裝配作業(yè)是制造過(guò)程的后置工序，裝配質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的性能有直接的影響，為降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)能力，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配是十分必要的。在可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、裝配過(guò)程的研究等技術(shù)綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了虛擬裝配技術(shù)。虛擬裝配(Virtual Assembly, VA)是虛擬制造的關(guān)鍵組成部分，利用計(jì)算機(jī)工具，通過(guò)分析、預(yù)測(cè)產(chǎn)品模型，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)描述和可視化，做出與裝配有關(guān)的工程決策，而不需要實(shí)物產(chǎn)品模型作支持。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前國(guó)外制造業(yè)應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)節(jié)約了研制經(jīng)費(fèi),并縮短了研制周期，但我國(guó)關(guān)于虛擬裝配技術(shù)的研究起步較晚。

    在實(shí)際的生產(chǎn)中，任意一個(gè)機(jī)床都有幾百個(gè)甚至上千個(gè)零部件，每個(gè)零部件的位置和姿態(tài)信息需用4X4 的矩陣表達(dá)，顯然，這樣龐大的數(shù)據(jù)量，在程序代碼中直接實(shí)現(xiàn)是很困難的，同時(shí)，要將機(jī)床裝配仿真用于維護(hù)培訓(xùn)和產(chǎn)品演示，就必須向機(jī)床方面的專(zhuān)家（非程序員）提供一種簡(jiǎn)便、直觀、靈活的手段來(lái)設(shè)定機(jī)床的裝配運(yùn)動(dòng)方案。為了實(shí)時(shí)、方便的修改裝配序列和裝配路徑，并且準(zhǔn)確的描述產(chǎn)品在裝配或拆卸過(guò)程的位姿信息，本文對(duì)虛擬裝配過(guò)程提出了一種機(jī)床虛擬裝配的描述語(yǔ)言以及與其相對(duì)應(yīng)的虛擬裝配函數(shù)。

    虛擬裝配函數(shù)實(shí)現(xiàn)的實(shí)質(zhì)，就是先提取機(jī)床虛擬裝配的描述語(yǔ)言中的信息，再將其轉(zhuǎn)化為機(jī)床零部件在每一時(shí)間點(diǎn)上的位姿和其它與顯示相關(guān)的信息，在此基礎(chǔ)上調(diào)用機(jī)床場(chǎng)景繪制模塊的相應(yīng)操作來(lái)實(shí)時(shí)繪制運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的仿真過(guò)程。

   
    1 三維空間中物體位姿和運(yùn)動(dòng)信息的描述

    在三維裝配空間中，裝配元件位姿和運(yùn)動(dòng)信息的準(zhǔn)確描述是正確模擬產(chǎn)品裝/拆過(guò)程的關(guān)鍵。采用一個(gè)4×4 的位姿矩陣和運(yùn)動(dòng)矩陣，可有效描述裝配空間中物體的位姿信息和物體任意運(yùn)動(dòng)的信息，從而實(shí)現(xiàn)完整的產(chǎn)品裝配過(guò)程仿真。

    1.1 物體位姿和運(yùn)動(dòng)信息的描述

    位姿是指位置和姿態(tài)，反映了三維裝配空間中裝配件的位置和空間角度,由兩部分組成：一部分是位置信息（Position），描述部件的空間位置；另一部分是姿態(tài)信息（Orientation），描述部件的方向。部件的平移是通過(guò)部件的空間位置的改變來(lái)體現(xiàn)的，部件的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)部件方向的改變來(lái)體現(xiàn)的。

    裝配元件的運(yùn)動(dòng)變換分為平移運(yùn)動(dòng)變換、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換和復(fù)合運(yùn)動(dòng)變換。復(fù)合運(yùn)動(dòng)變換可以簡(jiǎn)化為沿某方向平移運(yùn)動(dòng)與繞某一軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成。所以待裝配元件從一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)到另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的任何一種運(yùn)動(dòng)，均可以表示為平移運(yùn)動(dòng)變換和旋轉(zhuǎn)變換的合成。

    在裝配實(shí)體模型的三維空間中,裝配元件的位姿信息和運(yùn)動(dòng)矩陣均可采用一個(gè)4×4的矩陣[T]來(lái)表示

    其中，左上角的3×3 矩陣主要用于物體的姿態(tài)信息或裝配過(guò)程中零部件的旋轉(zhuǎn)變換；[l m n]矩陣主要用于物體的位置信息或零部件在裝配過(guò)程中產(chǎn)生平移變換。

    1.2 裝配/拆卸中運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定

    三維空間中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算和減少不必要的數(shù)據(jù)，對(duì)于不同的運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)不同的元組表示。

    對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)方式，采用5 元組法，定義為(object，Xe，Ye，Ze，speed)；對(duì)于圓弧運(yùn)動(dòng)方式，采用9 元組法，定義為(object，Xp，Yp，Zp，Xd，Yd，Zd，speed，theta)；對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式，采用9 元組法，定義為(object，Xp，Yp，Zp，Xd，Yd，Zd，rate，theta)；對(duì)于定軸心螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式，采用10 元組法，定義為(object，Xp，Yp，Zp，Xd，Yd，Zd，distance，speed，rate)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    其中object 為運(yùn)動(dòng)物體的名稱(chēng)，(Xe，Ye，Ze)為移動(dòng)到的終點(diǎn)坐標(biāo)值，(Xp，Yp，Zp)為旋轉(zhuǎn)軸上任意一點(diǎn)坐標(biāo)值，(Xd，Yd，Zd)為旋轉(zhuǎn)軸方向矢量，distance 為起點(diǎn)到終點(diǎn)沿軸線方向進(jìn)給的距離，speed 為移動(dòng)速度參數(shù)，theta 為角度參數(shù)，rate 為角速度參數(shù)。

    要實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的裝配仿真，還應(yīng)該建立虛擬環(huán)境和虛擬機(jī)床，因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了添加零部件(包括位姿和顏色信息)的代碼以及對(duì)虛擬環(huán)境進(jìn)行特效處理(添加聲音、燈光、紋理、動(dòng)態(tài)顯示裝配零部件的信息)的代碼。

    1.3 物體三維變換方式的設(shè)定及其實(shí)現(xiàn)

    因?yàn)椋魏螐?fù)雜的運(yùn)動(dòng)變換可以簡(jiǎn)化為沿某方向平移運(yùn)動(dòng)與繞某一軸線旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的合成，為了形象的描述仿真過(guò)程，我們?cè)O(shè)計(jì)出如下幾種運(yùn)動(dòng)方式：

    (1)直線移動(dòng)方式

    根據(jù)已知條件計(jì)算出物體在移動(dòng)過(guò)程中的任意時(shí)刻t 的坐標(biāo)，只考慮平移部分。

    (2)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式

    為通用起見(jiàn)，本文把旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為任意軸，任意軸的旋轉(zhuǎn)變換，我們采用組合變換。

    根據(jù)圖形變換的知識(shí)，計(jì)算出變換矩陣。

    (3)圓弧運(yùn)動(dòng)方式

    算法同旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式，但是我們只需要考慮矩陣[T]的T[3][0]、T[3][1]、T[3][2]三個(gè)
參數(shù)即可。

    (4)螺旋進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方式

    可以把整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分解成兩個(gè)過(guò)程：一個(gè)過(guò)程是：不考慮沿中心軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，只考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其變換矩陣同（圓弧運(yùn)動(dòng)）；另外一個(gè)過(guò)程是：只考慮沿中心軸方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而不考慮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也就是只有平移變換運(yùn)動(dòng)。則整個(gè)運(yùn)動(dòng)的變換矩陣為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的矩陣和平移變換矩陣的乘積。

   在時(shí)間場(chǎng)景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，保存每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上發(fā)生了變化的機(jī)床零部件以及零部件的狀態(tài)(位置、姿態(tài)和顯示屬性)信息 (圖2 是“更新－時(shí)間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的示意圖)，虛擬裝配函數(shù)負(fù)責(zé)將連續(xù)的運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)成離散的時(shí)間點(diǎn)上的精確值，并根據(jù)這些值生成更新－時(shí)間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

機(jī)床裝配仿真模塊提供了相應(yīng)的操作來(lái)訪問(wèn)“更新－時(shí)間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)“更新－時(shí)間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重繪場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)裝配仿真。(圖3 示是CK6430 車(chē)床的主軸箱的虛擬裝配過(guò)程)

    具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：

    根據(jù)指定的起始時(shí)間找到相應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)

    while 時(shí)間節(jié)點(diǎn)!=NULL

    while 更新信息節(jié)點(diǎn)!=NULL#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    if 零部件的位姿被更新

    調(diào)用機(jī)床場(chǎng)景繪制模塊的Set_Transformation 操作；

    if 零部件的透明度屬性被更新

    調(diào)用機(jī)床場(chǎng)景繪制模塊的Set_Transparency 操作；

    if 零部件的紋理屬性被更新

    調(diào)用機(jī)床場(chǎng)景繪制模塊的Set_Texture 操作；

    …………………………

   3 結(jié)束語(yǔ)

    本文對(duì)虛擬裝配的過(guò)程提出并實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)床裝配仿真的描述語(yǔ)言以及與其相對(duì)應(yīng)的虛擬裝配函數(shù)，通過(guò)裝配過(guò)程的仿真實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品的預(yù)裝配，驗(yàn)證和改進(jìn)產(chǎn)品的裝配工藝，對(duì)裝配工藝和裝配路徑進(jìn)行優(yōu)化，生動(dòng)直觀地展示產(chǎn)品的可裝配性，可以用作實(shí)施VM 的支持工具之一。