CN100347712C

CN100347712C - 基于vrml模型的有约束协同装配工艺规划的仿真方法

Info

Publication number: CN100347712C
Application number: CNB2005100866132A
Authority: CN
Inventors: 田凌; 王巧玉
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2025-10-14
Also published as: CN1746896A

Abstract

本发明属于CAD协同产品设计技术领域，其特征在于：在网络环境下，设计者依托装在节点机上的三维VRML模型，以设计者与设计场景交互方式按照以下步骤实现有约束协同装配工艺规划：设定滑动转动联接约束；选定仿真装配体模型；确定开环或闭环机构中各零部件与它的前端和后端部件的约束类型；计算各零部件在运动过程中的平移和转动矩阵，再根据相应的约束计算运动过程中各零部件的位置参数；再据此生成零部件的时间—顺序—路径矩阵，按时间段形成关键帧；把各关键帧分别以逆序写入VRML各部件模型的插补器，依次在时间传感器和位置传感器之间、位置传感器和零部件造型节点间加入路由，生成仿真画面。本发明显著提高了设计效率。

Description

基于VRML模型的有约束协同装配工艺规划的仿真方法

技术领域

本发明基于VRML模型的有约束协同装配工艺规划的仿真方法，属于计算机辅助协同产品设计工具领域。

背景技术

VRML(虚拟现实建模语言Virtual Reality Modeling Language)是一种ISO国际标准。该格式文件具有交互性强、文件短小、易扩展性强、分布式、平台无关等特点，在Internet上提供了有景深、有立体感的三维世界，是目前网络环境下描述三维场景的主要语言。在机械设计领域，众多CAD软件均已提供了VRML的输出接口，所以不同CAD格式的设计模型都可以转换为VRML格式的三维模型，使得在Internet上可以展开基于3D VRML模型的可视化协同讨论，成为支持协同设计的一种切实可行的解决方案。因此许多网络化产品协同设计支持系统采用基于VRML标准的信息集成来解决异构CAD信息的集成问题。

基于VRML模型的网络化产品协同设计，是将来自不同平台的CAD模型，尤其是跨地域、跨平台的CAD模型，在网络环境中由单人或多人(包括专家、设计师、销售人员和用户)相互协同进行产品的协同浏览，协同批注，协同预装配，协同装配工艺规划等操作，以达到检验来自不同任务组的零部件设计的合理性。使产品设计的初期能够从多角度，多阶段综合考虑影响产品设计的因素。

由于以上原因，VRML标准在基于Internet的协同设计中得到了广泛的应用。目前，基于VRML模型的协同浏览，协同批注，协同装配等功能都已得到了很好的实现，使异地设计者可将各自设计的零件模型通过网络互相查看并进行实时装配讨论，极大缩短了设计周期，提高了交流效率。在实际产品设计中，装配工艺规划则是另一个复杂的设计阶段。其间设计意见交流频繁，设计结果形式多样，使之长期以来成为产品设计效率提高的瓶颈。本发明在研究VRML模型本身特点的基础上，采用数学的方法，通过网络化的同步操作，实时交流，使产品装配工艺规划能够集合多方的设计经验，方便快捷地实现，进而缩短产品开发周期。

VRML语言具有动画设计简单逼真的特点，表1中即为一段典型的动画节点代码，其中时间传感器(TimeSensor)作为动画行为的驱动，位置插补器(PositionInterpolator)中定义了关键点(Key)和对应的关键值(KeyValue)，然后执行简单的动态计算，形成平滑的动画轨迹，而后在时间传感器和位置传感器之间添加路由，在位置传感器和模型之间添加路由，从而实现动画设计。其原理如图1所示。基于上述技术路线，通过实时设计VRML模型动画来仿真加工装配工艺过程，使异地的设计人员对整个的装配工艺过程有直观准确的了解。VRML为协同装配工艺规划提供了很好的技术基础，但同时因为VRML只是一种三维场景描述语言，所以使用VRML语言描述的机械设计模型缺少一般CAD模型所具有的丰富信息，在实现仿真装配工艺过程时还有以下不足：

(1)缺少大量CAD模型中的工程语义信息，使装配工艺规划时难以捕捉和维护产品约束等工程信息；

(2)缺少必要的连接及联接副信息，如转动联接副，移动连接副等。VRML模型中的动画只是各个模型的单独运动，没有关联性，所以对于复杂的装配工艺过程，VRML模型自身动画的仿真是不可行的；

(3)缺少系统化的工艺规划方法，对于大型的、复杂的装配体，缺少规范的方法其操作难度和效率会急剧增加。

表1典型VRML动画程序

#VRML V2.0 utf8DEF T1 Transform{translation 800.6 376.8 194.7 //平移域rotation 010-0.01745 //旋转域children[DEF T1-TIMER TimeSensor{loop TRUE cycleInterval 60}，//设置时间传感器DEF T1-POS-INTERP PositionInterpolator {//位置插补器key[0 //关键点0.420.460.50]keyValue[0.6 376.8 194.7，//关键位置0.6 376.8 194.7，800.6 376.8 194.7，800.6 376.8 194.7，]}，Inline{url″D://T1.wrl″ //引用造型}]ROUTE T1-TIMER.fraction_changed TO T1-POS-INTERP.set_fraction //添加路由ROUTE T1-POS-INTERP.value_changed TO T1.set_translation //添加路由}

发明内容

本发明的目的在于对基于VRML模型的网络化有约束协同装配工艺规划仿真提供高效、方便的操作方法，使用数学的方法解决VRML模型缺少工程信息、联接信息、约束信息的问题，使异地设计者通过直观的3D模型对装配体的工艺规划展开讨论、设计、生成工艺规划结果。

本发明的特征在于，所述装配工艺规划是指装配体动态运行和装配体安装过程的规划；所述仿真方法是在基于TCP/IP协议的网络环境中通过在各用户端的计算机配置用VRML表示的虚拟现实建模语言的格式文件后的设计者与设计环境交互的方式实现仿真的，所述的方法依次含有以下步骤：

步骤1.在计算机中设定以下两种联接约束的类型：

滑动联接约束，其约束表达式为：

Part_1＝{SC(Part_2)}，表示Part_1通过滑动联接约束与Part_2联接；

所述Part_1、Part_2是表示滑动联接的零部件；

转动联接约束，其约束表达式为：

Part_1＝{RC(Part_2)}，表示Part_1通过转动联接约束与Part_2联接；

Part_2＝{RC(Part_1)，RC(Part_3)}，表示Part_2在运动过程中所受的约束条件有两个，一个是与Part_1的转动联接约束，另一个是与Part_3的转动联接约束；

所述Part_1、Part_2、Part_3是表示要转动的零部件；

步骤2.计算机根据要进行有约束装配仿真的对象选定有约束仿真装配体的VRML模型，该模型是要装配的各零部件的组合；

步骤3.计算机指定开环机构或闭环机构中各零部件与它的前端部件和后端部件的转动联接和滑动联接的约束类型：

所述开环机构是指前端部件运动不受后端部件约束的影响的机构，所述前端部件和后端部件分别表示所述开环机构的各部件联接约束关系中的位于始端和末端的部件；

所述闭环机构是指在计算前端部件运动时应考虑后端部件的约束的机构；

步骤4.计算机根据开环机构或闭环机构的仿真类型，基于相应滑动联接约束或转动联接约束的约束表达式，采用下述公式计算各零部件在运动中的位置参数：

设：T_{Trn_i}表示平移矩阵，T_{Rot_i}表示旋转矩阵，T_{Trn_i}和T_{Rot_i}与所述VRML模型的位置参数的关系分别如下式所示：

T_{Trn_i} = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ Δx & Δy & Δz & 1 \end{matrix}]

T_{Rot_i} = [\begin{matrix} R_{x}^{2} + (1 - R_{x}^{2}) \cos θ & R_{x} \cdot R_{y} (1 - \cos θ) + R_{z} \cdot \sin θ & R_{x} {\cdot R}_{z} (1 - \cos θ) - R_{y} \cdot \sin θ & 0 \\ R_{x} \cdot R_{y} (1 - \cos θ) - R_{z} \cdot \sin θ & R_{y}^{2} + (1 - R_{y}^{2}) \cos θ & R_{y} \cdot R_{z} (1 - \cos θ) + R_{x} \cdot \sin θ & 0 \\ R_{x} {\cdot R}_{z} (1 - \cos θ) + R_{y} \cdot \sin θ & R_{y} \cdot R_{z} (1 - \cos θ) - R_{x} \cdot \sin θ & R_{z}^{2} + (1 - R_{z}^{2}) \cos θ & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}]

其中R_x，R_y，R_z为旋转域中在x，y，z方向上的旋转轴，θ为旋转域中的旋转角，Δx，Δy，Δz为平移域中在x，y，z方向上平移的值。

计算机根据给定的初始位置参数，依照各个零部件的联接约束类型，计算运动后的平移矩阵或旋转矩阵，再根据各部件的联接约束关系式求得运动后的新位置，自动获得不同时间点、不同初始位置条件下各个零部件的姿态参数；

步骤5.把步骤4得到的计算结果生成每个零部件的时间—顺序—路径矩阵，按时间段形成关键帧；

步骤6.把表示不同关键点的关键帧分别以逆序写入步骤2中所述VRML文件中各个部件模型的插补器中，把关键点值和关键位置值写入所述插补器的关键点值(Key)和关键位置值(KeyValue)中，再添加时间传感器，在时间传感器和位置传感器之间添加路由，在位置传感器和零部件的造型节点之间添加路由，生成仿真画面。

实验证明：将以上技术应用于基于三维VRML模型的协同设计系统——VIAVRML的开发中。VIAVRML系统是国家863课题网络化产品协同设计支持平台上的一个主要协同设计系统。表2是该系统的运行环境。本发明有效地实现了协同装配工艺规划仿真。异地设计者可以方便、快速操作VRML格式的装配体模型，通过3D模型进行直观、有效的交流，充分表达设计者的设计理念，实时查看或修改装配工艺设计结果，展开讨论。还可利用系统内置的碰撞冲突检测工具对规划结果进行自动检测，发现设计冲突可即时调整规划设计。最后生成的工艺设计文件可导出与其它设计系统集成。

表2VIAVRML运行环境

操作系统	Windows 2000/XP，TCP/IP
操作系统	Windows 2000/XP，TCP/IP	支撑软件	CortVRML VRML浏览器

实验数据

实际使用中，以对清华小卫星NS-1的协同装配工艺规划为例，以往在这一设计环节耗时为45天，采用本发明所述方法耗时为13.5天，耗时大为减少。经过多次实际应用得出，使用基于VRML模型的装配工艺规划方法与普通的协同设计规划方法在操作效率方面对比结果如图6所示。

附图说明

图1VRML动画实现原理；

图2顺序—路径—时间矩阵图；

图3基于约束的开环机构运动仿真；

图4基于约束的闭环机构运动仿真；

图5基于约束装配工艺规划仿真方法流程图；

图6基于VRML的协同装配工艺规划与普通工艺规划用时对比图，由图可见，普通工艺规划方法采用串行工作方式，增加反复规划次数和工作耗时；基于VRML模型的协同装配工艺规划采用同步讨论，并行工作，用时减少为以往的30％。

具体实施方式

基于约束的装配工艺规划仿真，多用于装配体动态运行的仿真和装配体安装过程仿真。与无约束装配工艺仿真不同，基于约束的装配工艺规划仿真的关键是约束的定义和指定。根据VRML模型的特点，将联接约束分为滑动连接约束(Sliding connection constraint，SC)和转动联接约束(Rotating connection constraints，RC)。通过这两种约束可以将装配工艺准确地描述出来，如下面约束表达式所示：

Part_1＝{RC(Part_2)}；

表示Part_1通过一个转动联接约束与Part_2联接。

Part_2＝{RC(Part_1)，SC(Part_3)}；

表示Part_2在运动过程中所受的约束条件有两个，一个是与Part_1的转动联接约束，另一个是与Part_3的滑动联接约束。

本申请文件还将基于约束的装配工艺仿真分为两种机构类型：开环机构和闭环机构。开环机构中的约束为不完全约束，前端部件的运动不受后端部件约束的影响；闭环机构中的约束为完全约束，所以在计算前端部件运动时应考虑后端部件的约束。以上两种基于约束的运动仿真均难以在VRML模型环境中直接实现，因为普通的CAD系统中运动是动力驱动(motion-driven)，其约束关系在运动的同时得到满足，而VRML模型中的运动是时间驱动(time-driven)，其运动只与时间相关联，所以需要通过一些算法的计算实现与其它CAD系统类似的基于约束的运动，同时得到VRML模型的具体姿态。对以上两种基于约束的机构类型实现方法有所不同。具体依次含有以下步骤：

(1)设定模型组部件成员，选择装配工艺仿真类型为基于约束仿真。因为在一个复杂装配体中可能包含多个无约束仿真和约束仿真机构单元，而VRML标准对此没有定义和描述，故首先应将进行分类；

(2)指定联接约束。将VRML模型中的机构用预先定义好的滑动联接约束和转动联接约束进行描述；

对于开环机构，例如图3机构，图中各部件为：Part_1(部件_1)，Part_2(部件_2)，Part_3(部件_3)，Part_4(部件_4)，Part_5(部件_5)，其联接关系可表述为：

Part_1＝{RC(Part_2)}；

Part_2＝{RC(Part_1)，RC(Part_3)}；

Part_3＝{RC(Part_2)，RC(Part_4)}；

Part_4＝{RC(Part_3)，RC(Part_5)}；

Part_5＝{RC(Part_4)}.

其运动环中初始(Part_1)和末尾(Part_5)的部件只受一个约束条件限制，故为开环机构。

对于闭环机构，例如图4机构，图中装配体中各部件为：底座(Base)，摇杆_1(Rocker_1)，摇杆_2(Rocker_2)，滑块_1(Slider_1)，滑块_2(Slider_2)的联接关系可表述为：

Base＝{SC(Slider_1)，SC(Slider_2)}；

Slider_1＝{SC(Base)，RC(Rocker_1)}；

Slider_2＝{ SC(Base)，RC(Rocker_2)}；

Rocker_1＝{RC(Slider_1)，RC(Rocker_2)}；

Rocker_2＝{RC(Slider_2)，RC(Rocker_1)}.

其运动环中所有的部件均受两个约束条件限制，故为闭环机构。

(3)指定机构仿真类型，为开环机构或闭环机构。按着不同的算法进行位置姿态的计算，得出不同时刻、不同位置下各个部件的位置参数；

基于以上约束表达式，采用数学关系式计算各部件在运动中的位置。设T_{Rot_i}表示旋转矩阵，T_{Trn_i}表示平移矩阵，T_{Trn_i}和T_{Rot_i}式与VRML模型参数关系如式(1)，(2)所示，其中R(R_x，R_y，R_z)为旋转域中的旋转轴，θ为旋转域中的旋转角，Δx，Δy，Δz为平移域中在x，y，z方向上平移的值。

T_{Trn_i} = [\begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ Δx & Δy & Δz & 1 \end{matrix}] - - - (1)

T_{Rot_i} = [\begin{matrix} R_{x}^{2} + (1 - R_{x}^{2}) \cos θ & R_{x} \cdot R_{y} (1 - \cos θ) + R_{z} \cdot \sin θ & R_{x} {\cdot R}_{z} (1 - \cos θ) - R_{y} \cdot \sin θ & 0 \\ R_{x} \cdot R_{y} (1 - \cos θ) - R_{z} \cdot \sin θ & R_{y}^{2} + (1 - R_{y}^{2}) \cos θ & R_{y} \cdot R_{z} (1 - \cos θ) + R_{x} \cdot \sin θ & 0 \\ R_{x} {\cdot R}_{z} (1 - \cos θ) + R_{y} \cdot \sin θ & R_{y} \cdot R_{z} (1 - \cos θ) - R_{x} \cdot \sin θ & R_{z}^{2} + (1 - R_{z}^{2}) \cos θ & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \end{matrix}] - - - (2)

对于开环机构，设P_{Part_1}表示Part 1上任意一点，P_{Part_1}表示经过一次位置变换后P_{Part_1}的位置，其它部件依此类推。图3中所示装配体的运动可用式(3)表达：

|\begin{matrix} P_{Part_1}^{'} = T_{Rot_1} P_{Part_1} \\ P_{Part_2}^{'} = T_{Rot_2} T_{Rot_1} P_{Part_2} \\ P_{Part_3}^{'} = T_{Rot_3} T_{Rot_2} T_{Rot_1} P_{Part_3} \\ P_{Part_4}^{'} = T_{Rot_4} T_{Rot_3} T_{Rot_2} T_{Rot_1} P_{Part_4} \\ P_{Part_5}^{'} = T_{Rot_5} T_{Rot_4} T_{Rot_3} T_{Rot_2} T_{Rot_1} P_{Part_5} \end{matrix} - - - (3)

上式中，T_{Rot_1}为部件Part_1的旋转变换矩阵，T_{Rot_2}为部件Part_2关于Part_1的旋转变换矩阵，依此类推。在此类开环约束机构中，旋转轴和旋转角度以及平移量作为已知条件可以得到，所以旋转或平移变换矩阵也是已知的，因此各个部件经过变换后的状态可以直接计算得出。

对于闭环机构，设P₁，P₂，P₃为三个联接点，如图4中所示，设P₁′，P₂′，P₃′为P₁，P₂，P₃运动后的新位置。它们满足如下关系

|\begin{matrix} P_{1}^{'} = T_{Rot_1} P_{1} \\ P_{2}^{'} = T_{Rot_1} P_{2} \\ P_{2}^{'} = T_{Rot_1} T_{Rot_2} P_{2} \\ P_{3}^{'} = T_{Rot_1} T_{Rot_2} P_{3} \end{matrix} - - - (4)

约束条件：P₃′＝T_{Trn_3}P₃.

上式中，T_{Rot_1}为部件rocker_1的旋转变换矩阵，T_{Rot_2}为部件rocker_2关于rocker_1的旋转变换矩阵，T_{Trn_3}为slider_2的平移变换矩阵。如果给定一些初始条件，通过上述关系式和约束条件，便可以计算得出变换矩阵T_{Rot_2}和T_{Trn_1}。然后由关系式(4)，(5)将之转换为VRML模型可用的平移域值和旋转域值。通过约束计算，自动得到不同时间点、不同初始位置条件下各个部件的姿态参数。

(4)将计算结果生成时间—顺序—路径矩阵。即如图2所示，P_Kp1 ¹，P_Kp2 ¹，P_Kp3 ¹，P_Kp4 ¹..是Prt1在如图2阴影时间段中的一系列关键位置点，类似给出其它部件不同时段的关键位置；

(5)将关键帧分别写入VRML文件的中各个部件模型的插补器(Interpolator)中(参见表1)，即关键点和关键位置值写入插补器的Key和KeyValue域中，然后添加时间传感器(TimeSensor)，在时间传感器和位置传感器之间添加路由，在位置传感器和模型造型节点之间添加路由，生成仿真动画。

约束装配工艺规划仿真方法流程如图5所示。

这种基于约束装配工艺规划方法的优点在于：

(1)通过数学表达式关联各离散装配部件。改变了以往将每一个部件的若干关键位置计算出来输入VRML模型形成仿真动画的方法，使用变换矩阵将部件与部件之间的运动关联起来，使之与普通CAD中的动态装配仿真相类似；

(2)分组化VRML装配体装配仿真。将复杂的VRML装配体按照仿真机构的类型和装配的关系划分为若干个子装配过程，降低工艺规划复杂程度，并对开环约束仿真和闭环约束仿真分别处理；

(3)与VRML的紧密集成。设计者通过交互拾取信息，提供必要的计算条件，如无约束装配仿真中的旋转轴、旋转角和平移量，约束装配仿真中的约束件和初始化条件，通过自动数学计算得到仿真过程中各部件的若干姿态数据，最终传入VRML模型中构造仿真动画。

Claims

1.基于VRML模型的有约束协同装配工艺规划的仿真方法，其特征在于，所述装配工艺规划是指装配体动态运行和装配体安装过程的规划；所述仿真方法是在基于TCP/IP协议的网络环境中通过在各用户端的计算机配置用VRML表示的虚拟现实建模语言的格式文件后的设计者与设计环境交互的方式实现仿真的，所述的方法依次含有以下步骤：