何鸿禧 吴炎青 欧鑫

西南科技大学制造科学与工程学院 四川 绵阳 621010

引言

虚拟装配是虚拟制造技术的重要技术之一，因为其对先进制造模式的构筑具有重大意义，自从该技术一问世就得到了社会各界的广泛关注。利用虚拟装配，通过利用可视化工具显示装配过程，可以验证设计师机械结构设计的合理性与装配工人装配操作的正确性，以便较早的发现装配问题，对三维模型进行优化修改。运用虚拟装配技术可以显著地缩短机械产品研发周期，确保其他的并行工程顺利开展，降低机械产品的成产成本，增加企业的核心竞争力。

国外从20世纪90年代中前期开始研究虚拟装配技术，最早由华盛顿州立大学与美国国家标准技术研究所共同开发了名为VADE的虚拟装配环境，宣告虚拟现实技术在装配领域的成功应用，是虚拟装配研究的重要里程碑。随后，德国、英国、加拿大等多个国家的高校和研究机构都着手开始虚拟装配技术的研究。国内对虚拟装配的研究起步于20世纪90年代末期，发展迅速，提出了许多新理论和新方法，还取得了不少研究成果。国内最早开展虚拟装配研究的是浙江大学，目前的研究水平在国内也处于领先地位。此外，国内许多高校也进行了对虚拟装配相关的研究。

综合上述国内外对于虚拟装配技术的研究现状可知，国内目前的虚拟装配技术仍然落后于国外几年，正处于第二阶段向第三阶段过渡的时期。尽管目前国内外的高校和机构在虚拟装配技术方面做了许多研究，取得了较大的进展，但是虚拟装配技术这个概念从提出至今也就数十年时间，各种理论和方法尚未完全成熟，不可避免地存在一定的缺陷。

本文在分析国内外对虚拟装配技术研究现状的基础上，讨论并研究了目前虚拟装配的软硬件体系结构，以慧鱼机器人为例，应用虚拟装配技术，搭建了虚拟装配环境，设计并实现基于 Quest 3D慧鱼机器人虚拟装配系统。

1 慧鱼机器人虚拟仿真装配系统设计

利用虚拟装配技术设计慧鱼机器人装配仿真系统，面对不同年龄段的学生,进行针对性、系统性、层次性地培养学生综合实践能力，使其树立良好的工程意识。不仅为实验教学提供了支持，同时也解决了慧鱼机器人实体零件种类数目繁多、查找保管不便、收集归纳整理较为复杂、模型台数套数不足等问题，节约了实验教学成本。

1.1 虚拟仿真设计原理

首先利用通过逆向工程测量慧鱼机器人零件的尺寸参数，再用SolidWorks三维建模软件建立慧鱼机器人的三维模型，然后确定装配路径和顺序，完成装配；再者建立虚拟装配环境，载入碰撞检测程序；然后进行虚拟装配和仿真，最后进行可装配性评价[2]。

图1 技术路线图

1.2 慧鱼机器人建模与装配

虚拟装配环境中的零件信息是零件描述、存储的数字化表达。现有的虚拟现实软件虽然可以建立一些像长方体、球体的简单几何模型，但对于零件数量多且形状复杂的机械类产品，虚拟现实软件的建模能力远远满足不了工程实际的需求。目前常用的方法是运用传统的三维建模软件，如：Solid Works，Pro/E或UG等，首先进行产品建模，然后对模型文件进行转化，获得虚拟装配系统能识别的信息文件，并将此信息文件导入到虚拟装配系统中[3]。

1.2.1 三维建模软件。Solidworks是一款Windows原创的三维设计软件，功能强大、组件繁多，包括机械设计、动画渲染、运动仿真、数据管理等模块。

1.2.2 慧鱼机器人建模与装配。将慧鱼零件分为机械零件，电气零件以及气动零件三大类。在机械零件中，又可分为机械传动零件和机械支撑零件；电子零件可分为传感器零件、驱动零件等。我们运用逆向工程，将各类零件进行测量，获得较为精确的形状尺寸。最后在Soild Works软件里进行各类零件的三维建模，如下图2所示[4]。

以慧鱼机器人智能小车为例，首先添加需要装配的零件，分析该智能小车各零件的装配关系及其顺序，然后在solidWorks软件里完成装配，如下图3所示[5]。

图3 小车装配图

1.3 慧鱼机器人虚拟装配系统的建立

1.3.1 Quest3D虚拟仿真平台。Quest3D是一个容易且有效的实时3D建构工具。比起其他的可视化的建构工具，如网页、动画、图形编辑工具来说，Quest3D能在实时编辑环境中与对象互动。Quest3D具有构建实时3D方案的所有高效特点。

1.3.2 慧鱼机器人虚拟装配过程。首先将Solidworks里所建模型保存为stl文件，再用3DExploration软件将stl文件转化为x文件，用Quest 3D读取经此方法导出的x文件。

接着导入模型零件。成功导入模型时，可以看到Quest 3D已经自动在通道视图创建了模型的形状（子通道：XD_19318）与位置信息（子通道：Motion）。而一个标准的Quest 3D模板通道组如下图5所示，还应该包含一个摄像机与灯光，表面纹理可以不考虑，只是起美观的作用，设置与否并不影响我们装配[6]。

图5 Quest 3D模板通道组图

接下来开始添加通道组，添加Start 3D Scene 通道、Render通道、Directional Light通道、Walkthrough Camera通道。Start 3D Scene通道的作用是在工程项目开始渲染之前做一些初始化工作，例如设置3D环境、屏幕分辨率、背景颜色等。Render通道有着渲染此工程项目中的3D物体的作用。Directional Light通道提供光照，使物体能被观察到。Walkthrough Camera通道是以第一人称的视角在虚拟场景中进行移动观察，可以控制行进的方向和目的地。Walkthrough Camera通道分为Camera Logic（摄像机逻辑）和Walkthrough Camera（行走相机）。将Camera Logic连接到Start 3D scene、WalkthroughCamera连接到Render上。Camera Logic有相机的复位键、初始位置以及当前位置信息，都可双击通道进行更改。Walkthrough Camera通道组用了一个基类型为Vector（矢量）的FastCollisionResponse（碰撞反应）来控制摄像机的位置，其各部分作用如下图6所示[7]。

图6 Walkthrough Camera通道作用图

通道添加完毕后，还需连接各通道组。连接完成后的通道如下图7所示，装配完成后的小车如图8所示。

图7 小车装配通道图

图8 小车装配图

2 结束语

本文以慧鱼机器人为例，利用SolidWorks三维建模软件建立了慧鱼小车的实体模型，在Quest3D虚拟仿真平台下完成了虚拟装配装配环境的搭建，并进行了虚拟装配和仿真。通过研究，本文系统地分析了虚拟装配过程，实现了三维建模软件与虚拟装配环境之间的三维模型文件的转换。该方法不仅能够为实验教学节约成本，而且也可以为任意机械产品的虚拟装配提供借鉴[8]。