裝配作業(yè)是制造過程的后置工序，裝配質(zhì)量對產(chǎn)品的性能有直接的影響，為降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益和競爭能力，在產(chǎn)品的設(shè)計階段，進行產(chǎn)品數(shù)字化預(yù)裝配是十分必要的。在可視化技術(shù)、仿真技術(shù)、裝配過程的研究等技術(shù)綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了虛擬裝配技術(shù)。虛擬裝配(Virtual Assembly, VA)是虛擬制造的關(guān)鍵組成部分，利用計算機工具，通過分析、預(yù)測產(chǎn)品模型，對產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)描述和可視化，做出與裝配有關(guān)的工程決策，而不需要實物產(chǎn)品模型作支持。據(jù)統(tǒng)計,目前國外制造業(yè)應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)節(jié)約了研制經(jīng)費,并縮短了研制周期，但我國關(guān)于虛擬裝配技術(shù)的研究起步較晚。

    在實際的生產(chǎn)中，任意一個機床都有幾百個甚至上千個零部件，每個零部件的位置和姿態(tài)信息需用4X4 的矩陣表達，顯然，這樣龐大的數(shù)據(jù)量，在程序代碼中直接實現(xiàn)是很困難的，同時，要將機床裝配仿真用于維護培訓(xùn)和產(chǎn)品演示，就必須向機床方面的專家（非程序員）提供一種簡便、直觀、靈活的手段來設(shè)定機床的裝配運動方案。為了實時、方便的修改裝配序列和裝配路徑，并且準確的描述產(chǎn)品在裝配或拆卸過程的位姿信息，本文對虛擬裝配過程提出了一種機床虛擬裝配的描述語言以及與其相對應(yīng)的虛擬裝配函數(shù)。

    虛擬裝配函數(shù)實現(xiàn)的實質(zhì)，就是先提取機床虛擬裝配的描述語言中的信息，再將其轉(zhuǎn)化為機床零部件在每一時間點上的位姿和其它與顯示相關(guān)的信息，在此基礎(chǔ)上調(diào)用機床場景繪制模塊的相應(yīng)操作來實時繪制運動場景，實現(xiàn)虛擬裝配的仿真過程。

   
    1 三維空間中物體位姿和運動信息的描述

    在三維裝配空間中，裝配元件位姿和運動信息的準確描述是正確模擬產(chǎn)品裝/拆過程的關(guān)鍵。采用一個4×4 的位姿矩陣和運動矩陣，可有效描述裝配空間中物體的位姿信息和物體任意運動的信息，從而實現(xiàn)完整的產(chǎn)品裝配過程仿真。

    1.1 物體位姿和運動信息的描述

    位姿是指位置和姿態(tài)，反映了三維裝配空間中裝配件的位置和空間角度,由兩部分組成：一部分是位置信息（Position），描述部件的空間位置；另一部分是姿態(tài)信息（Orientation），描述部件的方向。部件的平移是通過部件的空間位置的改變來體現(xiàn)的，部件的旋轉(zhuǎn)是通過部件方向的改變來體現(xiàn)的。

    裝配元件的運動變換分為平移運動變換、旋轉(zhuǎn)運動變換和復(fù)合運動變換。復(fù)合運動變換可以簡化為沿某方向平移運動與繞某一軸線旋轉(zhuǎn)運動的合成。所以待裝配元件從一個關(guān)鍵點到另一個關(guān)鍵點之間的任何一種運動，均可以表示為平移運動變換和旋轉(zhuǎn)變換的合成。

    在裝配實體模型的三維空間中,裝配元件的位姿信息和運動矩陣均可采用一個4×4的矩陣[T]來表示

    其中，左上角的3×3 矩陣主要用于物體的姿態(tài)信息或裝配過程中零部件的旋轉(zhuǎn)變換；[l m n]矩陣主要用于物體的位置信息或零部件在裝配過程中產(chǎn)生平移變換。

    1.2 裝配/拆卸中運動參數(shù)的設(shè)定

    三維空間中，為了簡化計算和減少不必要的數(shù)據(jù)，對于不同的運動方式，設(shè)計不同的元組表示。

    對于直線運動方式，采用5 元組法，定義為(object，Xe，Ye，Ze，speed)；對于圓弧運動方式，采用9 元組法，定義為(object，Xp，Yp，Zp，Xd，Yd，Zd，speed，theta)；對于旋轉(zhuǎn)運動方式，采用9 元組法，定義為(object，Xp，Yp，Zp，Xd，Yd，Zd，rate，theta)；對于定軸心螺旋進給運動方式，采用10 元組法，定義為(object，Xp，Yp，Zp，Xd，Yd，Zd，distance，speed，rate)。#p#分頁標題#e#

    其中object 為運動物體的名稱，(Xe，Ye，Ze)為移動到的終點坐標值，(Xp，Yp，Zp)為旋轉(zhuǎn)軸上任意一點坐標值，(Xd，Yd，Zd)為旋轉(zhuǎn)軸方向矢量，distance 為起點到終點沿軸線方向進給的距離，speed 為移動速度參數(shù)，theta 為角度參數(shù)，rate 為角速度參數(shù)。

    要實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的裝配仿真，還應(yīng)該建立虛擬環(huán)境和虛擬機床，因此，設(shè)計并實現(xiàn)了添加零部件(包括位姿和顏色信息)的代碼以及對虛擬環(huán)境進行特效處理(添加聲音、燈光、紋理、動態(tài)顯示裝配零部件的信息)的代碼。

    1.3 物體三維變換方式的設(shè)定及其實現(xiàn)

    因為，任何復(fù)雜的運動變換可以簡化為沿某方向平移運動與繞某一軸線旋轉(zhuǎn)運動的合成，為了形象的描述仿真過程，我們設(shè)計出如下幾種運動方式：

    (1)直線移動方式

    根據(jù)已知條件計算出物體在移動過程中的任意時刻t 的坐標，只考慮平移部分。

    (2)旋轉(zhuǎn)運動方式

    為通用起見，本文把旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為任意軸，任意軸的旋轉(zhuǎn)變換，我們采用組合變換。

    根據(jù)圖形變換的知識，計算出變換矩陣。

    (3)圓弧運動方式

    算法同旋轉(zhuǎn)運動方式，但是我們只需要考慮矩陣[T]的T[3][0]、T[3][1]、T[3][2]三個
參數(shù)即可。

    (4)螺旋進給運動方式

    可以把整個運動過程分解成兩個過程：一個過程是：不考慮沿中心軸方向的進給運動，只考慮旋轉(zhuǎn)運動，其變換矩陣同（圓弧運動）；另外一個過程是：只考慮沿中心軸方向的進給運動，而不考慮旋轉(zhuǎn)運動，也就是只有平移變換運動。則整個運動的變換矩陣為旋轉(zhuǎn)運動的矩陣和平移變換矩陣的乘積。

   在時間場景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，保存每個時間點上發(fā)生了變化的機床零部件以及零部件的狀態(tài)(位置、姿態(tài)和顯示屬性)信息 (圖2 是“更新－時間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的示意圖)，虛擬裝配函數(shù)負責將連續(xù)的運動插補成離散的時間點上的精確值，并根據(jù)這些值生成更新－時間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的相應(yīng)節(jié)點。

機床裝配仿真模塊提供了相應(yīng)的操作來訪問“更新－時間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)“更新－時間”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)重繪場景，實現(xiàn)裝配仿真。(圖3 示是CK6430 車床的主軸箱的虛擬裝配過程)

    具體的實現(xiàn)過程是：

    根據(jù)指定的起始時間找到相應(yīng)的時間節(jié)點

    while 時間節(jié)點!=NULL

    while 更新信息節(jié)點!=NULL#p#分頁標題#e#

    if 零部件的位姿被更新

    調(diào)用機床場景繪制模塊的Set_Transformation 操作；

    if 零部件的透明度屬性被更新

    調(diào)用機床場景繪制模塊的Set_Transparency 操作；

    if 零部件的紋理屬性被更新

    調(diào)用機床場景繪制模塊的Set_Texture 操作；

    …………………………

   3 結(jié)束語

    本文對虛擬裝配的過程提出并實現(xiàn)了一種機床裝配仿真的描述語言以及與其相對應(yīng)的虛擬裝配函數(shù)，通過裝配過程的仿真實現(xiàn)虛擬產(chǎn)品的預(yù)裝配，驗證和改進產(chǎn)品的裝配工藝，對裝配工藝和裝配路徑進行優(yōu)化，生動直觀地展示產(chǎn)品的可裝配性，可以用作實施VM 的支持工具之一。