虛擬裝配程序可視化生成平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜寶江，余冬平，程建建

（上海理工大學(xué) 虛擬制造技術(shù)研究院，上海200093）

0 引 言

目前針對(duì)大型機(jī)械設(shè)備虛擬裝配系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)節(jié)主要存在以下3個(gè)缺陷［1］：①產(chǎn)品的虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)；②每個(gè)階段的構(gòu)建環(huán)節(jié)對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求高；③裝配系統(tǒng)是針對(duì)指定產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其它產(chǎn)品因與之培訓(xùn)內(nèi)容不同，程序則需重新編寫(xiě)，這樣裝配系統(tǒng)不具有擴(kuò)展性和重用性。針對(duì)上述在虛擬裝配系統(tǒng)構(gòu)建環(huán)節(jié)中存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)了虛擬裝配程序可視化平臺(tái)VRMLPlat－Form，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配動(dòng)作可視化及對(duì)應(yīng)虛擬裝配程序的快速自動(dòng)生成。

1 虛擬裝配程序生成方法的探討

1.1 手工編寫(xiě)虛擬裝配動(dòng)作VRML腳本

在機(jī)械設(shè)備裝配體模型構(gòu)建完成的基礎(chǔ)上，從三維CAD 軟件中將待裝配的零部件數(shù)字模型導(dǎo)入到VRML 中，運(yùn)用VRML語(yǔ)言，手工編寫(xiě)動(dòng)畫(huà)腳本。簡(jiǎn)單的VRML 模型裝配運(yùn)動(dòng)利用基于事件的交互原理［3］，主要依靠方位插補(bǔ)器 節(jié) 點(diǎn) （OrientationInterpolator）、時(shí) 間 傳 感 器 節(jié) 點(diǎn)（TimeSensor）、位置插補(bǔ)器節(jié)點(diǎn) （PositionInterpolator）等和ROUTE語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀動(dòng)畫(huà)。

1.2 三維CAD動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出插件

這種方法是對(duì)三維CAD 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出插件。在待裝配零部件模型構(gòu)建完成基礎(chǔ)上，直接在三維CAD 軟件中制作裝配動(dòng)畫(huà)，最后通過(guò)動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出插件將裝配動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出為VRML程序代碼檔。

其中，手工編寫(xiě)VRML動(dòng)畫(huà)腳本的方法，需要制作人員要有很深的VRML編程基礎(chǔ)，而且代碼的編寫(xiě)有很多重復(fù)性的工作，再者代碼編寫(xiě)同動(dòng)畫(huà)演示并不同步，不能立即判定編寫(xiě)的動(dòng)畫(huà)代碼是否正確。對(duì)于三維CAD 動(dòng)畫(huà)導(dǎo)出插件，就避免了代碼編寫(xiě)的重復(fù)性工作，對(duì)應(yīng)用人員的技術(shù)要求也不是很高。但是在三維CAD 軟件中，因?yàn)槟Ｐ蜆?gòu)建時(shí)會(huì)有約束關(guān)系，機(jī)構(gòu)的運(yùn)行動(dòng)畫(huà)比較好做，而裝配動(dòng)畫(huà)有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)?；谏鲜鰡?wèn)題，我們提出了可快速生成可視化虛擬裝配程序平臺(tái)－VRMLPlatform 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 VRMLPlatform 的總體架構(gòu)

2.1 VRMLPlatform 的設(shè)計(jì)思想

本文設(shè)計(jì)的虛擬裝配程序可視化生成平臺(tái)也是建立在模型構(gòu)建完成基礎(chǔ)上，通過(guò)C＃.NET 編寫(xiě)窗體應(yīng)用程序，在此窗體中要求能夠?qū)崟r(shí)顯示裝配體的狀態(tài)關(guān)系并可實(shí)現(xiàn)零件選擇。當(dāng)選中某個(gè)零件時(shí)，通過(guò)窗體中的參數(shù)設(shè)置模塊，如零件的起始位置，作用時(shí)間等，就可以在后臺(tái)VRML 程序代碼檔中添加對(duì)應(yīng)的裝配動(dòng)作語(yǔ)句。這樣便實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配動(dòng)作的可視化以及對(duì)應(yīng)程序的快速自動(dòng)生成。見(jiàn)表1可看出本文提出的虛擬裝配程序可視化平臺(tái)對(duì)操作人員的技術(shù)要求不高、便于裝配仿真動(dòng)畫(huà)的制作，并能夠?qū)崿F(xiàn)可視化編輯。

2.2 VRMLPlatform 的工作流程

VRMLPlatform 的工作流程如圖1所示。

圖1 VRMLPlatform 的工作流程

2.3 VRMLPlatform 技術(shù)基礎(chǔ)－基于模板的代碼自動(dòng)生成技術(shù)

本文目的是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配動(dòng)作VRML 程序檔的快速生成，而VRML檔是一種代碼檔，在實(shí)現(xiàn)快速生成的過(guò)程中主要用到代碼自動(dòng)生成技術(shù)［4］。

3 VRMLPlatform 功能實(shí)現(xiàn)

VRMLPlatform 平臺(tái)操作流程同要實(shí)現(xiàn)的主要后臺(tái)功能的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 工作流程與后臺(tái)功能對(duì)應(yīng)

3.1 節(jié)點(diǎn)分組功能實(shí)現(xiàn)

對(duì)于節(jié)點(diǎn)分組的后臺(tái)運(yùn)算是要操作VRML 代碼，添加Transform 節(jié)點(diǎn)，將模型代碼放入Children中，實(shí)現(xiàn)模型的按組分配。在VRMLPlatform 平臺(tái)中，其它如節(jié)點(diǎn)重命名、刪除和新建，其后臺(tái)實(shí)現(xiàn)同節(jié)點(diǎn)分組是一致的，也是對(duì)VRML檔中的Transform 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。

3.2 模型拾取功能實(shí)現(xiàn)

VRMLPlatform 中對(duì)模型拾取的方式應(yīng)該有兩種：點(diǎn)擊模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)和直接點(diǎn)擊場(chǎng)景中的模型，在拾取完成后，模型顯示區(qū)的對(duì)應(yīng)模型會(huì)成高亮顯示。

點(diǎn)擊模型樹(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)拾取模型的方式，其后臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式是：讀取目錄樹(shù)被選擇的節(jié)點(diǎn)名稱，并找到VRML 代碼中該模型材質(zhì)節(jié)點(diǎn)的引用，同時(shí)修改其顏色屬性為紅色，即高亮顯示；在場(chǎng)景中拾取模型［6］的方式，其后臺(tái)運(yùn)行方式是：通過(guò)函數(shù)computeRayHit（here，there）從點(diǎn)擊點(diǎn)發(fā)送射線，讀取射線相交的模型節(jié)點(diǎn)引用，從而找到其材質(zhì)引用，修改其顏色屬性。圖2為齒輪被拾取時(shí)的狀態(tài)。

圖2 齒輪被拾取狀態(tài)

3.3 動(dòng)畫(huà)信息生成功能實(shí)現(xiàn)

由VRMLPlatform 快速生成的裝配動(dòng)畫(huà)從宏觀意義上可以分為兩類：運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)和狀態(tài)動(dòng)畫(huà)。運(yùn)動(dòng)動(dòng)畫(huà)又包括直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，狀態(tài)動(dòng)畫(huà)包括閃爍、透明度變化和顏色變化動(dòng)畫(huà)。

在完成裝配動(dòng)畫(huà)的參數(shù)設(shè)置后，需要將每步虛擬裝配動(dòng)作的定義參數(shù)和上述選擇的模型儲(chǔ)存在某個(gè)信息載體中?？梢躁P(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server作為記錄裝配動(dòng)作參數(shù)的存儲(chǔ)工具，設(shè)計(jì)參數(shù)表dbo.AnimationTable，存儲(chǔ)每一步裝配動(dòng)作的所有參數(shù)數(shù)據(jù)［7］。

虛擬裝配最重要的是對(duì)裝配路徑進(jìn)行設(shè)置［9］，在本文路徑設(shè)置采用 “用戶引導(dǎo)”的拆卸方式，即通過(guò)識(shí)別模型零部件之間的裝配關(guān)系，引導(dǎo)模型進(jìn)行對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變換，從整個(gè)裝配體拆卸開(kāi)來(lái)，并記錄拆卸的關(guān)鍵位置信息，其逆過(guò)程就是裝配過(guò)程。以下重點(diǎn)介紹平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)路徑的參數(shù)設(shè)置方法：

（1）直接輸入法：對(duì)于平移運(yùn)動(dòng)，只需手動(dòng)輸入平移方向和起始位置就定義好其運(yùn)動(dòng)路徑，對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)手動(dòng)輸入旋轉(zhuǎn)中心Center和方向Normal就可定義好旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸。

（2）場(chǎng)景中獲取法：通過(guò)場(chǎng)景中獲取的方法來(lái)設(shè)置平移動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)路徑，采取兩點(diǎn)式和法矢量式。兩點(diǎn)式是通過(guò)從場(chǎng)景中拾取兩點(diǎn)來(lái)確定運(yùn)動(dòng)路徑，法矢量式是通過(guò)拾取場(chǎng)景中的一個(gè)零件表面，此表面的法矢量即為運(yùn)動(dòng)路徑。

通過(guò)場(chǎng)景中獲取的方法來(lái)設(shè)置旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的旋轉(zhuǎn)軸。通過(guò)在場(chǎng)景中拾取3個(gè)點(diǎn)，那么旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模型將沿過(guò)這三點(diǎn)的外接圓的圓心切垂直于過(guò)這三點(diǎn)的平面的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

3.4 VRML代碼生成功能的實(shí)現(xiàn)

虛擬裝配仿真動(dòng)作檔是一段VRML 程序代碼，所以記錄裝配的VRML 程序的生成是VRMLPlatform 的最終目標(biāo)。VRML代碼的生成即將對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄虛擬裝配參數(shù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的VRML代碼，實(shí)現(xiàn)步驟如下。

3.4.1 分析VRML代碼的結(jié)構(gòu)

要生成的VRML代碼包括4部分：模型節(jié)點(diǎn)代碼、動(dòng)畫(huà)原型節(jié)點(diǎn)PROTO、動(dòng)畫(huà)代碼和動(dòng)畫(huà)連續(xù)播放腳本代碼。模型節(jié)點(diǎn)代碼中包含了分組信息，動(dòng)畫(huà)原型節(jié)點(diǎn)是一個(gè)自定義的節(jié)點(diǎn)AnimationFrame，此自定義節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于面向編程中的函數(shù)定義，AnimationFrame中定義了動(dòng)畫(huà)的參數(shù)和內(nèi)部的邏輯運(yùn)算關(guān)系。

3.4.2 生成動(dòng)畫(huà)代碼

生成動(dòng)畫(huà)代碼即是根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server中各行數(shù)據(jù)生成實(shí)例化的PROTO 節(jié)點(diǎn)代碼。每一步動(dòng)作都對(duì)應(yīng)一個(gè)AnimationFrame節(jié)點(diǎn)的實(shí)例化即該步裝配動(dòng)作的VRML程序代碼。

3.4.3 生成虛擬裝配動(dòng)作連貫展示程序代碼

通過(guò)VRMLPlatform 制作虛擬裝配仿真動(dòng)畫(huà)時(shí)，動(dòng)畫(huà)是按照裝配步驟來(lái)制作的，每一步的裝配動(dòng)作對(duì)應(yīng)著一步動(dòng)畫(huà)，在每步動(dòng)作之間需要實(shí)現(xiàn)連貫展示，這就需要生成動(dòng)作連貫展示程序，動(dòng)作連貫展示程序代碼是根據(jù)每一步裝配動(dòng)作引用的節(jié)點(diǎn)以及每步裝配動(dòng)作的持續(xù)時(shí)間來(lái)生成的，實(shí)現(xiàn)方法是基于模板驅(qū)動(dòng)的代碼自動(dòng)生成技術(shù)，其具體腳本程序代碼模板如下所示。

上述程序代碼中time1、Time1和Node9＿STEP 為可變參數(shù)，其它的程序段都是固定的。在每?jī)刹絼?dòng)畫(huà)之間添加此段程序代碼，就可以實(shí)現(xiàn)這兩步虛擬裝配動(dòng)作的連貫展示。

3.4.4 VRML程序代碼整合

將模型節(jié)點(diǎn)代碼、動(dòng)畫(huà)原型節(jié)點(diǎn)PROTO、動(dòng)畫(huà)代碼、動(dòng)畫(huà)連續(xù)播放腳本代碼整合到一個(gè)VRML 檔中。具體的整合方法是：通過(guò)函數(shù)creatVRML （）新建一個(gè)VRML文檔，然后通過(guò)參數(shù)賦值的方式將模型節(jié)點(diǎn)代碼、動(dòng)畫(huà)原型節(jié)點(diǎn)PROTO、動(dòng)畫(huà)代碼、動(dòng)畫(huà)連續(xù)播放腳本代碼分別賦給4個(gè)文本參數(shù)，將這4個(gè)文本參數(shù)內(nèi)容寫(xiě)入新建的VRML文檔。

4 VRMLPlatform 界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)圖1 本平臺(tái)界面規(guī)劃流程圖。首先需對(duì)VRMLPlatform 平臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行枚舉，找出每個(gè)功能的界面觸發(fā)方式，根據(jù)功能和界面觸發(fā)方式相似的原則，確定同一功能模塊區(qū)，依據(jù)上述原則，見(jiàn)表3。

表3 VRMLPlatForm 功能統(tǒng)計(jì)分類

根據(jù)表3中對(duì)VRMLPlatform 界面規(guī)劃的研究，本文設(shè)計(jì)了如圖3所示的用戶界面。

圖3 VRMLPlatform 用戶界面

圖4 模型導(dǎo)入VRMLPlatForm

5 示例驗(yàn)證

本文列舉兩個(gè)矩形聯(lián)結(jié)器的移動(dòng)裝配動(dòng)作仿真制作，演示虛擬裝配程序可視化平臺(tái)－VRMLPlatform 的操作方法。選擇 “文 件”下 的 “新 建VRML 動(dòng) 畫(huà)”，然 后 “導(dǎo) 入VRML文件”，然后點(diǎn)擊屏幕左下方的按鈕 “將場(chǎng)景樹(shù)更新至瀏覽器”，則在系統(tǒng)中場(chǎng)景樹(shù)和模型展示區(qū)都已有模型信息，如圖4所示。

在場(chǎng)景樹(shù)中選擇做虛擬裝配動(dòng)作的模型，右鍵 “新建動(dòng)畫(huà)”，則可在參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置相關(guān)參數(shù)，本例要求模型沿Y 軸做直線運(yùn)動(dòng)。其參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置界面

在模型動(dòng)畫(huà)參數(shù)設(shè)置時(shí)，包括平移、旋轉(zhuǎn)、閃爍、透明度和顏色等動(dòng)畫(huà)的參數(shù)設(shè)置，每設(shè)置完一次的參數(shù)，需要保存該步的動(dòng)畫(huà)設(shè)置，如圖6所示。

圖6 動(dòng)畫(huà)設(shè)置保存界面

點(diǎn)擊VRMLPlatform 界面左下方 “生成代碼”，則在后臺(tái)對(duì)應(yīng)的VRML 文件中生成了該步裝配動(dòng)作代碼。用BS Contact打開(kāi)此VRML 文件，則可瀏覽裝配動(dòng)畫(huà)。圖7 為平移裝配的最終生成。

圖7 平移裝配的最終生成

以上便演示實(shí)現(xiàn)了VRMLPlatForm 虛擬裝配程序可視化的過(guò)程。若手動(dòng)編寫(xiě)該平移裝配動(dòng)作程序，過(guò)程較繁瑣。該平臺(tái)應(yīng)用于柴油機(jī)泵組虛擬裝配培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中 （圖8），運(yùn)行穩(wěn)定，交互培訓(xùn)能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)處理速度快，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期、避免了技術(shù)人力的浪費(fèi)，驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)平臺(tái)的正確性和必要性。

圖8 柴油機(jī)泵組虛擬裝配培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)界面

6 結(jié)束語(yǔ)

在虛擬制造領(lǐng)域，VRMLPlatform 實(shí)現(xiàn)了虛擬裝配可視化及程序的自動(dòng)快速生成，提高了虛擬裝配制作效率，尤其對(duì)復(fù)雜的裝配過(guò)程更凸顯其高效性和便捷性。很大程度上解決了虛擬裝配培訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了裝配動(dòng)作可視化編輯，操作簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求低，設(shè)置參數(shù)的同時(shí)，觀看裝配動(dòng)作演示效果，避免了手工匯編程序的繁瑣。由于VRMLPlatform 是基于模板的代碼自動(dòng)生成技術(shù)，可將裝配動(dòng)作設(shè)計(jì)為包含所有運(yùn)動(dòng)改變和狀態(tài)改變的模板，而且其擴(kuò)展性強(qiáng)，只需要更改后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中定義的裝配參數(shù)和所選擇模型引用，就可制作其它機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配動(dòng)作仿真并快速生成其程序代碼。因此，VRMLPlatform 平臺(tái)在開(kāi)發(fā)虛擬裝配培訓(xùn)領(lǐng)域具有普遍適用性。

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