由于X、Y的輸出值為整型(Integer)，精度不夠且數(shù)值的大小也不符合要求， 因此需要對其進行實時數(shù)值轉(zhuǎn)換，運算方法為將其除以“．100”并轉(zhuǎn)換為浮點型(float)。

在場景中創(chuàng)建一虛擬體用于輔助定位零部件的空間位置和朝向，將Get Mouse Displacement的X、Y 值除以“一100”得到的浮點數(shù)值實時賦給虛擬體的x軸和Y軸，然后將虛擬體的位移信息傳遞給拾取(2D Picking)的零部件物體。

最后為了使虛擬體永遠朝向攝像機方向，在虛擬體物體上創(chuàng)建腳本，并添加Billboard程序模塊，將模塊的輸出端口out接入輸入端口iIl，使其一直處于開啟狀態(tài)。

(7)．用tese模塊檢測兩零部件之間的距離，若“A”零件與‘‘A Rename”零件之間的距離小于某一固定值(如20)， 即將‘‘A”零件move to 至“A Renam e”零件，這樣便完成了“A”零件的裝配設計，同理對其他零部件進行相同的設置，這其中可以通過群組(Group Iterator)來進行批量處理。

(8)．將以上環(huán)境移植到CAVE洞穴式虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，配上力反饋裝置和數(shù)據(jù)手套，可實現(xiàn)具有自主性、沉浸感、交互性、身臨其境的裝配體驗，如圖5、圖6所示。

 
圖5 操作演示1

 
圖6 操作演示2

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是充分發(fā)揮創(chuàng)造力的科學，為人類的智能擴展提供了強有力的手段 對生產(chǎn)方式和社會生活將產(chǎn)生巨大的影響。虛擬制造是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在制造領域的重要應用，是一種超越時空觀念的新的制造哲理和模式。產(chǎn)品的虛擬裝配仿真是虛擬制造研究的重要內(nèi)容。

參考文獻

[1] 廣瀨通孝．假想工場一， 一于 JL，·7 7．夕IJ，計測己制御，1995年第7號

[2] 廣瀨通孝．， 一手 L，·IJ 7-lJ于 應用戰(zhàn)略，才一厶社，1992

[3] J．R．Ggalvao，etc．Production and Teaching by Vir—tual Environment,Proc．Of ICAT’97，Dec．，1 997

[4] N．Abe，etc．Verification of Assemblability of江EC}L NICAL Parts and Visualization of Machin．ery of Assembly in Virtual Space， Proc． ofICAT’97，Dec．，1 997

[5] N．Abe，etc．，A Training SYSTEM Detecting Novice’SE~oneous Operation in Repairing Virtual Machines，Proc．of ICAT’97，Dec．，1997