基于轻量化模型的三维装配工艺文件生成技术

田富君，张红旗，张祥祥，陈兴玉

(中国电子科技集团公司 第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

为了提高装配质量和装配效率，降低装配成本及产品的开发周期，人们对计算机辅助装配工艺设计进行了大量的研究，在装配信息建模、装配序列规划、装配路径规划等方面取得了一定的成果，并逐步应用到企业实际生产当中。然而，目前我国大部分企业仍然采用传统的二维工艺文件，二维工艺文件只能包含文字描述、二维装配图等静态的二维工艺信息，文字描述信息很难对复杂的装配过程进行明确的描述，二维装配图通常作为文字描述的补充，只能对零部件的局部装配结构关系进行示意性表达，对于零部件的装配过程、装配路径则不能表达，不利于操作人员快速理解产品的装配过程，时常需要装配工艺设计人员现场指导。

随着三维装配工艺设计与仿真系统在企业中的逐步应用，三维装配工艺文件已经成为企业的迫切需求。为了实现装配工艺设计与仿真信息的现场发布，国内外学者对装配工艺信息发布技术进行了研究，取得了一定的研究成果。王成恩等[1]和刘检华等[2]分别开发了专用的装配工艺信息浏览器，实现了工艺信息查看和装配仿真视频的播放功能，然而，这种仿真视频无法与现场装配操作人员进行交互。夏平均等[3]在Solid Works上面开发了一个装配现场示教系统，Lei Chen等[4]和吴东琦等[5]分别以3DVIA Composer控件为三维模型浏览器，开发了一个三维装配指令系统，实现了对三维模型的现场交互操作和仿真，但依赖于特定的三维模型浏览器。为了实现产品全生命周期内三维模型的重用和共享，各软件厂商推出了许多轻量化格式，如达索的3DXML格式、西门子的JT格式、PTC公司的PVS格式、Adobe的通用3D(Universal 3D,U3D)格式[6]。其中，U3D格式独立于任何计算机辅助设计（Computer Aided Design, CAD）平台，可以将其他CAD格式转换为U3D格式，解决了其他格式在异构平台下不兼容的问题。此外，Adobe公司的便携文件格式（Portable Document Format, PDF）是一种通用文件格式，其跨平台、跨语言、跨软件的特性, 可以使其运行于不同的操作系统和不同的程序语言版本中，已成为电子文档长期保存格式的国家标准。Adobe Acrobat 7.0之后版本支持U3D文件格式的轻量化模型，为本文的研究提供了基础。本文通过对U3D标准的研究，提出了一种三维轻量化装配工艺文件的生成方法，并对实现的关键技术进行了深入的研究。

1 三维装配工艺文件生成过程

三维装配工艺文件的生成过程如图1所示，包括工艺模板的定制、工艺信息的处理、轻量化模型的嵌入、三维装配仿真动画的映射、仿真动画控制代码的生成五部分。

图1 三维装配工艺文件生成过程

1）工艺模板的定制：不同企业的装配工艺文件在页面布局等外观形式上存在着差异，因此，就需要针对企业的需求，为企业定制符合该企业实际要求的工艺模板。

2）工艺信息的处理：将装配工艺设计与仿真系统产生的工艺信息以可扩展标记语言（eXtensible Markup Language, XML）文件导出，并对XML文件进行解析，将工艺信息插入到工艺模板对应的位置。

3）轻量化模型嵌入：将装配体的三维模型转换为U3D格式的轻量化模型，并以3D注释的形式嵌入到工艺模板的特定位置。

4）三维装配仿真动画的映射：对装配工艺设计与仿真产生的装配路径信息进行解析，转换成U3D模型的装配仿真动画信息。

5）仿真动画控制代码的生成：生成控制三维装配仿真动画的代码，并将仿真动画控制代码与装配工步关联起来，实现对仿真过程的控制，使其按照工步去仿真。

2 装配工艺信息处理

装配工艺信息模型是装配工艺文件信息的来源，但装配工艺信息模型包含产品的结构信息、装配工艺信息、装配仿真信息，这些信息包含了很多装配工艺设计的过程性信息，这些过程性信息一般不体现在装配工艺文件当中。此外，装配工艺文件需要对装配工艺信息模型当中的信息进行汇总，这些汇总信息包括工艺路线信息、零部件配套信息、仪器设备信息、工装信息等。为此，本文通过对装配工艺信息模型进行分析，建立了装配工艺发布信息模型，如图2所示。

图2 装配工艺发布信息模型

装配工艺发布信息模型包括管理信息、汇总信息和详细的装配工艺信息。管理信息包括装配工艺规程代号、装配工艺规程名称、工艺版次、产品型号、部（组）件号、编制单位等信息；汇总信息包括工艺路线信息、零部件配套信息、仪器设备汇总信息、工装汇总信息。工艺路线信息是装配工序的汇总，工艺人员不查看详细的装配工序内容即可以获取总体的装配过程。零部件配套信息是指装配过程所需要的全部零部件信息的集合，从各装配工序的配套零部件信息中汇总而得到。仪器设备汇总信息是装配过程中所使用的仪器设备的集合，从各装配工序的仪器设备信息中汇总得到。工装汇总信息包含了装配过程中所使用的工装的全部集合，从装配工步的工装信息中汇总得到；装配工序包含工序的零部件配套信息、仪器设备信息、详细的装配工步信息和装配仿真动画信息，是指导工人装配的重要依据。

3 装配仿真信息处理

3.1 轻量化模型数据结构

U3D格式的轻量化模型的数据结构如图3所示。零件列表唯一记录了装配结构中的零件信息，装配体结构中的多个零件可以引用零件列表中的同一个零件。零件列表中的零件记录了零件的几何信息，而装配结构树中的零件记录了零件的位姿矩阵信息以及零件的一些属性信息。例如，装配结构信息中的零件（1）和零件（2）引用了零件列表中的同一个零件，零件（1）和零件（2）具有相同的几何信息，但它们具有不同的位姿矩阵，这样，零件（1）和零件（2）就处于场景中的不同位置。零件列表中的零件是类，而装配结构树中的零件是零件列表中零件的一个实例。

在U3D中，仿真动画信息存储于动画资源当中，每一个装配单元通常对应一个动画资源，每个动画资源包含多个装配路径信息，每个装配路径由一系列的关键帧组成，每个关键帧记录了装配单元的旋转、位置、缩放和时间信息，如图3所示。

3.2 轻量化三维模型的嵌入

在PDF当中，轻量化模型以3D注释的形式存储于页面当中，在PDF页面当中插入3D注释的步骤如下[7]：

步骤1：新建3D注释，指定3D注释插入的页码，以及3D注释在页面中的位置。

步骤2：声明3D数据流，并建立包含有U3D格式工艺模型的3D数据流对象，然后将流对象加入注释字典，创建特征字典并声明用于模型控制的JavaScript脚本代码；

步骤3：设定默认视图，包括指定了3D 模型的初始视图，方位、位置、坐标转换、背景、渲染模式、光照、节点等参数信息；

步骤4：设定注释外观，提供一个没有激活3D模型的注释外观用于不支持3D模型的场景；

步骤5：设定激活字典，声明在何种方式下3D模型会被激活。

3.3 三维装配仿真动画的映射

装配过程仿真确定装配单元装配到指定位置的运动路径，是位姿矩阵不断变化的过程。位姿矩阵确定了装配单元在空间中的位置和姿态，位姿矩阵由4×4矩阵来表示：

图3 轻量化模型数据结构

在装配路径规划过程当中，装配单元的运动（包括移动和转动）等价于位姿矩阵P经过一次矩阵变换，到达新的位姿矩阵 ，其变换过程可以表示为：

在U3D中，装配仿真动画是由装配单元与动画资源相关联形成的，因此，可以将装配动画

每个动画资源由一个或多个装配路径组成：

每一个装配路径由一系列的关键帧组成：

关键帧包含了旋转、位置、缩放、时间等信息，可以表示为：

其中T表示该关键帧所处的时间，单位为秒，时间信息通过解析装配路径仿真信息获取；R确定关键帧在世界坐标系中的方向矢量，可以用公式表示为：

D确定关键帧原点在世界坐标系中的位置，可以表示为：

确定关键帧沿三个坐标轴的缩放比例，可以表示为：

为了实现装配过程仿真到U3D中装配仿真动画的映射，就需要由装配单元的位姿矩阵P求出关键帧的旋转、位置、缩放分量，计算公式如下：

1）旋转分量的计算

2）位置分量的计算

3）缩放分量的计算

3.4 装配仿真动画控制代码的生成

一个装配工序对应一个装配仿真动画信息，为了实现装配工步和仿真动画信息的关联，使装配的操作人员能够按照装配工步查看装配过程，需要生成装配仿真动画控制代码，装配仿真动画控制代码的生成过程如下：

步骤1：按照零部件的装配顺序，获取装配工步的零部件配套信息，假设装配工

步骤2：获取配套零部件的仿真动画信息，得到第一个零部件装配路径的起点关键帧的时间信息，以及最后一个零部件装配路径的终点关键帧时间信息。例如，零部件装配路径的起点关键帧的时间为

步骤3：根据起点关键帧时间和终点关键帧时间，生成该装配工步的仿真动画控制代码，将其

4 应用实例

基于上述方法，作者利用Acrobat SDK工具集，开发了一个三维装配工艺文件生成工具，该工具可以将装配工艺规划与仿真系统产生的装配工艺信息和仿真信息进行解析，形成用于车间发布的可操作的三维装配工艺文件。本文的三维装配工艺规划与仿真工作是在Tecnomatix系统当中完成的，通过对Tecnomatix系统进行二次开发，将装配工艺信息和仿真信息输出到XML文件当中，然后PDF读取该XML文件信息，在解析XML的过程当中，根据需要合并工艺模板（每一个工艺模板都是一个独立的文件，如装配封面模板、装配工艺路线卡、装配工序卡等）并将工艺信息写入，最终形成一本完整的装配工艺文件。

如图4所示为一三维装配工序卡，左侧窗口为装配结构树，右侧为一装配工序卡实例，该装配工序卡总体上分为三个区域：表头信息、工艺信息和三维模型信息。工艺信息包含工序信息和工步信息，工序信息采用两个列表框来显示工序的零部件配套信息和本工序所使用的仪器设备信息。工步信息包含了工步列表，工步操作说明和工装信息，当装配操作人员点击工步列表中的工步时，工步操作说明文本框则显示所选工步的操作说明信息，工装信息列表框会显示出工步所用到的工装信息；三维模型显示区域可以交互浏览三维模型，三维模型显示区域上面的工具条是3D注释自带的工具条，可以对三维模型进行旋转、缩放、平移、测量等操作。三维模型显示区域下面的几个按钮为仿真控制按钮，例如，操作人员选择一个工步，点击播放按钮，即可对该工步的装配过程进行仿真，在仿真过程当中，可以对三维模型进行缩放、旋转、平移等操作，以便更好地观察装配过程。此外，在仿真过程当中可以暂停、停止仿真，并可以对仿真速度进行调整。

5 结束语

装配工艺文件是装配工艺信息的载体，是装配人员进行装配操作的重要依据，具有十分重要的地位。为了实现三维装配工艺设计与仿真信息向下游延伸，本文提出了一种三维装配工艺文件生成方法，并对三维模型嵌入、三维装配仿真动画映射、装配仿真动画控制代码生成等关键技术进行了研究。目前，作为电子签名的工具，PDF格式的二维工艺文件广泛应用于企业的产品数据管理系统当中，本文研究的三维工艺文件可以替代传统的二维工艺文件，具有良好的应用前景。

图4 三维装配工序卡实例

[1] 王成恩,于宏,于嘉鹏,等.复杂产品装配规划系统[J].计算机集成制造系统,2011,17(5):952-960.

[2] 刘检华,宁汝新,万毕乐.面向生产现场的虚拟装配工艺规划技术[J].计算机集成制造系统,2007,13(1):67-73.

[3] 夏平均,姚英学,李建广,等.三维数字化装配工艺系统的研究[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(1):36-39.

[4] CHEN Lei, DENG Mingran, JIANG Zhengfeng. Study on visual assembly process planning system based on 3DVIA composer[J]. Advanced Materials Research, 2011,179-180: 734-739.

[5] 吴东琦,朱文华,王琛,等.飞机三维装配大纲技术研究[J].现代机械,2010,(1):45-48.

[6] 田富君,田锡天,李洲洋,等.基于轻量化模型的CAD/CAPP系统集成技术研究[J].计算机集成制造系统,2010,16(3):521-526.

[7] 于小龙,贾晓亮,耿俊浩,等.基于轻量化模型的三维装配工艺文件生成方法[J].中国制造业信息化,2011,40(13):15-18.