1、基于 Division 的全断面掘进机虚拟装配与运动仿真本章针对传统的装配操作存在的检验成本高、周期长、效率低以及运动过程不够真实等缺点，应用虚拟现实技术，研究了基于 DIVISION 环境的虚拟装配和运动仿真，构建了虚拟装配环境，对产品的装配和运动过程进行了具有真实感的模拟，从而提高了装配检验的效率，缩短了研制周期，节约了设计成本，并模拟出全断面掘进机具有沉浸感的工作运动状况。1. 虚拟现实技术1.1 虚拟现实技术简介虚拟现实技术 VR(Virtual Reality)，是基于计算机产生一种人为的虚拟环境，人们通过这种虚拟环境来模拟现实活动的技术。它综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、多传
2、感器交互技术、人机交互、人工智能及显示技术等多种高科技的最新成果。与传统计算机技术相比，虚拟现实系统具有沉浸性、交互性和想象性 3 个显著特征。虚拟现实技术能够通过以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉的特定虚拟环境。参与者借助一定的交互设备以接近自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用，并相互影响。通过“身临其境”的感觉，使人成为虚拟环境中的一员，从而达到人和虚拟环境完全“融为一体”的目的。在这种环境下，参与者可以按照自己的主观意愿驱动虚拟环境，并感知虚拟世界的各种对象，从而可以完成一些现实中难以完成或根本无法完成的活动。在欧美发达国家，虚拟现实技术已经广泛应用于虚拟设计、战术
3、演练、虚拟培训、城市规划、医学和地质勘探等领域,尤其在军事领域。例如 1994 年美国陆军的“路易斯安娜 94”作战演习就是借助虚拟现实技术实现的，节约了演习经费近 20 亿美元。美国航空航天局在“哈勃太空望远镜的修复和维护”计划中也大量采用了 VR 仿真训练技术,保证了宇航员在太空失重环境中实现精确操作。美国西科尔斯基飞机公司(Sikorsky)和波音(Boeing)公司在开发 RAH-66 卡曼奇式(Commanche)直升机时借助虚拟现实技术，提高了飞机驾驶舱的舒适性和可操作性。德国宝马汽车公司将虚拟现实技术融入到汽车零部件设计、内饰设计、空气动力学试验和模拟撞车安全试验等整车设计的细节
4、工作中。比较之下,国内对 VR 的研究才刚刚起步。1.2 Division 的功能与模块Division 是美国参数科技公司(PTC)主推数字样机的虚拟现实软件 ,它具有基于网络、可扩展和互操作的特点。它能支持众多三维 CAD 数据格式,如PRO/E、CATIA、UG、CADDS5、ALIAS 和 AUTOCAD 等。Division 具备数字样机、装配规划、行为仿真和人机工程等主要功能。它和 Opticore、Vis Mockup、Catia DMU 等一起构成了机械设计领域的主流虚拟现实软件。它包括以下主要模块:(1)DIVISION MockUp。该模块提供用于产品开发过程中桌面设计、工
5、程规划部门的图形可视化和数字样机的功能。它不仅提供了功能强大的数据可视、共享、检查和虚拟设计的工具；而且，通过对其进行配置和定义，用户可以扩充和丰富某些特定功能，以实现特殊的虚拟仿真、人机工程和高级外观检测等功能。该模块能够在多层次上模拟物理样机的行为和功能，可以极大的减少对物理样机的依赖程度。(2)DIVISION Motion Planning Option。运动规划模块。使用该模块可以模拟过程规划、装配/拆装序列、产品操作以及交互式教育和培训设计。可以使用智能模型仿真动作来建立动画路径和序列。智能是一些预定义系统可以根据定制动作来设计或修改他们，或者是从一个具有 100 多个预定义行为的
6、库中导入。运动规划选件在动画处理方面非常优秀。为了根据用户定义的动作来建立动画，该系统使用先进的工具，把路径和简单连接，应用到组建、横截面和观察点等对象上。为了逼真的模拟产品功能，它提供了选择、移动、删除、干涉碰撞、播放声音、更改颜色和更改光线等交互动作。另外，该选件还有交互模拟关键帧定义的特点，它还包括了时间/动作行为定义的功能，用于根据特定事件来定义动作。(3)DIVISION Immersive Device Option。用于支持可视头盔， 3D 鼠标和其第二章基于DIVISION 虚拟装配系统的总体构建 15 他 I/O 设备的 3D 用户接口。通过利用该选件对大量外围设备的支持，用
7、户可以“深入”和直观的处理设计。这些设备包括多路显示系统、3D 跟踪设备、头盔显示器以及其他 I/O 设备。这些敏感的 “第四維”增强性硬件设备提供了对空间、规模和设计技巧更进一步的理解。Immersive Device 选件还提供了一个独特的3D 用户截面，用以提高与设计的交互。 3D 截面代替了传统的 2D 用户截面，鼠标和键盘被替换成识别笔、3D 鼠标和电子手套等 “虚拟现实”设备。3D 浮动界面的控制功能对应着许多可以在桌面用户截面中找到的功能。使用 3D 控制功能完成的操作，可以通过直接操作部件来定义。例如，可以在系统中选择一个约束工具和一个部件，然后使用基本的 3D运动来约束这个部
8、件。可以使用类似的交互工具，来分配灯光和观察点等其他属性，也可以通过简单的选中它，病只想定义运动所需的位置，来制作部件动画。(4)DIVISION Safework Manikin。它是 DIVISION 软件的人体功能库模块，侧重于研究虚拟产品中的人为因素和人机工程性。用户从标准库或定制数据库中直接将虚拟人添加到虚拟环境中，并能及时获得该虚拟人的各种参数，如手或脚的操控范围、眼镜的能见度和特定环境下的疲劳位置等。通过研究虚拟人在一定环境下的行走、操控、装配和维修等行为,达到优化人机关系，实现人机和谐的目的。(5)DIVISION Reality。它是专门的虚拟现实模块，不仅能支持当今世面上所
9、有主流的高端图形硬件和 VR 外设，而且能提供沉浸的逼真视觉感受，为设计师领会设计意图，发现设计缺陷及大型方案的评估论证提供了强有力的工具。通过将研究对象融入虚拟环境中，设计师可以完成产品的虚拟装配、虚拟测试和模拟训练等复杂功能。(6)DIVISION Product View。他是产品观察器，提供了信息可视化功能，它通过提供基于Web 的访问产品和过程生命周期中包含的几乎所有信息类型的能力，来支持企业协作。访问多个企业系统管理的信息，可以浏览大量异构产品信息，标记和分析功能是所有核心功能。ProductView 提供了独立于 CAD 的关键浏览功能，它能让参与产品和过程生命周期的人员计算质量
10、属性、建立渲染图像、通过拖拽对象，移动或旋转它们，来剖析部件、透视大型部件以及建立一个不见得截面。2 基于 DIVISION 的模型转换方法本文采用自上而下的设计模式，即在 Pro/Engineer 的软件环境下构造出各个零部件三维实体模型，并以 ProductView 文件 ed 格式类型导出。在 Division Mockup 环境下打开模型文件后，进行各零部件的虚拟装配、干涉检验，获得完整的装配模型。结合本课题使用的 VR 软件 DIVISION 以及 CAD 软件，本文提出一种基于 DIVISION 的模型转换方法，充分利用了原有 CAD 模型的资源，节省了时间，提高了效率。Divis
11、ion MockUp 软件使用自己的文件格式来描述和展示数字样机，其标准格式是后缀为vdi 的文件。这种文件需要在 Pro/Engineer 环境且基于工作站操作系统安装相应的插件publish 才可以获得。首先 publish 插件的获得途径十分不易，而且在 Pro/Engineer 高版本中所建立的三维模型不能向低版本兼容。因此必须采取其他方法才可以使样机模型转换为演示模型。分析野火版 Pro/Engineer 后发现，在输出文件类型里有一种 Product View 类型的文件，其后缀名为 ed，在 DIVISION MockUp 中可以导入这一类型的文件(如图所示) 。进一步分析发现，
12、当装配体按照这种格式输出时，其输出的目录下有三种格式的文件。一种是后缀为ed 的 Product View 类型文件，这种文件是记录模型结构的文件；一种是后缀为 ol 的多个文件，这种文件是用来记录每一个零部件的几何表示，它和野火版 Pro/Engineer 所建立的零件装配体是一一对应的；还有一种是后缀为 log 的日志文件，在这里面记录着转换的详细过程，包括装配体的输出输入路径以及每一个零件转换的成功与否。图所示为全段面掘进机在 Pro/e 下的模型转换。图 Pro/Engineer 模型导出界面3 基于 Division 的全断面掘进机的虚拟装配3. 1 虚拟装配“虚拟装配” （Virt
13、ual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，是近几年才提出的一个全新概念。在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。其研究大体上可分作两个层次：一是采用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观的展示产品装配过程中零、部件的运动形态和空间位置关系，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。其关系如图所示。二是基于虚拟现实技术构造虚拟的产品装配环境，操作人员有身临其境的感觉，并能通过视觉、听觉和触觉来感知产品的装配顺序和效果。设计人员利用虚拟装配技术，在计算机上将设计得到的三维模型预装配到一起，这样可避免物理原型的应用，也可对零部件进行干涉检验，
14、减少样品利用率。最重要的是能在产品设计过程中，利用各种技术手段如分析、评价、规划、仿真等充分考虑产品的装配环节，及其相关各种因素的影响。在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构，使设计出的产品不但可以装配，并尽可能降低装配成本和产品总成本，减少设计时间。图所示为虚拟装配与干涉检验的关系全断面掘进机数字化样机模型中性文件虚拟环境下对数字样机进行装配干涉检验N完整的装配模型图 虚拟装配与干涉检验的关系在虚拟环境中进行产品装配，研发人员能够迅速了解设计决策对单个操作的影响，全面掌握在虚拟制造中的装配过程，能够尽早发现产品开发过程中的设计、生产、和装配问题，对保证产品质量和可靠性，降低产品成本，
15、缩短研制周期，提高产品开发的一次性成功率具有十分重要的意义。3.2 全断面掘进机在 Division mockup 中的虚拟装配虚拟装配是在虚拟现实环境中，利用虚拟装配系统操作 CAD 模型，模拟出零散部件装配成产品。大多数 CAD 软件进行装配时主要是对零部件进行适当约束，在软件环境下，建立相应的装配关系，用这些装配关系将零部件按照装配要求装配在一起。仅显示装配后的结果，没有装配的运动过程，无法辨别在装配过程中能否通过设定的装配方式实现装配过程或较为方便快捷的完成装配。而 Division Mockup 提供的两种装配模式均能全过程化展示装配的流程。一种通过设置装配路径及其它各种运动参数，进
16、行自动装配。另一种，通过加载 Division Mockup 自带的人体模型，利用外接设备控制该模型，进行有效地握取，移动，放置等动作，从而实现装配过程。本文实现了对全断面掘进机的主要工作部分和整机虚拟装配。全断面掘进机的关键零部件的虚拟装配主要分成一下一部分：刀盘、前盾、中盾、后盾和管片输送机等。图为刀盘在虚拟环境中进行装配的过程，图 a 为对刀盘的刀架的装配，图b 为装配刮刀和滚刀，图 c 为装配刀盘驱动，图 d 为装配刀盘驱动电机。a bC d图 刀盘装配图为全断面掘进整机装配主要过程。图 a 为以前盾为基准，装配刀盘，图 b 为装配中盾及中盾连接件，图 c 为装配后盾和其连接件、螺旋取
17、土器、管片拼装机，图 d 为装配后配套设备。a bC d图 全断面掘进机整机装配3. 3 干涉检验干涉检验是构成虚拟现实系统的基本要素，也是进行虚拟装配的前提。在虚拟装配环境下对零部件进行静态干涉检验，以确定零部件的有效性。对未能通过静态干涉检验的零部件将返回实体造型模式进行几何修改。零部件的动态干涉检验在装配操作的同时进行，若产生动态干涉则修改装配路径或零部件装配顺序，如果经过多次修改装配路径和顺序仍产生动态干涉的零部件要返回实体造型模式进行几何修改。复杂装配体内元件与装配体之间的干涉检验是非常繁杂的工作，针对元件装拆运动的特点，有人提出了一种三级推进式干涉检验过程，即按包容盒级-半包容盒级
18、- 精确实体级。这种算法可避免大量不必要的运算。但是，在 Division Mockup 环境下以对话框形式便可轻松实现，根本不需要人工运算。具体操作方法如下：打开所需检测的装配模型；在操作界面中点击干涉检验按钮，弹出干涉检验对话框， （如图 ） ； 根据检测需要可点选装配模型中的零部件或者组件，选择瞬时检测即进行静态干涉检测，选择持续检测即在装配过程中进行动态干涉检测，点击确定后就显示出检验结果（如图 ） 。从检验结果可以看出静态干涉，从而进行修改尺寸，再进行干涉检验，直到满足设计需要为止。图 干涉检验对话框图 干涉检验结果3. 4 小节通过利用 Division Mockup 以及一些基本
19、的虚拟装配的外设，即可构成简单的虚拟装配环境，进行虚拟装配。采用这种虚拟装配的方法，可以在产品的设计阶段就可直接检查机械系统各个零部件在空间的装配情况并能及时发现是否发生干涉。方便快捷的展示了产品装配的全部过程，生动直观地分析、验证与改善产品的可装配性。这种可视化设计和分析，不但减少了设计成本，而且提高了设计质量。4 全断面掘进机的运动仿真4.1 系统构成虚拟现实中全断面掘进机的运动仿真由两个部分构成：运动模拟部分和可视化部分，如图1 所示。虚线左边为运动模拟部分，虚线右边为可视化部分。 全段面掘进机运动模拟部分液压缸推进运动刀盘旋转前进运动螺旋取土器旋转工作运动管片拼装机取片、旋转、提片运动
20、可视化部分全段面掘进机工作运动图 虚拟现实中全断面掘进机运动仿真系统的构成4.2 虚拟现实输出模块Division 虚拟现实系统在与用户交互时,使用普通的计算机监视器、数据头盔或 3D 眼镜来显示虚拟世界,用户通过键盘、鼠标或 3D 鼠标来控制用户在虚拟世界中的运动。Division 系统是基于 OpenGL 的, OpenGL 是一个功能强大、调用方便的底层 3D 图形库,它是 3D 加速卡硬件和 3D 图形应用程序之间的一座非常重要的沟通桥梁。 OpenGL 具有两个主要的特点:它是与硬件无关的软件接口 ,可以在不同的平台之间进行移植,具有很好的移植性;可以在客户机/服务器系统中工作,即具
21、有网络功能。虚拟现实输出模块采用了基于关键帧的动画,每解析出某个时刻的位置和姿态信息,就在动画系列上添加一个关键帧,关键帧之间采用线性插值来平滑效果,产生的动画可以一边持续添加关键帧,一边实时播放。4.3 运动仿真的实现通过对全断面掘进机的几个关键工作部分的关键帧录入以及相应的视角变化，来直观的呈现出全断面掘进机的工作情况。本文利用动作编辑器进行运动过程关键帧的录入，动作编辑器如图所示。图 动作编辑器录入的运动过程主要包括液压缸顶住管片向前推进，刀盘进行旋转掘进，管片拼装机从取片到贴片完整的工作过程，以及螺旋取土器的旋转取土的过程。其在个人计算机上的呈现情况如图 a 和 b 所示。图 a 全断面掘进机整机推进仿真图 b 全断面掘进机管片拼装的的运动仿真在实现个人计算机上的运动仿真的同时，将文件导入至虚拟现实系统中，可以呈现出具有沉浸感的虚拟运动，让观赏者有身临其境的感觉。图为全断面掘进机在虚拟现实的图片。图：虚拟现实场景下的盾构机数字化样机5 本章小结本章把三维建模软件 Pro/E 同虚拟现实软件 Division 相结合，把虚拟装配的过程引入到更具真实性和沉浸感的虚拟现实系统中，并进行干涉检验，与三维建模软件相互呼应、及时反馈，从而得出了全断面掘进机完整的装配模型。在此基础上，实现了全断面掘进机整机以及各主要工作部分的运动仿真。
