虛擬裝配系統(tǒng)以裝配對(duì)象的三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)裝配操作的全過(guò)程進(jìn)行仿真，真實(shí)地模擬和展示產(chǎn)品的相關(guān)特性。虛擬裝配系統(tǒng)的作用主要有：在設(shè)計(jì)和制造階段，可以通過(guò)仿真環(huán)境優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，避免或減少產(chǎn)品實(shí)際加工中的反復(fù)試制或改進(jìn)；在裝配階段，可以通過(guò)虛擬環(huán)境模擬裝配過(guò)程，利用計(jì)算機(jī)對(duì)裝配序列、裝配路徑的規(guī)劃進(jìn)行驗(yàn)證和糾錯(cuò)，從而降低裝配成本；將虛擬裝配與實(shí)際裝配相結(jié)合，創(chuàng)建沉浸、半沉浸的虛擬環(huán)境，對(duì)于培訓(xùn)和教學(xué)而言，可以提高裝配操作人員的工作效率。

　　數(shù)控機(jī)床刀架是數(shù)控車床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是重要的功能部件，它在一定程度上標(biāo)志著數(shù)控車床的技術(shù)水平，并且與加工精度和生產(chǎn)效率密切相關(guān)。通過(guò)虛擬裝配仿真系統(tǒng)可以更加安全、高效地掌握數(shù)控機(jī)床刀架的工作原理和裝拆方法，對(duì)于數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)和故障維修具有重要意義。LDB4數(shù)控機(jī)床刀架為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床電動(dòng)刀架，在加工制造業(yè)具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。本文以LDB4數(shù)控機(jī)床刀架的虛擬仿真為背景，以虛擬裝配培訓(xùn)為目標(biāo)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)原理，為產(chǎn)品裝配過(guò)程的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)仿真分析構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的平臺(tái)。這個(gè)系統(tǒng)可通過(guò)人機(jī)交互的方式，對(duì)裝配體進(jìn)行模型展示、裝配序列和裝配路徑的模擬，同時(shí)可結(jié)合分析驗(yàn)證裝配序列的可行性與合理性。

1 系統(tǒng)功能模塊及總體框架

　　1.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇

　　EON Studio是一種虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境生成工具，可以依據(jù)使用者的意圖，研發(fā)實(shí)時(shí)3D應(yīng)用程序。本文選用VC++6．0與EON Studio相結(jié)合，進(jìn)行交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。所設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配系統(tǒng)，主要應(yīng)用于教學(xué)，系統(tǒng)在滿足虛擬裝配仿真的基礎(chǔ)上，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)便靈活，并具備可拓展的功能。

　　1.2 系統(tǒng)的構(gòu)成

　　構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床刀架三維可視化模型的展示，按照合理的裝配序列和裝配路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和人機(jī)交互操作訓(xùn)練。本文所建立的交互式虛擬裝配仿真系統(tǒng)主要包括三維模型創(chuàng)建模塊、模型導(dǎo)入模塊、裝配仿真模塊、人機(jī)交互模塊、功能集成模塊。在功能上主要包括裝配體零部件結(jié)構(gòu)展示、快速裝拆仿真、虛擬裝配和虛擬拆卸。

2 技術(shù)路線及功能實(shí)現(xiàn)方法

　　2.1 三維模型的創(chuàng)建與導(dǎo)入

　　本文選擇利用Pro／E建立LDB4數(shù)控機(jī)床刀架的三維模型，用它建立的三維數(shù)據(jù)模型具有準(zhǔn)確的尺寸。為便于網(wǎng)絡(luò)傳輸和進(jìn)一步控制，將Pro／E建立的三維數(shù)據(jù)模型導(dǎo)人到3DMAX中進(jìn)行材質(zhì)設(shè)置，之后通過(guò)3 DMAX與EON Studio的接口插件，可方便地導(dǎo)入EON Studio進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

　　2.2 虛擬運(yùn)動(dòng)仿真功能實(shí)現(xiàn)

　　2.2.1 EON Studio的功能節(jié)點(diǎn)

　　在EON Studio系統(tǒng)中，各種功能主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)是一個(gè)具有功能和數(shù)據(jù)的對(duì)象，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息一般包括域(field)和事件(event)兩個(gè)方面，可以對(duì)節(jié)點(diǎn)的屬性進(jìn)行設(shè)置，或者對(duì)節(jié)點(diǎn)接收到的信息進(jìn)行修改，也可以通過(guò)接口來(lái)操作其他節(jié)點(diǎn)。圖1所示為EON Studio中節(jié)點(diǎn)的事件驅(qū)動(dòng)原理。

圖1 EON Studio中節(jié)點(diǎn)的事件驅(qū)動(dòng)原理

　　2.2.2 虛擬裝配路徑規(guī)劃

　　裝配路徑是零部件在虛擬裝配空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡。裝配路徑的規(guī)劃除包含了裝配的工藝路線，亦包含了零件行走的正確軌跡，確保零部件更合理的裝配，同時(shí)也獲得更高的裝配精度。

　　本文數(shù)控機(jī)床刀架裝配體的設(shè)計(jì)是在完成零件造型的基礎(chǔ)上，新建一個(gè)裝配體，然后點(diǎn)擊瀏覽，依次選擇要插入的零部件即可。LDIM數(shù)控機(jī)床刀架裝拆過(guò)程中零件的運(yùn)動(dòng)軌跡主要包括直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)零件之間的裝配約束關(guān)系用3個(gè)坐標(biāo)方向的位移以及繞這3個(gè)坐標(biāo)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)表示。針對(duì)具體的運(yùn)動(dòng)方式，在本文描述的虛擬裝配系統(tǒng)當(dāng)中主要利用Script節(jié)點(diǎn)、Path node節(jié)點(diǎn)和Place節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行控制。其中：Script節(jié)點(diǎn)主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入和輸出M1；Path node節(jié)點(diǎn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真；Place節(jié)點(diǎn)用來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)仿真。

　　2.3 人機(jī)交互控制與系統(tǒng)集成

　　EON Studio提供了與外部應(yīng)用程序之間的通信接口EONX，EONX其實(shí)是一個(gè)ActiveX控件，它能使EON Studio開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序在其他應(yīng)用程序中顯示并正常運(yùn)行川。本文通過(guò)VC++調(diào)用EONX控件的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)傳遞。實(shí)現(xiàn)VC++與EON Studio之間的通信過(guò)程的主要程序流程如下：

　　a．在EON Studio中建立EventIn節(jié)點(diǎn)和EventOut節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)事件的輸人與輸出?！　．在EON Studio中建立JScript節(jié)點(diǎn)，將JScript節(jié)點(diǎn)與EventIn節(jié)點(diǎn)或Event Out節(jié)點(diǎn)連接，JScript節(jié)點(diǎn)可以從Eventln節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給EventOut節(jié)點(diǎn)?！　．在交互界面上通過(guò)按鈕或文本框發(fā)送指令給VC++和EON Studio的接口程序，觸發(fā)EONScript的事件?！　．在VC++中添加消息響應(yīng)函數(shù)，對(duì)EventOut進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，并利用SendEve函數(shù)將VC++的數(shù)據(jù)傳輸給EventIn節(jié)點(diǎn)。

　　2.4 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

　　根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的上述任務(wù)，確定本文實(shí)現(xiàn)LDB4數(shù)控電動(dòng)刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線為：

　　a．利用三維幾何建模軟件構(gòu)建設(shè)備模型，并對(duì)模型的品質(zhì)等進(jìn)行優(yōu)化。

　　b．將三維模型輸出為EON Studio能夠識(shí)別的文件格式。通過(guò)三維幾何建模軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件的數(shù)據(jù)接口，將模型轉(zhuǎn)入到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，檢查產(chǎn)品的初始模型是否正確，進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋和修改。通過(guò)可視化顯示與分析，實(shí)現(xiàn)裝拆項(xiàng)目的加載。

　　c．進(jìn)行裝配路徑和零部件運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃．生成裝配序列并記錄序列信息。裝配路徑的規(guī)劃包括裝配約束的定義、裝配定位和裝配序列規(guī)劃等，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真和設(shè)備拆裝的自動(dòng)演示。

　　d．創(chuàng)建基于裝配序列和裝配路徑交互式虛擬裝拆模塊，在虛擬裝拆的過(guò)程中提供相關(guān)知識(shí)信息。

　　LDIM數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)技術(shù)路線圖

3 刀架裝拆的虛擬仿真過(guò)程模擬

　　完成的LDIM數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)如圖3所示。圖3(a)為L(zhǎng)DB4數(shù)控機(jī)床刀架仿真模型，圖3(b)為L(zhǎng)DIM數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)的爆炸圖。系統(tǒng)直觀地表達(dá)出零部件之間的裝配關(guān)系與裝配意圖，為虛擬裝配做準(zhǔn)備。裝配模型中主要零部件及裝配順序規(guī)劃如下：下刀體組件及中軸組件→電源線接線柱→上刀體組件→壓簧→離合銷→銷→離合盤→平面軸承→止退圈→定位鍵葉鎖緊螺母→螺釘→發(fā)訊盤→小螺母→磁鋼組件→螺釘→上罩→螺釘→防水墊→防水螺釘。LDB4數(shù)控機(jī)床刀架虛擬裝配仿真系統(tǒng)操作及模塊功能示意。操作者可根據(jù)此運(yùn)動(dòng)仿真模型了解刀架結(jié)構(gòu)組成、零部件之間的裝配關(guān)系，進(jìn)行快速裝配或拆卸模擬。亦可在虛擬環(huán)境下進(jìn)行刀架裝配或拆卸練習(xí)。以裝配練習(xí)模塊為例，當(dāng)操作者將鼠標(biāo)靠近任意一個(gè)零件，系統(tǒng)即自動(dòng)顯示該零件的基本信息，并提示裝配路徑中該零件所涉及到的相鄰零部件。

　　操作及模塊功能示意如操作者未按正確路徑進(jìn)行裝配或拆卸操作，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)提示，同時(shí)部件無(wú)響應(yīng)。

4 結(jié)論

　　基于本文的研究工作可以得出以下基本結(jié)論：

　　a．借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以LDB4數(shù)控機(jī)床刀架的拆裝為例，開(kāi)發(fā)了具有交互功能的虛擬裝配仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互的方式，對(duì)裝配體的組成零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和裝配序列的認(rèn)知以及實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)仿真。為產(chǎn)品裝配過(guò)程的設(shè)計(jì)、規(guī)劃和分析提供了平臺(tái)；為利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和教學(xué)訓(xùn)練提供了可借鑒的途徑。

　　b．系統(tǒng)以EON Studio作為仿真環(huán)境，利用VC++6．0進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軟件之間的對(duì)接，為虛擬仿真問(wèn)題的開(kāi)發(fā)工具選擇提供了參考。

　　c．進(jìn)一步擴(kuò)充和完善現(xiàn)有的虛擬仿真系統(tǒng)，深入研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品沉浸式的交互仿真，是今后進(jìn)一步的研究方向。