组合夹具虚拟装配示教系统关键技术研究

吴飞　黄威

摘 要：针对在组合夹具教学中存在教育场地、资金和原材料消耗以及安全性等方面的问题，提出使用虚拟装配技术完成组合夹具的拆装实验教学，以弥补现实实验条件的不足。首先，研究了组合夹具中装配信息建模、三维建模、虚拟装配序列规划、装配路径的规划、碰撞干涉检验等虚拟装配关键技术。然后，以VR-Platform为平台，设计出一套组合夹具虚拟装配示教系统。在实际教学中，该系统能有效缓解上述不足。

关键词：虚拟装配;组合夹具;规划;碰撞干涉检验

1 引言

组合夹具是具有标准组件以及特殊装配的一种特殊夹具，它具有多功能性，可重用性和组件使用的夹具功能特性[1]。由于装配灵活、设计周期短、管理储存方便、元件可重复使用、成本低廉等各种优点决定了其拥有显著的成本优势和经济价值，因此受到了国内外市场及研发的广泛重视。但在教育领域，对于接受相关技能培训的学生来说，由于资金、场地或者教师等方面的原因，相当一部分高职院校不能满足培训要求。并且对于参加初步培训的学生来说，对培训设备的结构和装配关系不熟悉，很容易造成设备损坏甚至安全事故。

使用计算机辅助设计软件和虚拟装配技术能够实现虚拟装配。而虚拟装配技术在教学领域的应用弥补了现实中的这一不足，在没有危险和原材料消耗的前提下，完成实验培训，成本降低，使学生的职业技能得到提高。

2 组合夹具虚拟装配关键技术

虚拟装配是计算机使用仿真模型模拟实际装配过程的技术，即通过计算机模拟和虚拟现实技术，在计算机上模拟产品的工艺规划，制造，装配和调试等整个过程的技术。

组合夹具的虚拟装配技术包括组合夹具中装配信息建模、三维建模、虚拟装配序列规划、装配路径的规划、碰撞干涉检验等。

2.1 组合夹具信息分析

组合夹具信息包含有组合夹具标准元件功能组件、所采取的定位夹紧方案、整体结构设计方案、装配工艺等信息，主要包括：夹具基本信息、装配对象几何信息、工件特征信息、装夹信息、BOM表等[2]。组合夹具信息如下图1所示。

2.2 组合夹具装配信息建模和三维模型的建立

装配信息模型的建立是装配顺序规划和装配路径规划的前提。目前装配信息的建模方法多種多样，且每种模型在装配信息模型中都有它们各自的优势，但是层次模型可以简化装配规划并确保装配规划的效率。本文以层次模型为例进行重点研究。

组装的设备通常具有一定的层次关系，这种分层的关系可由装配树来表示。在装配树中，树的根节点是装配体，叶节点是已经不能再拆卸的零件，中间结点是子装配体组件[3]。每个设备的装配树通过虚拟链连接，虚拟链包含有关每个组件的信息。装配树不仅将装配体的层次关系显示出来，而且还显示了装配体与其组件之间的父子关联。装配层次模型如下图2所示。

组合夹具中的元件通过SolidWorks三维建模软件完成，建模过程中使用软件中自带的宏技术录制元件，将变量设置为宏录制文件中生成的参数，最后只需要对变量进行赋值即可以实现组合夹具元件的自动建模过程。而且SolidWorks软件采用.wrl格式输出，其输出操作比较简单，只需将装配体另存为.wrl格式即可，方便下一步导入到3ds max进行后期处理。本文以活塞组合夹具模型为例。建立完成的模型如下图3所示。

2.3 三维模型后期处理

将完成的三维模型导入3ds max中进行后期处理。在3ds max中所进行的操作主要是对组合夹具进行装配仿真动画的制作，为了在虚拟装配可视化系统中更好的展示组合夹具的结构，还要应用3ds max强大的渲染能力对组合夹具实施一系列的实体环境模拟：灯光、相机、贴图、烘焙等。3ds max后期处理界面如下图4所示。

2.4 虚拟装配序列规划

通常来说，组合夹具装配体是刚体，其拆卸和装配的顺序正好相反。当组合夹具各组件之间的装配关系不发生改变时，拆卸法同样可以应用于装配序列的规划。

拆卸法通过将整个装配体拆分为若干个较小的子装配体，再将拆分得到的子装配体以同样的方式拆分为更小的子装配体，直到装配体拆分至单个零件[4][5]。通过组件的拆卸过程形成产品拆卸树，并根据拆卸树形成拆卸顺序，并且拆卸顺序的相反顺序用作组装顺序。拆卸方法如下图5所示。

2.5 装配路径的规划

由于组合夹具中的部件都是刚性主体构件，因此组合夹具可以被认为是“可拆卸和可安装的”。因此，对于大多数组件，首先规划每个组件的逆运动路径，然后反转组件的组装路径。

对于组件之间的装配关系，装配路径的起点，控制点和终点由鼠标直接控制。使用仿真记录器记录这些点以形成初始路径。同时，执行并连续调整干涉检查，然后修改和处理干涉结果以生成合理的路径。具体过程如下图6所示。

其具体的操作如下：首先，根据装配顺序的计划结果，选择要拆卸的子组件。零部件的拆卸方向和分离的平移量由零件之间的装配关系和装配环境确定。确定分离平移量时须检查零件平移方向的干。以上步骤不断重复，直到无干涉。完成上述拆卸过程后，可以通过反转拆卸路径来反转装配路径。

2.6 碰撞干涉检验

装配过程中的碰撞干涉测试主要是为了确保零件不会碰撞或干扰组装空间中的其他部件。目前，对碰撞干涉检测算法有的研究有很多，常用的碰撞干涉检测算法主要是空间分解法和层次包容盒法[6][7]。为了便于将来对更复杂组件的干涉检查，本文定义为一种装配环境较复杂的类型，因此采用层次包容盒法较合适。

通过设置干涉集来判断是否有干涉。具体来说，可以对A、B两个相交的子装配体进行层次分析，首先将B组件拆散，命名为零件B1、B2、B3，并将它们分别与子装配体A进行相交测试，当检测到其中的某个零件Bi与A相交，则将其加入干涉集。通过以上这种逐层分解子装配体的方式来进行干涉检验，直到装配体中的零件无法进行分解为止。其原理如下图7所示。

通过逐一分解和细化包容盒，不但可以在一定程度上确保干涉检查的准确性，而且可以提高计算效率。其算法框图如下图8所示。

3 虚拟装配系统实现

VR-Platform[8]～[10]是一款虚拟现实软件，它可以利用3ds Max中全局光植染器所生成的光照贴图，对材质的各项属性进行调整，支持多种外置硬件设备，可获得多种体验方式。VR-Platform软件界面如图9所示。

组合夹具三维模型经过3ds max后期处理后，首先将制作好的场景导出为VRP数据，每个结构组都能导出多个数据文件，如静态模型、刚体动画和相机等。然后，在VR-Platform中实现对系统界面的设计与创建，编辑制作交互脚本实现虚拟装配系统的交互功能。最后，对系统进行调试和运行功能实时验证所做工作有无差错，当所有界面都搭建完布后，将虚拟系统编译成可执行文件，发布虚拟装配系统。

组合夹具虚拟装配系统将利用在Solidworks中建好的零部件三维建模以及自身软件所具有的功能来实现组合夹具的装配仿真。系统中的夹具组成结构介绍、结构检索、装配过程动画仿真以及说明文档菜单功能可以满足组合夹具的虚拟装配。

因包含基础件、支承件、定位件等八大类组合夹具，选用回转式钻孔活塞组合夹具作为实例验证。使用“组成结构”功能展示活塞组合夹具的结构。活塞组合夹具的结构展示界面如下图10所示。

VR-Platform中还包含说明文档功能模块，查看说明文档时，会显示Word格式的组合夹具说明文档，里面包含组合夹具的工件结构分析、组合夹具装配工艺知识、组合夹具定位夹紧方案选择、组合夹具装配路径和装配顺序的选择方法等关于组合夹具说明信息的文档资源。方便学生查看详细、完整的说明信息。

4 结语

实际教学中，通过使用开发的组合夹具虚拟装配示教系统，运用已建立的模型库来重新生成新的零件。它具有强大的可控制、可集成和可互换性。学生在计算机平台上就可以完成现实中实体对象的虚拟装配。从而减少了资金投入，弥补培训资金的不足。计算机上的虚拟装配也可以实现物理装配并节省时间。更高效、更直观、更安全，它还有助于学生深入地了解实验内容。

参考文献：

[1]王细洋.飞机结构件机械加工柔性夹具系统[J].航空制造技术，2012，17：45-49.

[2]左祥赟.组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究[D].太原科技大学，2010.

[3]周亚丽.金刚石线切割机装配过程可视化的研究[D].武汉理工大学，2015.

[4] 田富君，田锡天，耿俊浩等.基于视点跟随的装配路径规划与干涉检查研究[J].中国机械工程，2011，22（15）：1810-1814.

[5]韩建升. 基于遗传算法的拆卸序列规划研究[D].华中科技大学，2007.

[6] 高峰.基于包容盒分解的快速干涉檢验算法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2000，12（6）：436-440.

[7]Jung-Woo Chang，Myung-Soo Kim. Efficient triangle triangle intersection test for OBB-based collision detection[J]. Computers & Graphics，2009，33（3）.

[8]韩乐，吴秀芹，赵旦春，戴硕，孙奇.基于VRP的数字校园设计与实现[J].长江大学学报（自然科学版），2011，8（11）：86-88+9.

[9]徐飞.三维虚拟校园的漫游系统实现[J].电脑编程技巧与维护，2015（09）：91-92.

[10]余金睿.基于虚拟现实技术VR-Platform平台的产品展示研究[J].自动化技术与应用，2017，36（09）：56-59.