淺析產(chǎn)品原型虛擬裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及技術(shù)的論文

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；分析產(chǎn)品原型性能，并最終利用這些結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際設(shè)計(jì)開發(fā)過程，從而大大節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期本文討論了對復(fù)雜零部件、大型或精密產(chǎn)品進(jìn)行原型展示、功能分析和虛擬裝配時(shí)的功能需求，設(shè)計(jì)了原型展示分析與虛擬裝配系統(tǒng)(pavas)的體系結(jié)構(gòu)，基于模塊化的思想提出一種既可以分布處理又可以集成整合的系統(tǒng)框架，并研究了組成系統(tǒng)框架的一些關(guān)鍵技術(shù)1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)是面向大型復(fù)雜產(chǎn)品虛擬裝配和結(jié)構(gòu)功能展示及性能分析而設(shè)計(jì)的，所以它主要包括產(chǎn)品虛擬裝配功能、產(chǎn)品功能虛擬展示和強(qiáng)沉浸感顯示三大功能與一般性的虛擬裝配系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)更加偏重于后兩點(diǎn)功能的表現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)功能需求，系統(tǒng)采用了如圖 1所示的硬件結(jié)構(gòu) 各部分功能如圖2所示其中onyx4系統(tǒng)通過 5bnc接口與 crt和投影儀連接；pc機(jī)通過 rs232接 口對 onyx4系統(tǒng)的控制臺(tái)進(jìn)行操作，還通過以太網(wǎng)接口向onyx4系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)文件；數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器通過以太網(wǎng)與onyx4系統(tǒng)連接 ，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相傳輸其中數(shù)據(jù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行特定的功能配置或者省略2 系統(tǒng)模塊及功能 本系統(tǒng)的模塊如圖3所示整個(gè)系統(tǒng)在 irix65上基于 performer 322構(gòu)建主要分為控制核心、裝配控制、圖形引擎、文件服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù) 6個(gè)大模塊 1 j其中前 3個(gè)模塊作為系統(tǒng)功能核心，安裝于同一硬件系統(tǒng)中，通過 計(jì)算 機(jī)內(nèi)部總線和相應(yīng)的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行連接；后 3個(gè)模塊可根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際情況，分別安裝于獨(dú)立的服務(wù)器通過快速以太網(wǎng)進(jìn)行連接或者與核心功能模塊安裝在一起pavas系統(tǒng)模塊功能分述如下 1)控制核心控制核心用于協(xié)調(diào)和管理pavas的其他各個(gè)模塊，進(jìn)行消息管理并提供控制臺(tái)連接，同時(shí)支持基本 io設(shè)備 2)裝配控制模塊它需要完成 4點(diǎn)主要功能：裝配關(guān)系模型的創(chuàng)建和管理、約束管理、裝配路徑管理、可裝配性評價(jià)3)圖形引擎生成虛擬環(huán)境，創(chuàng)建裝配和展示場景；處理用戶與系統(tǒng)的交互；在操作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)碰撞檢測；立體顯示輸出；提供物理系統(tǒng)4)文件服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原始數(shù)字模型與系統(tǒng)文件格式之間的雙向轉(zhuǎn)換；與數(shù)據(jù)服務(wù)模塊進(jìn)行雙向通信，將模型信息傳遞其中以供其他模塊利用，或者將修改后的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出 5)數(shù)據(jù)服務(wù)模塊存儲(chǔ)產(chǎn)品模型和虛擬場景數(shù)據(jù)信息；綜合文件服務(wù)模塊提供的模型信息和應(yīng)用服務(wù)模塊提供的交互信息供高層模塊使用；將高層模塊運(yùn)行生成的新模型信息和交互反饋信息傳遞給文件服務(wù)模塊和應(yīng)用服務(wù)模塊 6)應(yīng)用服務(wù)器提供 i0接口；處理人機(jī)交互信息；與數(shù)據(jù)服務(wù)模塊雙向通信實(shí)現(xiàn)交互信息的寫人及輸出3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析pavas的關(guān)鍵技術(shù)主要有：主動(dòng)立體顯示技術(shù)、實(shí)時(shí)的快速碰撞檢測技術(shù)、虛擬環(huán)境中物理系統(tǒng)的模型建立與實(shí)現(xiàn)技術(shù)、人機(jī)交互模型的建立與交互設(shè)備之間的聯(lián)系方法、裝配模型的創(chuàng)建和表達(dá)技術(shù)、約束的識別和捕捉技術(shù)以及數(shù)據(jù)服務(wù)模塊中數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)與文件結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換等本文主要分析主動(dòng)立體顯示技術(shù)、產(chǎn)品可裝配性評價(jià)和實(shí)時(shí)快速碰撞檢測技術(shù) 31 主動(dòng)立體顯示中的圖像視差計(jì)算 由于人的兩眼之間存在瞳距，所以每只眼睛感受的圖像之 間也存在一個(gè)水平方向的差距，如圖 4所示大腦利用這個(gè)差距來處理圖像從而產(chǎn)生立體感 主動(dòng)立體顯示就是通過使左右眼圖像分時(shí)交替在顯示屏上刷新顯示實(shí)現(xiàn)的立體圖像的計(jì)算方法主要有旋轉(zhuǎn)法和雙中心法，如圖5所示旋轉(zhuǎn)法采用一個(gè)投影中心，通過使被觀察對象分別向兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)相同角度投影來計(jì)算左右眼圖像，如圖 5a所示使用這種方法得到： 其中，xo，y0，zo是 p0的坐標(biāo)；是兩次旋轉(zhuǎn)后位置的夾角這種方法需要作除法運(yùn)算，因此速度稍慢，且會(huì)在實(shí)際使用中造成原理屏幕中心的地方垂直視差增大的情況雙中心法因采用兩個(gè) 投影 中心，如 圖 5b所示 ，因此得到：這種方法可以避免產(chǎn)生垂直誤差，效果較好在這一系列的 計(jì)算 過程中，諸如用戶瞳距、用戶與被觀察對象的距離等數(shù)據(jù)可以通過交互設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤或者針對應(yīng)用使用平均數(shù)據(jù) 32 零件和產(chǎn)品的可裝配性評價(jià) 對于零件的可裝配性評價(jià) ：首先選擇 種因素對產(chǎn)品零件的可裝配性進(jìn)行評價(jià)，定義 f= 表示影響因素集合；u(z)表示裝配難度的隸屬度函數(shù)，z代表影響因素的特征值， 亂 ，見表 為影響因素集對應(yīng)的影響因素重要程度向量，其中a 表示因素 對零件可裝配性影響程度的大小，且滿足：定義零件的可裝配性指數(shù) 根據(jù)廠的取值來評價(jià)零件的可裝配性對于產(chǎn)品的可裝配性評價(jià)：在零件可裝配性評價(jià)的基礎(chǔ)上定義 產(chǎn)品的可裝配性指數(shù)向量，a 為零件p 可裝配性指數(shù)另定義 0為n*m階模糊關(guān)系矩陣，元素 o 代表零件 只中因素 對裝配難度的隸屬度函數(shù)值則有 而產(chǎn)品的可裝配性指數(shù) 產(chǎn)品的平均可裝配性指數(shù) a ，則為a 與零件總數(shù) 的商a 作為最 終的產(chǎn)品可裝配性評價(jià)指標(biāo) 33 實(shí)時(shí)的快速碰撞檢測方法 在實(shí)時(shí)碰撞檢測中，主要解決時(shí)間步長問題、多物體對測試問題和兩兩物體對測試問題pavas系統(tǒng)的實(shí)時(shí)碰撞檢測按照以下規(guī)則進(jìn)行規(guī)則1 在碰撞頻率較高的時(shí)候采用小時(shí)間步長檢測 ，在碰撞頻率較低的時(shí)候采用大步長檢測時(shí)間步長同時(shí)與被檢測對象的相對運(yùn)動(dòng)速度相關(guān) 規(guī)則2 免除靜止模型之間的碰撞檢測；免除距運(yùn)動(dòng)模型較遠(yuǎn)物體與運(yùn)動(dòng)模型之間的碰撞檢測；對于距運(yùn)動(dòng)模型較近物體首先采用 kdop包圍盒算法進(jìn)行粗略檢測，若發(fā)生碰撞則改用精密的檢測算法 規(guī)則 3 在精密的檢測和針對具有內(nèi)部空間的多面體零件的裝配檢測過程中使用距離跟蹤算法 4 應(yīng)用實(shí)例 按照本 文思路，基于 sgi onyx4可視化系統(tǒng) 、科視立體投影系統(tǒng)和 dell pe46大型服務(wù)器等硬件設(shè)備構(gòu)建了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)；利用 ug，opengl perforltler和 c語言等軟件、庫和開發(fā)語言構(gòu)建用于數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)分析和虛擬裝配的原型系統(tǒng)圖 6是某數(shù)控機(jī)床模型在系統(tǒng)屏幕上的投影；圖 7是該機(jī)床主軸有限元分析結(jié)果在屏幕上的投影 5 結(jié) 語 1)本文提出的pavas軟硬件結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用對系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行不同的配置，可以構(gòu)建成基于 pc或者基于工作站甚至小型機(jī)的系統(tǒng) 2)系統(tǒng)采用雙中心投影法來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)立體顯示，消除了垂直誤差，提高了運(yùn)行速度，在給人沉浸感的同時(shí)增加舒適性 3)系統(tǒng)綜合目前采用的一些碰撞檢測方法結(jié)合 kdop和距離跟蹤法來進(jìn)行碰撞檢測，在不失精度的前提下可進(jìn)一步加快計(jì)算速度 參考 文獻(xiàn) ： nomura j，sawada kvirtual reality tectmology and itindustrial applicationsj control engineering practice1999，7(11)：13811394 jayaram s，connacher h l，lyons k w virtual assemblyusing virtual reality techniquesjcomputer-aided design1997，29(8)：575584 w an h g，gao s m ，peng q s vdvas：an integrated virtual design and virtual assembly environmentj journaimage andgra ics，2002，7(1)：27 35 w ud l，yangrd，madz，et a1virtual assembly systemand the enabling technologiesj journal of shah ajiaotong university，2004，38(9)：15391543 wang q h， li j r interactive visualization of coiylplexdynmnic virtual envirolmlent for industrial assembliesjcomputers in industry，2006，57(4)：366377 w ilmnr，dcruz m virtual and interactive environmentsfor work for the futurej international urnal ofhumancomputer studies，2006，64(3)：158169 w eyrich m drews pan interaetive environm ent for virtuamanufacturing：the virtual workbenchjcomputers inindustry，1999，38(1)：5-15 zhou yxie lstudy on the generation of parallax for virtuaenvironmentsj omputer s rk“a ion，2005，22t12 ：185-190 kim y s，yang