一种改进的面向对象的虚拟装配建模方法
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收稿日期 : 2003 08 21 基金项目 : 973 预研项目 : 复杂产品的虚拟设计、 制造理论方法研究 作者简介 : 宋荆洲 ( 1976- ) , 男 ( 汉 ), 湖北 , 博士研究生
型 ) 来描述的 , 这种方式提高 了虚拟环 境的实 时性 , 但同 时 也损失了零件模型大 量的工 程几何信 息及拓 扑信息 , 给 表 达与确定零件间的装 配关系 带来了 困难。可见 , 单 独的 三 角片模型与 CAD 模型都难 以满足 虚拟 装配 系统交 互实 时 性和产品信息完整性 的要求。 因此 , 需要研 究一种 面向 虚 拟装配系统的产品装配模型。 国内外学者在这方 面已有了 一定的 研究和 进展 , 提 出 了一些装配模型。这些模型大致可以分为基于图结构的 装 配模型和基于层次结构的装配模型 2 大类。典型的图结 构 模型 , 如 Bourjau lt提 出 的连 接图 模 型 [ 1] , Shin 等 人建 立 的 联络 图模 型 [ 2] , H o m en D e M ello 等 人给 出的 关联 模型 [ 3] , D e F azio 和 W h itney的优先联系图模 型 [ 4] , W ilson的 接触模 型 [ 5] 等。图结构模 型具 有清 晰、 直观 的优 点 , 但 当问 题 规 模较大时 , 计算规 模急剧增大 , 且模型不符合产品的实际 构 造习惯 , 不利于约束求解 , 目前较少被采用。基于层次结 构 的装配模型有 L ee和 G ossard 提出的虚链模型 [ 6] , 浙 江大学 刘振宇等人提出的产品层 次信息 模型 [ 7] , 华中科 技大学 杨 锟等人提出的基于多叉树 的信息 集成模 型 [ 8] , 西 北工业 大 学李原等的基于二叉树的 装配模 型 [ 9] , 北 京理工 大学姚 珺 等的 基 于 框 架 的 动 态 装 配 模 型 [ 10] 等。 此 外 , Chun Fong Y ou 、 W infr ied van H o lland 等人 引入 装配 特征 , 利用 面向 对
第 24 卷 2005 年
第 3期 3月
机 械科学与技术 M ECHAN ICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vo. l 24 N o . 3 M a rch 2005
文章编号 : 1003 8728( 2005) 03 0335 04
一种改进的面向对象的虚拟装配建模方法
宋荆洲 , 孙汉旭 , 贾庆轩 , 施法中
A M od ified Object Or iented V irtual A ssem bly M odelingM ethod 1 2 2 1 SONG Jing zhou , SUN H an xu , JI A Q in g xuan , SH I Fa zhong 1 ( Schoo l o fM echanical Eng in eering and Autom ation, Be ijing Un iv ersity of Aeronaut ics and Astronautics , Be ijing 100083 ; 2 Be ijing Un iv ersity of P osts and T elecommun ica tio ns, B eijing 100876) Abstract : Accord ing to th e in form ation require m ent o f v irtual asse m b ly m odel and adopt ing the ob ject ori ented m ethod , the com plete expression to the CAD desig n infor m at io n o f the parts is g iv en in this paper first ly. Then using a b in ary tree based h ierarchical data structure , w e establish a si m p le and valid virtual assem bly m odel by m aking fu ll use o f the assem bly features. Key w ord s : V irtu a l asse m b ly; A sse m b ly m odeling ; Ob ject oriented m ethod ; A ssem bly feature
图 2 PropertyInfo类类图
图 1 G eom etryEn tity类类图
( 2) 物理及工程属性信息。装配零件的物理及工程 属 性信息用于虚拟装配 系统进 行物性分 析和模 拟 , 以及帮 助 虚拟装配系统进行装配分析与评价。物理及工程属性信 息 可以分为直接属性信息和间接属性信息 2 类。直接属性 信 息指如硬度、 材质 、 连接类型等在工程设计中不用再进行 分 解的最基本属性 ; 间接属性 信息指 由直接 属性信 息或和 零 件的几何信息共同推导出的信息 , 如重量、 转动惯量等。 我 们用 P ropertyInfo类的属性集 合记录零件的 直接属性 信息 , 零件的间接属性则由 该类的 方法计算 得出 , 其数 据结构 如 图 2 所示。
( 3) 零件的形状特征。零件的形状特征主要指孔、 轴、 槽、 凸台 等具有工程意义的 用于与 其它零 件相配 合的几 何 特征。它们是平面、 轴线、 圆柱面等一些基本特征体素的 集 合。形状特征类的数据结构如图 3 所示。图中空心三角 形 表示类之间的继承关系 , 父类在三角形的顶端 , 子类与三 角 形的底边相连。空心菱 形加直 线表示 类之间的 聚合 关系 , 其中紧靠菱形的一端是聚合而形成的类。黑三角表示类 之 间的关联关系 , 其左边是 给关联 关系起的 名称。星 号表 示 关联中的数量关系 , 比如在 图 3 中表 示一个 槽特征 类实 例 由多个平面类实例 聚合而 组成。从图 中可 以看出 , 孔、 轴、 槽、 凸台 等 形状 特征 类 分别 由 基本 特征 体 素类 ( 平面、 轴 线、 圆柱 面等 ) 聚合而成。 形状特征类封装了 底层的几 何形状 信息 , 从而 具备 了 一定的工程意义 , 这样有利 于用户 通过装 配语义 来表达 与 认识装配体零部件之间的装配关系。 ( 4) 零件间的约束配合关系。零件间的约束配合关 系 可以分为几何关系和连接关系。几何关系描述实体模型 的 基本几何体素之间的 配合关 系 , 这 些几何 关系通 常可以 分 为贴合 ( 平 面 贴 合、 柱 面 贴合 ) 、 对 齐 ( 平面 对 齐、 直线对
( 1北京航空航天大学 机械工程 及自动化学院 , 北京
1 2 1 1
100083 ; 2北京邮 电大学 , 北京
100876)
宋荆洲
摘 要 : 本文针对虚拟装配模型的信息需求 , 采用面向对象的装配建模方法 , 对零部件的 CAD 设计信息 进行了较 为 完整的表达 ; 在此基础上 , 采用基于二叉树的层次结构并充分利用装配特征信息建立了简单有效的虚拟装配模型 。 关 键 词 : 虚拟装配 ; 装 配建模 ; 面向对象的方法 ; 装配特征 中图分类号 : TP391 文献标识码 : A
336Biblioteka 机械科学与技术第 24 卷
象的方法也 建立了 这类 结构 的装 配 模型 [ 11, 12] 。层 次模 型 可减少存储空间 , 降低规划的复杂度 , 这 种结构目前采用的 较多。 但目前在虚拟装 配方面仍 缺乏高 效灵活 的装 配模型 , 存在的问题可以归纳 如下 : ( 1) 现有的装配 模型大 都以几 何信息 为中心 , 很少 考 虑工程设计过程中 包含的 大量的非 几何信 息 , 不能适应 产 品设计全过程的信息 表达需求 ; ( 2) 装配模型较复杂 , 建模的难度大 , 不利于信息提取 和检索 ; ( 3) 现有装配模 型的结 构缺乏 可扩展 性 , 缺 少面向 对 象的装配模型结构 , 不能充分利用信息存储结构 , 造成结构 表达的资源浪费。 可见 , 一个好的装配模型应该具备以下的特点 , 以满足 虚拟装配系统的要求 : ( 1) 信息高度集 成 , 即 包含了 完整的 产品几 何及工 程 信息 ; ( 2) 良好的数据 存取机 制 , 即 装配模 型的数 据结构 应 设计合理 , 有利于从中高效地搜索、 提取所需的信息 ; ( 3) 具有很好的 扩展性 , 即装 配模型 应有尽 可能大 的 应用范围 , 能适应设计需求变化 , 有较好的动态适应性。 因此 , 本文针对虚拟装配系统对装配模型的要求 , 在综 合了文献 [ 9] 、 文献 [ 12] 这 2 种 装配 建模方 法优 点的基 础 上 , 提出了一种改进的 面向对 象的虚拟 装配建 模方 法。文 献 [ 12] 采用面向对象的方法 , 利用操作 特征和 连接特 征建 立了产品的装配模型 。文献 [ 9] 针对设 计过程 和装配 过程 的特点建立了二叉树结构的装 配模型。本文提出的装配模 型简化 了 W infried van H olland 的 特 征 建 模 结 构 , 对 文 献 [ 9] 的二叉树 层次 结构进 行了 改进 , 增加 了上 下层 装配 体 之间的联系以及用来 表达各级子装配体内零件间装配约束 关系的虚链 , 并在此基础上实现了对产品装配信息的集成。 1 虚拟环境中装配信息的表达 虚拟环境下的装配模型主 要任务是为虚拟装 配过程的 分析和评价提供信息来源 和存取机制。从虚拟装配 系统的 应用需求出发 , 本文提出的装配模型主要包含以下几方面的 信息 : 几何实体信息、 物理及工程属性信息、 零件的形状特征 信息、 零部件间的约束配 合关 系。这 些信 息大 部分由 CAD 系统传入 , 然后在虚拟装配过程中可以进行补充和修改。 ( 1) 几何实体 信息。对于 零件的 几何实 体信 息 , 本 文 采用由三角形小面片组成的材 质多边形列表来表达。它记 录了组成零件的各小面片的顶 点坐标、 顶点法矢、 面片颜色 以及纹理信息等。几何实体信息主要用 于虚拟环境中模型 的现实绘制 及装 配过 程中 的碰 撞检 测。本 文设 计 了一 个 G eome tryEn tity 类来封装零件的几何实体 信息 , 其数据 结构 用 UM L( U n ified M ode ling Language统 一建 模语 言 ) 中的 类 图来表示 , 如图 1 所示。图中第一栏为类名称 , 第二栏 为类 的属性集合 , 第三栏为类的方法集合。
随着虚拟 现实技术的 不断发展和 成熟 , 虚拟装配 日益 成为虚拟设 计的 一个 重要 发展 方向 。它利 用虚 拟 现实 技 术、 计算机图形学和仿真技术 , 使得装配 人员可以在计算机 构造的虚拟环境中 对虚拟 模型进行 产品装 配 , 从而验证 和 改进产品的可装配 性。这对 于降低 装配成本、 缩 短产品 开 发周期、 提高设计质量有着显著的作用。而且 , 它的应用对 于实行面向装配的 设计、 提高设 计的正 确性以 及实施并 行 工程 ( CE ) 也有着十分重要的意义。 虚拟装配建模是 为了方便对虚拟环境中的产品模型进 行可装配性分析 , 从而更好地为虚拟装配规划和仿真服务。 其关键在于提供一种 在计算机内有效地表达装配体内在和 外在关系的方法。虚拟装配建模方法与 目前已有的大多数 三维 CAD 系统 如 CAT I A、 UG 、PRO /E、 SOL ID W ORKS 等 的建模方法不同。已 有的 CAD 系统 的产品 模型 一般采 用 精确的数学形式表 达模型 的几何信 息 , 这种以 数学形式 表 达的 CAD 几何模型需要耗费大量的时间用于 模型的显示 , 难以实现复杂模型的实时交互 显示。虚 拟环境中的产品模 型则是通过 简 化的 多 边形 面 片 模型 ( 通 常为 三 角面 片 模
型 ) 来描述的 , 这种方式提高 了虚拟环 境的实 时性 , 但同 时 也损失了零件模型大 量的工 程几何信 息及拓 扑信息 , 给 表 达与确定零件间的装 配关系 带来了 困难。可见 , 单 独的 三 角片模型与 CAD 模型都难 以满足 虚拟 装配 系统交 互实 时 性和产品信息完整性 的要求。 因此 , 需要研 究一种 面向 虚 拟装配系统的产品装配模型。 国内外学者在这方 面已有了 一定的 研究和 进展 , 提 出 了一些装配模型。这些模型大致可以分为基于图结构的 装 配模型和基于层次结构的装配模型 2 大类。典型的图结 构 模型 , 如 Bourjau lt提 出 的连 接图 模 型 [ 1] , Shin 等 人建 立 的 联络 图模 型 [ 2] , H o m en D e M ello 等 人给 出的 关联 模型 [ 3] , D e F azio 和 W h itney的优先联系图模 型 [ 4] , W ilson的 接触模 型 [ 5] 等。图结构模 型具 有清 晰、 直观 的优 点 , 但 当问 题 规 模较大时 , 计算规 模急剧增大 , 且模型不符合产品的实际 构 造习惯 , 不利于约束求解 , 目前较少被采用。基于层次结 构 的装配模型有 L ee和 G ossard 提出的虚链模型 [ 6] , 浙 江大学 刘振宇等人提出的产品层 次信息 模型 [ 7] , 华中科 技大学 杨 锟等人提出的基于多叉树 的信息 集成模 型 [ 8] , 西 北工业 大 学李原等的基于二叉树的 装配模 型 [ 9] , 北 京理工 大学姚 珺 等的 基 于 框 架 的 动 态 装 配 模 型 [ 10] 等。 此 外 , Chun Fong Y ou 、 W infr ied van H o lland 等人 引入 装配 特征 , 利用 面向 对
第 24 卷 2005 年
第 3期 3月
机 械科学与技术 M ECHAN ICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY
Vo. l 24 N o . 3 M a rch 2005
文章编号 : 1003 8728( 2005) 03 0335 04
一种改进的面向对象的虚拟装配建模方法
宋荆洲 , 孙汉旭 , 贾庆轩 , 施法中
A M od ified Object Or iented V irtual A ssem bly M odelingM ethod 1 2 2 1 SONG Jing zhou , SUN H an xu , JI A Q in g xuan , SH I Fa zhong 1 ( Schoo l o fM echanical Eng in eering and Autom ation, Be ijing Un iv ersity of Aeronaut ics and Astronautics , Be ijing 100083 ; 2 Be ijing Un iv ersity of P osts and T elecommun ica tio ns, B eijing 100876) Abstract : Accord ing to th e in form ation require m ent o f v irtual asse m b ly m odel and adopt ing the ob ject ori ented m ethod , the com plete expression to the CAD desig n infor m at io n o f the parts is g iv en in this paper first ly. Then using a b in ary tree based h ierarchical data structure , w e establish a si m p le and valid virtual assem bly m odel by m aking fu ll use o f the assem bly features. Key w ord s : V irtu a l asse m b ly; A sse m b ly m odeling ; Ob ject oriented m ethod ; A ssem bly feature
图 2 PropertyInfo类类图
图 1 G eom etryEn tity类类图
( 2) 物理及工程属性信息。装配零件的物理及工程 属 性信息用于虚拟装配 系统进 行物性分 析和模 拟 , 以及帮 助 虚拟装配系统进行装配分析与评价。物理及工程属性信 息 可以分为直接属性信息和间接属性信息 2 类。直接属性 信 息指如硬度、 材质 、 连接类型等在工程设计中不用再进行 分 解的最基本属性 ; 间接属性 信息指 由直接 属性信 息或和 零 件的几何信息共同推导出的信息 , 如重量、 转动惯量等。 我 们用 P ropertyInfo类的属性集 合记录零件的 直接属性 信息 , 零件的间接属性则由 该类的 方法计算 得出 , 其数 据结构 如 图 2 所示。
( 3) 零件的形状特征。零件的形状特征主要指孔、 轴、 槽、 凸台 等具有工程意义的 用于与 其它零 件相配 合的几 何 特征。它们是平面、 轴线、 圆柱面等一些基本特征体素的 集 合。形状特征类的数据结构如图 3 所示。图中空心三角 形 表示类之间的继承关系 , 父类在三角形的顶端 , 子类与三 角 形的底边相连。空心菱 形加直 线表示 类之间的 聚合 关系 , 其中紧靠菱形的一端是聚合而形成的类。黑三角表示类 之 间的关联关系 , 其左边是 给关联 关系起的 名称。星 号表 示 关联中的数量关系 , 比如在 图 3 中表 示一个 槽特征 类实 例 由多个平面类实例 聚合而 组成。从图 中可 以看出 , 孔、 轴、 槽、 凸台 等 形状 特征 类 分别 由 基本 特征 体 素类 ( 平面、 轴 线、 圆柱 面等 ) 聚合而成。 形状特征类封装了 底层的几 何形状 信息 , 从而 具备 了 一定的工程意义 , 这样有利 于用户 通过装 配语义 来表达 与 认识装配体零部件之间的装配关系。 ( 4) 零件间的约束配合关系。零件间的约束配合关 系 可以分为几何关系和连接关系。几何关系描述实体模型 的 基本几何体素之间的 配合关 系 , 这 些几何 关系通 常可以 分 为贴合 ( 平 面 贴 合、 柱 面 贴合 ) 、 对 齐 ( 平面 对 齐、 直线对
( 1北京航空航天大学 机械工程 及自动化学院 , 北京
1 2 1 1
100083 ; 2北京邮 电大学 , 北京
100876)
宋荆洲
摘 要 : 本文针对虚拟装配模型的信息需求 , 采用面向对象的装配建模方法 , 对零部件的 CAD 设计信息 进行了较 为 完整的表达 ; 在此基础上 , 采用基于二叉树的层次结构并充分利用装配特征信息建立了简单有效的虚拟装配模型 。 关 键 词 : 虚拟装配 ; 装 配建模 ; 面向对象的方法 ; 装配特征 中图分类号 : TP391 文献标识码 : A
336Biblioteka 机械科学与技术第 24 卷
象的方法也 建立了 这类 结构 的装 配 模型 [ 11, 12] 。层 次模 型 可减少存储空间 , 降低规划的复杂度 , 这 种结构目前采用的 较多。 但目前在虚拟装 配方面仍 缺乏高 效灵活 的装 配模型 , 存在的问题可以归纳 如下 : ( 1) 现有的装配 模型大 都以几 何信息 为中心 , 很少 考 虑工程设计过程中 包含的 大量的非 几何信 息 , 不能适应 产 品设计全过程的信息 表达需求 ; ( 2) 装配模型较复杂 , 建模的难度大 , 不利于信息提取 和检索 ; ( 3) 现有装配模 型的结 构缺乏 可扩展 性 , 缺 少面向 对 象的装配模型结构 , 不能充分利用信息存储结构 , 造成结构 表达的资源浪费。 可见 , 一个好的装配模型应该具备以下的特点 , 以满足 虚拟装配系统的要求 : ( 1) 信息高度集 成 , 即 包含了 完整的 产品几 何及工 程 信息 ; ( 2) 良好的数据 存取机 制 , 即 装配模 型的数 据结构 应 设计合理 , 有利于从中高效地搜索、 提取所需的信息 ; ( 3) 具有很好的 扩展性 , 即装 配模型 应有尽 可能大 的 应用范围 , 能适应设计需求变化 , 有较好的动态适应性。 因此 , 本文针对虚拟装配系统对装配模型的要求 , 在综 合了文献 [ 9] 、 文献 [ 12] 这 2 种 装配 建模方 法优 点的基 础 上 , 提出了一种改进的 面向对 象的虚拟 装配建 模方 法。文 献 [ 12] 采用面向对象的方法 , 利用操作 特征和 连接特 征建 立了产品的装配模型 。文献 [ 9] 针对设 计过程 和装配 过程 的特点建立了二叉树结构的装 配模型。本文提出的装配模 型简化 了 W infried van H olland 的 特 征 建 模 结 构 , 对 文 献 [ 9] 的二叉树 层次 结构进 行了 改进 , 增加 了上 下层 装配 体 之间的联系以及用来 表达各级子装配体内零件间装配约束 关系的虚链 , 并在此基础上实现了对产品装配信息的集成。 1 虚拟环境中装配信息的表达 虚拟环境下的装配模型主 要任务是为虚拟装 配过程的 分析和评价提供信息来源 和存取机制。从虚拟装配 系统的 应用需求出发 , 本文提出的装配模型主要包含以下几方面的 信息 : 几何实体信息、 物理及工程属性信息、 零件的形状特征 信息、 零部件间的约束配 合关 系。这 些信 息大 部分由 CAD 系统传入 , 然后在虚拟装配过程中可以进行补充和修改。 ( 1) 几何实体 信息。对于 零件的 几何实 体信 息 , 本 文 采用由三角形小面片组成的材 质多边形列表来表达。它记 录了组成零件的各小面片的顶 点坐标、 顶点法矢、 面片颜色 以及纹理信息等。几何实体信息主要用 于虚拟环境中模型 的现实绘制 及装 配过 程中 的碰 撞检 测。本 文设 计 了一 个 G eome tryEn tity 类来封装零件的几何实体 信息 , 其数据 结构 用 UM L( U n ified M ode ling Language统 一建 模语 言 ) 中的 类 图来表示 , 如图 1 所示。图中第一栏为类名称 , 第二栏 为类 的属性集合 , 第三栏为类的方法集合。
随着虚拟 现实技术的 不断发展和 成熟 , 虚拟装配 日益 成为虚拟设 计的 一个 重要 发展 方向 。它利 用虚 拟 现实 技 术、 计算机图形学和仿真技术 , 使得装配 人员可以在计算机 构造的虚拟环境中 对虚拟 模型进行 产品装 配 , 从而验证 和 改进产品的可装配 性。这对 于降低 装配成本、 缩 短产品 开 发周期、 提高设计质量有着显著的作用。而且 , 它的应用对 于实行面向装配的 设计、 提高设 计的正 确性以 及实施并 行 工程 ( CE ) 也有着十分重要的意义。 虚拟装配建模是 为了方便对虚拟环境中的产品模型进 行可装配性分析 , 从而更好地为虚拟装配规划和仿真服务。 其关键在于提供一种 在计算机内有效地表达装配体内在和 外在关系的方法。虚拟装配建模方法与 目前已有的大多数 三维 CAD 系统 如 CAT I A、 UG 、PRO /E、 SOL ID W ORKS 等 的建模方法不同。已 有的 CAD 系统 的产品 模型 一般采 用 精确的数学形式表 达模型 的几何信 息 , 这种以 数学形式 表 达的 CAD 几何模型需要耗费大量的时间用于 模型的显示 , 难以实现复杂模型的实时交互 显示。虚 拟环境中的产品模 型则是通过 简 化的 多 边形 面 片 模型 ( 通 常为 三 角面 片 模