CN100395761C - 基于vrml模型的无约束协同装配工艺规划的仿真方法 - Google Patents

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依次按照以下步骤实现无约束协同装配工艺规划：选定无约束仿真装配体模型；确定所选各部件的装配顺序，在时间轴上形成装配顺序关系树；借助于VRML模型的软件包，用一系列关键位置描述同一零部件的运动路线了；形成包括各个部件的关键时间—关键位置列表；把上述列表的逆序分别写入VRML文件中各个部件模型的插补器中，再添加时间传感器，分别依次形成时间传感器和位置传感器之间以及位置传感器和零部件造型节点间的路由，生成仿真画面。本发明显著提高了设计效率。

Description

基于VRML模型的无约束协同装配工艺规划的仿真方法

技术领域

本发明涉及基于VRML模型的无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 V2.0utf8DEFT1 Transform{translation 800.6376.8194.7                              //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[0.6376.8194.7，                         //关键位置0.6376.8194.7，800.6376.8194.7，800.6376.8194.7，]}，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虚拟现实建模语言模型的网络化无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实现装配过程中的顺序和路径的规划，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节点机上配置虚拟现实建模语言的格式文件后以设计者与设计环境交互的方式仿真实现的，所述的方法依次含有以下步骤：

步骤1.计算机根据要进行无约束装配仿真的对象选定无约束仿真装配体模型，该模型是装配体和要与该装配体进行装配的零部件的组合；

步骤2.计算机确定无约束装配组合中各部件的装配顺序，要把表示各零部件装配顺序关系的装配顺序关系树以时间坐标形式用关键时间点表示在时间轴上，相应地表示各部件的运动时段；

步骤3.计算机规划装配途径：各设计者借助于软件包Cortona SDK通过给定的基于TCP/IP协议的网络环境交互拾取一系列关键位置，用KP_{(x1，y1，z1，t1)}，KP_{(x2，y2，z2，t2)}，KP_{(x3，y3，z3，t3)}，KP_{(x4，y4，z4，t4)}…KP_{(xn，yn，zn，tn)}描述同一零部件的平移运动路线，用KP_{(Rx1，Ry1，Rz1，θ1)}，KP_{(Rx2，Ry2，Rz2，θ2)}，KP_{(Rx3，Ry3，Rz3，θ3)}，KP_{(Rx4，Ry4，Rz4，θ4)}…KP_{(Rxn，Ryn，Rzn，θn)}描述同一零部件的旋转运动路线，两种运动同一时间在同一零部件上组成合成运动，n表示所述零部件所经过的各个关键位置，共n个，t_n表示所述零部件经过关键位置n时对应的关键时间点，n＝1，2，……n；

步骤4.计算机根据步骤2、3的结果得到一个以各部件关键时间-关键位置列表形式表示的仿真参数系列，其中平移运动的位置参数为(x，y，z)，旋转运动的位置参数为(R_x，R_y，R_z，θ)；

步骤5.把步骤4得到的各零部件的关键时间-关键位置列表以逆序分别写入虚拟现实建模语言格式文件中的各个部件模型插补器中，把关键时间点和关键位置值写入所述插补器的关键点Key和关键值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3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
		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装配顺序规划图

图3装配路径规划图

图4无约束装配工艺规划

图5无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：

无约束装配工艺仿真的关键是实现装配过程中的顺序和路径的规划。为将整个过程直观清楚地表达，使用如图2的方式描述整个装配过程顺序规划。在图2中，以一个五部件构成的装配体为例，包括：Base part(装配件)，Asm1(装配体_1)，Sub_Asm1(子装配体_1)，Prt1(零件_1)，Prt2(零件_2)。图2所表示的装配顺序如下：Sub_Asm1首先装配到Asm1中，成为Asm1的一部分，图中用¨表示。然后Asm1，Prt1，Prt2按时间轴上的先后顺序装配到Base part。关于装配路径，可通过在拆卸装配体的过程中，记录各个部件的若干关键位置，给定相应时间，得到装配路径。

具体步骤如下：

(1)选定无约束仿真装配体模型。在复杂的装配工艺设计中，常常包含多种装配类型，故首先要选定进行无约束装配仿真的对象，例如上述的装配组{<Base part>，<Asm1>，<Sub_Asm1>，<Prt1>，<Prt2>}；

(2)规划装配顺序。采用如图2的表示方法，确定无约束装配组中各部件的装配顺序，用¨表示从属关系，将此装配顺序关系树置于时间坐标轴上，以确定各部件装配先后顺序。用图2中阴影块长度表示各部件运动时段；

(3)规划装配路径。采用VRML模型用于协同设计的一个主要优点就是其直观，简练，故路径规划的关键位置可通过设计者与设计场景交互的方式得到，其交互拾取关键位置过程可由已有的软件包Cortona SDK实现，在本申请文件中是给定的，其过程示意如图3所示，用一系列关键位置{KP_{(x1，y1，z1，t1)}，KP_{(x2，y2，z2，t2)}，KP_{(x3，y3，z3，t3)}，KP_{(x4，y4，z4，t4)}…}描述同一零件的运动路径；

(4)根据步骤(2)，(3)得到装配规划仿真参数序列。将上述设计以列表的形式进行描述，为每一个部件整理一个时间-位置列表，如表2所示，用作后面实现VRML动画仿真数据；

表3某部件时间-位置列表

(5)运动参数以逆序写入VRML模型文件得到装配仿真动画。将上述时间-位置列表以逆序分别写入VRML文件的中各个部件模型的插补器(Interpolator)中(参见表1)，即关键时间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。

无约束装配工艺仿真的关键是实现装配过程中的顺序和路径的规划。为将整个过程直观清楚地表达，使用如图2的方式描述整个装配过程顺序和路径规划的流程。以小卫星整体装配体(图4)为例，其包括：Base part(主舱体)，Asm1(传感器平台)，Sub_Asm1(卫星天线)，Prt1(电路板)，Prt2(探测器)。图2所表示的装配顺序如下：Sub_Asm1首先装配到Asm1中，成为Asm1的一部分，图中用¨表示。然后Asm1，Prt1，Prt2按时间轴上的先后顺序装配到Base part。关于装配路径，可通过在拆卸装配体的过程中，记录各个部件的若干关键位置，给定相应时间，得到装配路径。

无约束装配工艺规划仿真方法流程如图5所示。

这种无约束装配工艺规划方法的优点在于：

(1)简便的操作方式。设计者只要交互地拾取装配体拆卸过程中若干关键位置点，并赋予相应时间点即可；

(2)逐步简化的机制。由与异地设计者的三维交互界面，自动简化为二维的顺序-路径-时间规划图，最后生成一维的列表。在操作与实施之间逐步简化、提取关键信息，实现协同装配工艺规划仿真。

(3)与VRML的紧密集成。这种规划方法源于VRML虚拟设计环境的易传输性和易交互性。设计者通过交互拾取信息，通过此方法简化提取信息，最终得到也正是VRML仿真所需关键信息。

Claims (1)

1.基于虚拟现实建模语言模型的无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实现装配过程中的顺序和路径的规划，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节点机上配置虚拟现实建模语言的格式文件后以设计者与设计环境交互的方式仿真实现的，所述的方法依次含有以下步骤：

步骤1.计算机根据要进行无约束装配仿真的对象选定无约束仿真装配体模型，该模型是装配体和要与该装配体进行装配的零部件的组合；

步骤2.计算机确定无约束装配组合中各部件的装配顺序，要把表示各零部件装配顺序关系的装配顺序关系树以时间坐标形式用关键时间点表示在时间轴上，相应地表示各部件的运动时段；

步骤3.计算机规划装配途径：各设计者借助于软件包Cortona SDK通过给定的基于TCP/IP协议的网络环境交互拾取一系列关键位置，用KP_{(x1，y1，z1，t1)}，KP_{(x2，y2，z2，t2)}，KP_{(x3，y3，z3，t3)}，KP_{(x4，y4，z4，t4)}…KP_{(xn，yn，zn，tn)}描述同一零部件的平移运动路线，用KP_{(Rx1，Ry1，Rz1，θ1)}，KP_{(Rx2，Ry2，Rz2，θ2)}，KP_{(Rx3，Ry3，Rz3，θ3)}，KP_{(Rx4，Ry4，Rz4，θ4)}…KP_{(Rxn，Ryn，Rzn，θn)}描述同一零部件的旋转运动路线，两种运动同一时间在同一零部件上组成合成运动，n表示所述零部件所经过的各个关键位置，共n个，t_n表示所述零部件经过关键位置n时对应的关键时间点，n＝1，2，……n；

步骤4.计算机根据步骤2、3的结果得到一个以各部件关键时间-关键位置列表形式表示的仿真参数系列，其中平移运动的位置参数为(x，y，z)，旋转运动的位置参数为(R_x，R_y，R_z，θ)；

步骤5.把步骤4得到的各零部件的关键时间-关键位置列表以逆序分别写入虚拟现实建模语言格式文件中的各个部件模型插补器中，把关键时间点和关键位置值写入所述插补器的关键点Key和关键值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。

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