CN101799845A

CN101799845A - 虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法

Info

Publication number: CN101799845A
Application number: CN 201019026123
Authority: CN
Inventors: 左敦稳; 张丹; 薛善良; 焦光明; 李建平
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2030-03-01
Also published as: CN101799845B

Abstract

本发明针对电缆装配工艺设计及验证在虚拟制造领域应用的需求，公开了一种虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法，该方法将电缆装配模型分为电缆分支模型和电连接器模型，通过CAD设计信息读取，虚拟环境下模型信息构建和实时装配操作等步骤来实现。其中电缆分支模型可根据加载的质点弹簧系统实现实时的柔性变形，并通过设置质点的属性来完成卡箍装配的操作，电连接器模型可根据约束模型实现插接等电缆的装配操作。该方法采用了电缆的设计信息，在不改变电缆设计参数的前提下解决了目前电缆装配工艺设计及验证严重依赖物理模型的缺点，具有模型准确、直观性、交互性好的特点，可以显著提高产品装配设计的效率并减少设计成本。

Description

虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法

技术领域

本发明涉及的是一种虚拟制造技术，尤其是一种虚拟装配技术在电缆装配设计中的实现方法，具体地说是一种虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法。

背景技术

机电产品通常包括机械系统部分和电气系统部分，而电缆是电气系统中传输电流和信号的重要元器件，广泛使用在武器设备、飞行器、汽车、计算机和家用电器等从军用到民用的机电产品中，而且随着机电一体化技术的发展以及人们对电子产品需求的增强，电缆的应用更加广泛。在这些机电产品的制造过程中，电缆的设计与装配质量已成为影响整个产品质量的重要因素之一。由于电缆种类繁多，形态复杂，并且具有装配空间小、装配类型多样的特性，因此在实际装配过程中极易造成错装、漏装和发生干涉现象，而且给系统的检测和故障排查带来诸多不便。此外，电缆布局的不合理常常会导致产品的重新设计，从而造成极大的浪费。工程上，电缆装配布线一般采用柔性电缆代替真实电缆，对产品实物进行模装试验，进而确定电缆路径长度和电缆网的捆扎方式等，这种制造方式效率低下，产品开发成本高，因此如何在虚拟环境下快速有效地进行电缆装配过程仿真，从而提高实际装配效率和质量，已经成为当前迫切需要解决的问题。

虚拟制造技术的提出为上述问题提供了一个良好的解决办法。虚拟制造技术是在一个统一模型之下对产品制造过程进行集成，它将与产品制造相关的各种过程与技术集成在三维的、动态的仿真真实过程的实体数字模型之上。它从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。而虚拟装配技术是在虚拟现实环境下，而不需要对产品或者支持过程进行物理实现，通过分析、建模、可视化、数据表示等进行或者辅助进行装配相关的工程决策，是虚拟制造技术的重要支撑技术之一。利用虚拟制造技术，在产品进入加工装配环节之前，首先在虚拟制造环境中生成数字化模型代替传统的物理模型进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本，提高企业快速响应市场变化的能力。

作为虚拟制造的支撑技术，CAD技术越来越广泛地应用到产品设计中，而且很多商用CAD软件如Pro/E、UG、CATIA等都提供了电缆的三维造型功能，使得产品设计周期和成本在产品制造过程中所占的比例越来越小。而产品装配作为机械制造过程中的一个重要环节，由于在虚拟装配技术相对于虚拟制造的其他技术而言发展滞后，很难在实际的生产中展开应用，因此造成装配环节的成本和周期在产品制造过程中所占比例越来越大。目前的研究主要集中在针对机电产品机械系统部分的虚拟装配技术的实现上，研究对象基本上为刚体零件，而对于电气系统的虚拟装配技术，尤其是对电缆等柔性体的虚拟装配技术开展的研究并不多，已有的研究是将电缆用离散的圆柱体表示，并使用球体连接各段的圆柱体形成电缆，电缆的形态变化通过控制球体的位置来实现，这种方法无法准确地描述电缆的物理属性，因此难以准确模拟装配过程和对可装配性进行评价和预测。据申请人所知，目前尚无一个系统的，针对电缆在虚拟环境下实时展示其物理属性的，用于虚拟装配技术的技术方法可供人们借鉴使用。

发明内容

本发明的目的是针对目前作为柔性体的电缆装配主要采用圆柱体离散和球体控制难以准确描述电缆的物理属性，因此无法实现虚拟环境下的装配仿真和预测导致生产成本难以下降的问题，发明一种在虚拟环境下根据设计方案建立可柔性变形，但是不改变电缆长度的电缆装配模型，以便于对电缆布线设计进行验证、结合CAD技术、虚拟现实技术和计算机图形学对电缆模型进行信息读取、重构和物理特性的运动仿真的虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法。

本发明的技术方案是：

一种虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，在三维CAD软件中对电缆布线设计出电缆装配模型，通过CAD软件二次开发接口程序读取电缆装配模型的设计信息并同步将电缆装配模型进行三角网格化，生成WRL格式的中性文件；所述的电缆装配模型包括电缆分支模型和电连接器模型，WRL格式下的电缆分支模型由一系列三角面片分割的圆柱面连接组成，圆柱面之间的连接面为圆截面，圆周上分布一系列组成圆柱面的三角面片顶点；

其次，在虚拟现实环境下进行以下电缆装配模型数据的预处理：通过数据转换接口程序读取WRL格式的电缆分支模型文件，建立三角面片和圆柱面的映射关系，并生成各圆截面的中心点集合，同时建立各中心点与分布在圆截面上的点集的映射关系，然后通过数据转换接口程序读取所述的WRL格式的电连接器模型文件，建立三角面片和约束几何面之间的映射关系；

第三，为电缆分支模型加载质点弹簧系统来实现电缆分支模型在装配过程中具有物理真实感的柔性变形，步骤如下：依次将每个圆截面的中心点作为质点，并设置质点编号、质量、位置、速度、合力值和是否可动；依次在相邻的圆截面间加载弹簧，将两圆截面的中心点作为弹簧连接的两个质点，设置弹簧编号、原长、最大伸缩率、弹性系数和阻尼系数；

第四，建立电缆装配模型的层次包围盒用于装配仿真过程的实时碰撞检测，步骤分别如下：对于电缆分支模型，根据其三角面片模型生成坐标轴轴向包围盒(AABB，Axis-aligned Bounding Box)的层次包围盒用于与其他物体的碰撞检测，依次以圆截面中心点为圆心，圆截面半径为半径生成包围球用于自碰撞检测；对于电连接器模型，根据其三角面片模型生成方向包围盒(OBB，Oriented Bounding Box)的层次包围盒；

第五，根据各电缆分支和电连接器之间的拓扑关系和相对位置信息，将电连接器和电缆分支装配成为一个整体，并在装配过程中保持电连接器和电缆分支连接处的相对位置不变；

第六，在虚拟环境下对装配场景进行渲染，通过抓取电缆分支或者抓取电连接器的装配运动控制方式，对电缆装配模型进行布线装配操作：

抓取电缆分支运动到固定点位置，将离固定点最近的质点属性设置为不可动，重复此操作，实现逐步固定各段电缆分支；

抓取电连接器运动到目标电连接器附近，通过约束识别到插入配合操作，将电连接器精确定位到目标装配位置；

从而完成对整段电缆的可装配性验证。

所述的设计信息为一系列描述电缆模型分支数目、各分支拓扑关系、各分支直径、最小弯曲半径、颜色和描述电连接器配合约束信息以及电连接器和各电缆分支拓扑关系和相对位置信息的集合，所述的配合约束信息包括约束几何面、约束类型、特征值。

所述的装配运动控制方式有两种：一种是以电缆整体为装配对象进行平移和旋转操作；一种是抓取电连接器时，根据电连接器的位置和运动速度计算与该电连接器端口相连的电缆分支圆截面质点的位置和运动速度，或者抓取电缆分支时，获取离抓取位置最近的圆截面质点位置和运动速度，并根据电缆分支所建立的质点弹簧系统迭代计算每个可动质点的所受合力、加速度、速度及下一帧的可能位置，同时进行自碰撞检测和其他物体之间的碰撞检测及响应，根据相邻两个质点的位置计算矢量v₁，旋转质点所对应的圆截面使得圆截面的法向矢量v和v₁重合，并更新电缆分支的AABB层次包围盒，这样电缆分支模型在运动控制力、重力的作用下，在装配过程中根据所建立的质点弹簧系统可模拟电缆的柔性变形仿真。

本发明的有益效果是：

本发明直接采用电缆的设计信息，在不改变电缆设计参数的前提下解决了目前电缆装配工艺设计及验证严重依赖物理模型的缺点，具有模型准确、直观性、交互性好的特点，可以显著提高产品装配设计的效率并减少设计成本。

附图说明

图1是电缆分支模型在虚拟环境下的数据表达示意图。

图2是电连接器模型在虚拟环境下的数据表达示意图。

图3是电缆装配模型几何模型虚拟环境下的渲染图和线框图。

其中(1)为电缆装配模型的渲染图，(2)为电缆装配模型的线框

图，(3)为电缆分支模型的细节示意图。

图4是电缆分支模型质点弹簧系统的示意图。

其中m_i表示第i个质点，s_i表示第i个弹簧，v_i表示第i个圆截面的法向矢量。

图5是虚拟环境下电缆装配模型的预处理流程示意图。

图6是虚拟环境下控制电缆运动的流程示意图。

图7为不考虑重力的可柔性变形电缆的装配场景。

图8为电连接器在轴孔约束下进行运动导航的装配。

图9为电缆装配模型最终的装配姿态。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示。

首先，在三维CAD软件中对电缆布线设计出电缆装配模型，通过CAD软件二次开发接口程序读取电缆装配模型的设计信息。然后将电缆装配模型三角网格化，生成WRL格式的中性文件。所述的电缆装配模型包括电缆分支模型和电连接器模型，WRL格式下的电缆分支模型由一系列三角面片分割的圆柱面连接组成，圆柱面之间的连接面为圆截面，圆周上分布一系列组成圆柱面的三角面片顶点。其中电缆分支和电连接器几何模型示意图如图3所示。

所述的设计信息为一系列描述电缆模型分支数目、各分支拓扑关系、各分支直径、最小弯曲半径、颜色和描述电连接器配合约束信息以及电连接器和各电缆分支拓扑关系和相对位置信息的集合。所述的配合约束信息包括约束几何特征(点、线、平面、圆柱面、锥面等)、约束类型(对齐、贴合、插入等)、特征值(距离、直径)等。

其次，在虚拟现实环境下进行以下电缆装配模型数据的预处理：通过数据转换接口程序读取所述的WRL格式的电缆分支模型文件，建立三角面片和圆柱面的映射关系，并生成各圆截面的中心点集合，同时建立各中心点与分布在圆截面上的点集的映射关系。然后通过数据转换接口程序读取所述的WRL格式的电连接器模型文件，建立三角面片和约束几何面之间的映射关系。所建立的电缆分支模型和电连接器模型表达的数据结构如图1和图2所示。

第三，为电缆分支模型加载质点弹簧系统来实现电缆分支模型在装配过程中具有物理真实感的柔性变形，步骤如下：依次将每个圆截面的中心点作为质点，并设置质点编号、质量、位置、速度、合力值和是否可动。依次在相邻的圆截面间加载弹簧，将两圆截面的中心点作为弹簧连接的两个质点，设置弹簧编号、原长、最大伸缩率、弹性系数和阻尼系数。

质点和弹簧的数据结构如下所示：

class Mass class Spring

{ {

public： public：

int mID； //质点编号 int sID； //质点编号

float mass； //质点质量 int mID1，mID2；//弹簧两端质点编号

Vector3D pos； //质点位置 float length； //弹簧原长

Vector3D velocity；//质点速度 float ks，kd； //弹性系数、阻尼系数

Vector3D force； //质点所受合力 float el； //最大伸缩率

BOOL fix； //可动标示 }

}

第四，建立电缆装配模型的层次包围盒用于装配仿真过程的实时碰撞检测，步骤分别如下：对于电缆分支模型，根据其三角面片模型生成AABB层次包围盒用于与其他物体的碰撞检测，依次以圆截面中心点为圆心，圆截面半径为半径生成包围球用于自碰撞检测。对于电连接器模型，根据其三角面片模型生成OBB层次包围盒。

第五，根据各电缆分支和电连接器之间的拓扑关系和相对位置信息，将电连接器和电缆分支装配成为一个整体，并在装配过程中保持电连接器和电缆分支连接处的相对位置不变。

第六，在虚拟环境下对装配场景进行渲染，通过抓取电缆分支或者抓取电连接器的装配运动控制方式，对电缆装配模型进行布线装配操作：抓取电缆分支运动到固定点位置，将离固定点最近的质点属性设置为不可动，重复此操作，实现逐步固定各段电缆分支。抓取电连接器运动到目标电连接器附近，通过约束识别到插入配合操作，将电连接器精确定位到目标装配位置。由其可对整段电缆的可装配性进行验证。

所述的装配运动控制方式有2种：一种是以电缆整体为装配对象进行平移和旋转操作；一种是抓取电连接器时，根据电连接器的位置和运动速度计算与该电连接器端口相连的电缆分支圆截面质点的位置和运动速度，或者抓取电缆分支时，获取离抓取位置最近的圆截面质点位置和运动速度，并根据电缆分支所建立的质点弹簧系统迭代计算每个可动质点的所受合力、加速度、速度及下一帧的可能位置，同时进行自碰撞检测和其他物体之间的碰撞检测及响应，根据相邻2个质点的位置计算矢量v₁，旋转质点所对应的圆截面使得圆截面的法向矢量v和v₁重合，并更新电缆分支的AABB层次包围盒，这样电缆分支模型在运动控制力、重力的作用下，在装配过程中根据所建立的质点弹簧系统可模拟电缆的柔性变形仿真。

其中质点弹簧系统的计算步骤如下：

(1)初始化质点和弹簧属性，计算离抓取位置最近的质点i的位置，如果质点不可动，则跳过；否则，则按照下式计算质点i所受的合力F_i：

F_{i} = F_{ext} + \underset{j = - 1,1}{Σ} [- \frac{{ks}_{i, i + j} (| | x_{i} - x_{i + j} | | - l_{i, i + j})}{| | x_{i} - x_{i + j} | |} (x_{i} - x_{i + j}) + {kd}_{i, i + j} (v_{i + j} - v_{i})]

其中F_ext为外力(重力、空气阻力等)之和，ks_i，i+j和kd_i，i+j为质点i和质点i+j之间的弹性系数和阻尼系数，x_i为质点i的位置，v_i为质点i的速度。

(2)计算质点i的加速度：

a_{i} = \frac{F_{i}}{m_{i}}

(3)根据显式欧拉积分法计算质点i的速度：

v_i(t+h)＝v_i(t)+a_ih

其中h为迭代步长。

(4)计算质点i下一步可能的位置：

x_i(t+h)＝x_i(t)+v_i(t+h)h

(5)对质点i进行自碰撞检测和与其他物体的碰撞检测，如果发生碰撞，则回到原来的位置；如果未发生碰撞，则将质点i的位置更新。

(6)根据矢量

计算质点i处圆截面的法向矢量的旋转四元数Q，根据Q旋转圆截面上圆周上的所有点。更新电缆分支模型的AABB层次包围盒并且渲染这一帧。

(7)当所有的质点达到平衡，即位移小于预设值ε时，停止遍历所有质点；否则，则继续遍历。

下面结合一个实例作进一步的说明：

如图7-9所示。

首先在CAD设计环境下(Pro/Engineering Wildfire2.0)打开电缆设计模型，点击根据二次开发接口函数开发的用户定制菜单下的菜单项，读取电缆设计信息并保存到Microsoft Access数据库中。并将设计模型面片化生成WRL格式的中性文件。

然后在虚拟环境中进行初始化操作：读取数据库中的设计信息，并导入上述生成的中性文件，对电缆分支模型和电连接器模型进行几何模型、质点弹簧模型、约束模型和碰撞模型的构建。然后对装配场景进行渲染，电缆装配模型进入待装配状态。不考虑重力的可柔性变形电缆的装配场景如图7所示。

通过虚拟手套、三维鼠标、轨迹球等输入设备抓取电缆装配模型进行装配操作，当抓取到电连接器模型进行装配时，当运动到目标接插件附近时，可以通过约束捕捉以及运动导航使电连接器装配到目标位置，同时电缆分支模型一起运动。电连接器在轴孔约束下进行运动导航的装配如图8所示。当抓取到电缆分支模型进行卡箍等固定操作时，电缆其他部分可以随着抓取部分柔性变形。电缆装配模型最终的装配姿态如图9所示。

Claims

1.一种虚拟装配环境下柔性电缆装配模型的实现方法，其特征是它包括以下步骤：

第四，建立电缆装配模型的层次包围盒用于装配仿真过程的实时碰撞检测，步骤分别如下：对于电缆分支模型，根据其三角面片模型生成坐标轴轴向包围盒的层次包围盒用于与其他物体的碰撞检测，依次以圆截面中心点为圆心，圆截面半径为半径生成包围球用于自碰撞检测；对于电连接器模型，根据其三角面片模型生成方向包围盒的层次包围盒；

从而完成对整段电缆的可装配性验证。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的设计信息为一系列描述电缆模型分支数目、各分支拓扑关系、各分支直径、最小弯曲半径、颜色和描述电连接器配合约束信息以及电连接器和各电缆分支拓扑关系和相对位置信息的集合，所述的配合约束信息包括约束几何面、约束类型、特征值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的装配运动控制方式有两种：一种是以电缆整体为装配对象进行平移和旋转操作；一种是抓取电连接器时，根据电连接器的位置和运动速度计算与该电连接器端口相连的电缆分支圆截面质点的位置和运动速度，或者抓取电缆分支时，获取离抓取位置最近的圆截面质点位置和运动速度，并根据电缆分支所建立的质点弹簧系统迭代计算每个可动质点的所受合力、加速度、速度及下一帧的可能位置，同时进行自碰撞检测和其他物体之间的碰撞检测及响应，根据相邻两个质点的位置计算矢量v₁，旋转质点所对应的圆截面使得圆截面的法向矢量v和v₁重合，并更新电缆分支的AABB层次包围盒，这样电缆分支模型在运动控制力、重力的作用下，在装配过程中根据所建立的质点弹簧系统可模拟电缆的柔性变形仿真。