面向过程的产品信息虚拟装配建模技术研究

刘子建 王 平 艾彦迪

湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082

面向过程的产品信息虚拟装配建模技术研究

刘子建 王 平 艾彦迪

湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙，410082

为解决虚拟装配过程中产品模型信息的完备性和跟随性等问题，提出了面向装配过程的产品信息虚拟装配模型，该模型运用属性机制建立模型几何拓扑信息与非几何信息的映射关系，依据信息粒度采用树型框架结构构造信息的多层次表达结构，满足虚拟装配过程中产品信息表达完备、动态跟随和实时性要求。开发了虚拟装配建模系统，验证了实现技术的可行性。

虚拟装配；产品信息；属性机制；树型框架结构

0 引言

虚拟装配作为虚拟现实技术在产品设计领域的典型应用，对优化产品设计、缩短装配周期、降低装配成本、提高装配操作人员的培训速度、提高装配质量和效率具有重要意义［1－3］。国内外学者对虚拟装配技术进行了广泛的研究。南洋理工大学的 Wang等［4］在其开发的工业培训系统中用BSP－Tree组织虚拟环境中的几何对象模型，使用vml文件进行存储和表达。这种方法侧重表达零件的几何外观信息，未考虑零部件间装配约束关系和工程设计等非几何信息。文献［5－7］采用B－rep和CSG相结合的方法描述几何拓扑信息，支持3D操作的虚拟装配，可满足模型信息完备性的需求，但模型信息表达复杂，信息更新和管理效率偏低，不能很好地满足实时性要求。

总之，现有虚拟建模方法对装配过程中产生的装配工艺、工程语义、产品管理等信息未能提供动态、有效的存取和管理机制，难以发挥模型作为产品信息载体的作用。因此，为实现装配过程信息的有效集成和完备表达，虚拟装配模型应能满足如下三方面要求：

（1）完备性。装配模型不仅包含完整的几何拓扑信息，还应包含设计要求、工程语义、装配工艺等非几何信息，以满足装配工艺规划和可行性分析的需求。

（2）跟随性。模型装配信息随着装配过程的推进而逐步丰富，装配信息与模型动态跟随是减少模型信息冗余、满足实时性要求的基础。

（3）高效性。装配模型应具有合理的数据结构，支持信息的高效表达和有序组织，有利于降低系统检索、存取数据的开销。

鉴于此，本文研究了面向虚拟装配过程的产品信息模型原理和结构问题，运用属性机制建立模型几何信息与非几何信息动态跟随的映射关系，构建信息多层次表达的树型框架结构，以实现装配过程信息的完备表达和有效管理。

1 属性机制与树型结构框架

1.1 属性机制

目前，虚拟装配系统多采用几何拓扑元素直接驱动的模式存取装配模型的数据。当模型的几何元素发生改变时，连接在几何元素上的模型数据将会丢失或产生冗余，存在着数据结构可扩展性差、更新效率低的缺点。

针对以上不足，本文运用属性机制建立模型几何体与非几何信息动态映射关系。其基本原理是将模型包含的所有信息均作为属性类进行统一处理，即将模型的几何拓扑数据、非几何信息分别定义为形体属性和信息属性，通过属性机制建立模型几何拓扑数据与非几何信息的映射关系。不同于传统的属性方式（图1a），本文运用的属性机制包含一个特殊的树型框架结构，系统通过它建立模型的几何信息与非几何信息之间的映射关系，并为设计者在装配过程中实时修改、添加连接在模型或几何体素上的非几何信息提供支持，形成模型信息的动态跟随，原理如图1b所示。

图1 属性机制比较

1.2 树型框架结构

本文参考OCAF的Label树结构，结合装配设计的需求，通过构造树型框架结构对装配模型几何信息与非几何信息的映射关系进行组织和管理，将所有模型信息均挂接在树型框架结构的各层次节点上，通过访问节点标签可查询几何拓扑元素及其关联的非几何信息，实现对模型信息数据的存取与索引。树型框架结构如图2所示。

图2 树型框架结构

树型框架的构架规则如下：①节点位置由整数数值的节点标签标记；②树型框架的最高层节点为根节点，根节点标签始终标记为0；③除根节点外的节点都有一个父节点；④共享一个父节点的节点为兄弟节点，兄弟节点标签不能使用相同的标记值；⑤每个节点用唯一的数字编码来表示从根节点到该节点的索引路径。如图3所示，树型框架结构中圆圈内的数值是节点标签，圆圈下端数字是访问该节点的索引路径的数字编码。

图3 树型框架结构规则

2 产品信息装配模型的层次结构

为完整地表达产品的装配信息，基于产品信息的不同粒度，本文对文献［8］提出的产品层次信息表达方法进行改进，建立层次结构的产品信息装配模型，依次划分为产品层、零件层、装配特征层、几何拓扑层和面片显示层，实现产品信息的合理存储和表达，如图4所示，其中虚线所圈特征属于同一零件。本文中，量符号右上标的数字1，2，…，5表示模型结构的层次，而不是幂指数。

产品层表达为

其中，N1为产品节点集合，N1＝｛n11，n12，…，n1n｝。

产品层以产品为基本节点。产品节点信息包括产品型号、名称等BOM表信息，以及产品的组成零部件、功能设计等工程语义信息。产品层基本节点及相关信息以属性的形式挂接在树型结构框架的根节点上。

零件层表达为

零件层以零件为基本节点。零件节点信息包括零件的标识、工程设计信息、物理信息及加工处理要求等信息；M2记录零件层节点与产品层节点之间的映射关系；E2记录零件与零件之间的装配约束关系，约束关系主要表现为以装配语义形式描述的装配关系，例如，工程中的“螺栓连接”、“键连接”、“轴－孔配合”、“平面配合”等装配语义表达零件间的约束关系。装配约束关系在零件层表现为一有向闭环，顺次将装配语义约束的零件节点联系起来。

图4 产品信息装配模型层次结构

装配特征层表达为

装配特征层以零件的装配特征为基本节点。装配特征节点包括特征类型、特征名称及特征参数信息。零件由装配特征构成，因此装配特征对应相应的零件，M3记录装配特征层与零件层之间的映射关系；零件之间的装配约束关系本质上分为不同零件的装配特征之间的外部约束关系，E3记录装配特征之间的约束关系。

几何拓扑层表达为

几何拓扑层以几何拓扑体素为基本节点，记录模型精确的几何拓扑信息，提供设计者在虚拟装配环境下面片显示模型所不能表达的精确几何形状信息，以及几何体素上的表面质量、形位公差、尺寸精度和装配精度等信息。零件装配特征由几何面组成，M4记录几何拓扑层和装配特征层之间的映射关系；构成零件某个装配特征的几何面之间存在邻接关系，E4inside记录同一零件构成某个装配特征的几何面之间的邻接关系；不同零件装配特征之间的约束关系可以分解为不同零件几何面之间的装配约束关系，E4outside记录不同零件的装配特征所包含的几何面之间的约束关系。两几何面之间的约束关系主要包括重合、平齐、垂直、角度等。

面片显示层表达为

面片显示层以三角形面片为基本节点。该节点记录了组成零件表面各三角形面片的顶点坐标、顶点法矢量、面片颜色和纹理信息。模型的每个几何面均可离散成一系列三角形面片，M5描述面片显示层与几何拓扑层之间的映射关系。面片显示层主要用于虚拟环境下的模型显示及装配过程中的碰撞检测。

根据信息装配模型的信息需求，将系统中所表达模型的几何拓扑、装配约束和装配工艺等信息分别提取出来，依据导出信息记载的映射关系和装配模型的层次结构，由树型结构框架对这些信息进行重构。树型结构框架的层次节点分别联接装配模型产品层、零件层、装配特征层、几何拓扑层和面片显示层的基本节点和相关模型信息，描述了虚拟装配环境下产品模型的整体结构，可实现模型信息的快速查询，如图5所示。

图5 装配模型的树型框架结构

3 装配模型信息的存取和管理

产品的装配设计信息主要包括产品的属性信息和过程信息。其中，属性信息是指产品的几何拓扑、工程设计信息、物理信息等，可通过装配过程的交互式输入获得。过程信息包括零件的装配序列、装配路径、装配约束、工装夹具的使用等与装配过程相关的设计信息，主要是在虚拟装配建模过程中生成。

下面以轴类零件的装配设计过程为例说明装配模型的建立和信息管理。如图6所示，轴模型由装配模型树型框架结构根节点的子节点保存，当设计者在轴的圆柱面、设计基准面等几何体素上添加表面粗糙度、装配精度等设计信息，或者记录装配约束等过程信息时，系统即在轴模型节点的下一级生成与该几何体素对应的子节点，子节点的指针分别指向几何体素和装配约束等设计数据，同时系统内部的数据库会动态地建立一个数据表，数据表名用该节点标签的数字编码标识，数据表保存和管理轴模型几何体素上的属性信息以及装配约束关系等过程数据，从而通过树型框架结构建立轴模型的几何体和装配信息之间的联系。

图6 装配模型信息的添加

4 应用实例

基于上述原理和方法，本文在Visual C＋＋6.0的环境下利用Opencascade工具包开发了产品信息虚拟装配建模系统，该系统的硬件设备包括集群图形系统、立体投影系统及人机交互设备。虚拟装配信息建模系统通过接口读取CAD系统导出的中性文件，获取产品零件的几何拓扑等数据，在系统中建立产品的树型结构层次装配模型。图7所示为利用系统建立ZJ112烟草卷接机组SE100传动主轴装配模型的设计实例。

系统在树型框架结构的对应节点上存储设计者添加、修改的装配信息，记录该传动主轴的装配序列、装配约束关系等过程信息，如图8所示。

图7 传动主轴信息模型

图8 虚拟装配信息的存储与管理

在系统生成的虚拟装配环境中，设计者佩戴立体眼镜和位置跟踪器，通过三维鼠标、数据手套等进行虚拟装配操作，完成装配信息的实时添加和修改，如图9所示。

图9 设计者在虚拟环境中进行产品装配

5 结论

本文研究了一种面向装配过程的产品虚拟装配建模原理和实现技术，满足了模型几何信息与非几何信息动态跟随的要求，实现了装配信息的层次表达，并进行了设计实例验证，研究表明：

（1）以属性机制和树型框架结构相结合的方式构建了产品模型的几何信息与非几何信息的映射关系，较好地体现了模型的信息载体作用，解决了模型信息的动态跟随问题，适于交互式虚拟装配设计过程的信息处理需求。

（2）树型框架结构较完备地表达了装配模型信息的层次关系，可定义和记录装配的过程信息，建立了信息较为完备的装配模型。

本文的探讨可以为相关研究提供借鉴。但是，如何建立可覆盖装配模型各层次信息处理需求的树型框架结构，并实现对各节点信息的高效添加和处理，关系到虚拟现实领域多个硬件和软件研究课题，本文还未作深入的研究。

［1］ Sankar J，Uma J，Wang Y，et al.VADE：a Virtual Assembly Design Environment［J］.IEEE Computer Graphics and Applications，1999，19（6）：44250.

［2］ Sankar J，Hugh I C，Kevin W L.Virtual Assembly Using Virtual Reality Techniques［J］.Computeraided Design，1997，29（8）：575－584.

［3］ Mo J Z，Cai J G.DFA－oriented Assembly Relation Modeling［J］.International Journal of Computer Ingergrated Manufacturing，1999，12（3）：238－250.

［4］ Wang Q H，Li J R.A Desktop VR Prototype for Industrial Training Applications［J］.Virtual Reality，2004（7）：187－197.

［5］ 万华根.基于虚拟现实的CAD技术研究［D］.杭州：浙江大学，1999.

［6］ Zhong Y，Ma W，Shirnzadeh B.A Methodology for Solid Modeling in a Virtual Reality Environment［J］.Robotics and Computer Integrated Manufacturing，2005，21：528－549.

［7］ Ma W，Zhong Y，Tsoa S K，et al.A Hierarchically Structured and Constraint－based Data Model for Intuitive and Precise Solid Modeling in a Virtual Reality Environment［J］.Computer－aided Design，2004，36：903－928.

［8］ 刘振宇，谭建荣，张树有.面向虚拟装配的产品层次信息表达研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2001，13（3）：223－228.

Research on Process－oriented Virtual Assembly Modeling Technology for Product Information

Liu Zijian Wang Ping Ai Yandi
State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body，Hunan University，Changsha，410082

In order to solve the problems such as completeness and following performance of product model information in process of virtual assembly，aprocess－oriented virtual assembly model for product information was proposed herein.It applied attribute frame to constitute the mapping among geometry topology information and non－geometry information，and based on information granularity，the structure of multi－layer representation for assembly model information was constructed by framework of tree structure.It can satisfy the requirements of representation completeness，dynamic following and real－time in virtual assembly.A modeling system was established and its feasibility was verified by research results.

virtual assembly；product information；attribute frame；framework of tree structure

TP391

1004—132X（2011）01—0060—05

2010—03—09

国家自然科学基金资助重点项目（60635020）；国家基础研究发展计划（973计划）资助项目（2010328CB002）

（编辑 郭 伟）

刘子建，男，1953年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室985团队教授、博士研究生导师。研究方向为CAD／CAE建模理论与实现技术、计算机仿真等。发表论文80余篇。王 平，男，1982年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士研究生。艾彦迪，男，1982年生。湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室博士研究生。