零部件的裝配作業(yè)是現(xiàn)代生產(chǎn)過程的一個重要環(huán)節(jié)，零部件裝配成功與否是由零件裝配時的幾何約束及相應(yīng)的力學(xué)狀態(tài)決定的。幾何約束可以通過運動軌跡分析和動畫來描述。
參加配合的零件的幾何元素稱為裝配特征，例如平面、柱面和孔等。裝配特征之間的配合方式按幾何連接形式分為四種：共面反向、孔柱配合、棱孔柱配合和球套配合。共面反向表示零件之間的平面接觸，但是法線方向相反；孔柱配合表示圓柱和圓孔同心且相互接觸；棱孔柱配合表示棱柱和棱孔的同心且相互接觸；球套配合表示球和套的同心配合。常見的發(fā)動機零件裝配中，最常用的是孔柱配合和共面反向配合。棱孔柱配合相對較少，基本沒有球套配合。
在實際裝配過程中，由于零部件的空間尺寸不明確，加上裝配作業(yè)中的操作誤差，常常會造成裝配件之間的位置誤差，致使裝配件損壞或者卡死。為了保證裝配作業(yè)成功，必須確定一個合理的裝配策略，并且最好能夠在實際裝配之前，在計算機上模擬裝配過程，以檢驗裝配策略的合理性和正確性。
下面我們就介紹一個基于體視動畫技術(shù)的發(fā)動機裝配過程的動態(tài)模擬系統(tǒng)。
1 體視動態(tài)模擬系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的動態(tài)模擬技術(shù)可以較為精確地描述零部件的裝配過程，但是由于單視點透視沒有深度感覺，很難準(zhǔn)確判斷零部件之間的干涉情況。而在實際中，我們觀看東西的時候，總有立體的感覺，也就是說我們能夠感覺到物體之間的距離，也能夠感覺到物體與我們之間的距離。當(dāng)觀看物體的時候，在同一時刻，兩個不同圖象通過不同的角度進入你的左右眼，人腦通過分析兩幅圖象得到距離和深度。我們也可以通過計算機生成圖象來體驗這神奇的效果，這就是所謂的體視圖象生成技術(shù)。如果生成靜態(tài)的體視圖象，那么使用傳統(tǒng)的體視投影技術(shù)即可。但是，如果要生成類似于發(fā)動機裝配過程這樣的大量體視動畫，就要使用體視動畫的自動生成技術(shù)［1］。
要在計算機上觀察出體視動畫，需要采用合適的觀察方法?，F(xiàn)在常用的觀察方法很多，例如傳統(tǒng)的紅藍眼鏡方法，新型液晶眼鏡方法等等。紅藍眼鏡方法不需要在計算機上增加硬件設(shè)備，而新型液晶觀察設(shè)備則必須增加新的硬件［2］：
從圖中可以看出，新增的硬件有控制卡、控制盒和立體眼鏡?？刂瓶ú逶谟嬎銠C的擴展槽中，通過信號線與計算機顯示卡相連。顯示器與控制盒直接與控制卡相連。新型立體眼鏡是無線的，因此，不需要與控制盒相連。需要特別說明的是，在這種硬件結(jié)構(gòu)中，顯示設(shè)備必須是逐行的。
在計算機上新增了這些設(shè)備后，就可以觀察到有深度感的動態(tài)圖象了，也就能夠在計算機屏幕上觀察到物體之間的前后關(guān)系。當(dāng)然，所觀察的內(nèi)容也需要是雙視點生成的圖象。
2 發(fā)動機體視動態(tài)模擬系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
發(fā)動機是一個復(fù)雜的機構(gòu)，為了更好地描述整個系統(tǒng)的裝配過程，需要將這個系統(tǒng)分解成幾個相對獨立的子系統(tǒng)。根據(jù)所描述發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點和功能，將整個發(fā)動機分為6個部分。圖2是發(fā)動機裝配過程體視動態(tài)模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。它由控制器、整機裝配子系統(tǒng)、驅(qū)動部件裝配子系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)裝配子系統(tǒng)、機體部件裝配子系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)裝配子系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)裝配子系統(tǒng)和黑板幾個主要部分組成。下面對各個模塊給以簡單介紹。
(1)控制器
控制器同各個模塊相連，可以調(diào)用任何一個模塊工作，是系統(tǒng)的總指揮，控制整個系統(tǒng)的運行。它的主要工作是根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)生成和改變設(shè)計環(huán)境，控制各個子模塊的運行順序，解決各個子模塊間的相關(guān)問題。
為了實現(xiàn)上述控制，控制器采用了黑板控制法和菜單驅(qū)動控制法相結(jié)合的控制策略。
(2)驅(qū)動部件裝配子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)用體視動態(tài)模擬技術(shù)演示驅(qū)動部件的正確裝配過程。
(3)冷卻系統(tǒng)裝配子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)用體視動態(tài)模擬技術(shù)演示冷卻系統(tǒng)的正確裝配過程。
(4)機體部件裝配子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)用體視動態(tài)模擬技術(shù)演示機體部件的正確裝配過程。
(5)進排氣系統(tǒng)裝配子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)用體視動態(tài)模擬技術(shù)演示進排氣系統(tǒng)的正確裝配過程。
(6)增壓系統(tǒng)裝配子系統(tǒng)
該子系統(tǒng)用體視動態(tài)模擬技術(shù)演示增壓系統(tǒng)的正確裝配過程。
(7)黑板
黑板是系統(tǒng)的一個工作區(qū)，各子系統(tǒng)之間的信息交換是通過黑板進行的，它的主要工作是記錄初始要求、中間計算結(jié)果。黑板上的內(nèi)容是動態(tài)變化的，在工作的不同階段可以擦去和重寫黑板內(nèi)容。
這個系統(tǒng)既可以分別演示各個部分的獨立裝配過程，又可以演示如何將各個部分裝配成一個整體。
3 需要注意的幾個關(guān)鍵問題
在建立類似于發(fā)動機這樣較為復(fù)雜的體視動態(tài)模擬系統(tǒng)時，除了需要注意一般模擬的共同問題外，還需要注意如下幾個問題：
?。?）選擇適合于體視模擬的動畫軟件
動畫軟件必須具有很好的開放結(jié)構(gòu)，提供方便的開發(fā)工具，以便根據(jù)體視模擬的需要開發(fā)一些實用的工具。在我們的應(yīng)用中選擇的是3DS MAX，并利用其開發(fā)工具開發(fā)了視差動畫生成模塊、渲染控制模塊和圖象合成模塊。
在開始制作視差圖形之前，需要先根據(jù)零件的特征和零件之間的關(guān)系，使用這個軟件系統(tǒng)制作好動畫，包括建模、布光、設(shè)計材質(zhì)和設(shè)計動作等。這個設(shè)計好的動畫將作為視差動畫生成模塊的一個輸入。同時動畫軟件還要肩負起圖象的渲染與存盤工作。
?。?）視差圖象的生成與合成
根據(jù)現(xiàn)有的動畫生成視差動畫有兩種方法，一種是使用手工的方法調(diào)整攝象機；另一種是使用視差動畫生成模塊直接根據(jù)已有動畫序列生成視差動畫。視差動畫生成模塊根據(jù)動畫軟件中的動畫序列，在控制器的控制下自動計算左右視點的攝象機位置。也就是說根據(jù)一個動畫序列生成另一個動畫序列。生成的結(jié)果可以保存在磁盤上。
對于沒有攝象機運動的情況，使用第一種方法就可以得到好的結(jié)果。而對于有攝象機運動的情況，特別是有攝象機參數(shù)變化的情況，使用第一種方法就有點力不從心，就需要使用第二種方法。
生成完兩個序列的視差動畫圖象后，就需要將兩個序列的圖象合成。合成的方法也與最后的觀察方法有關(guān)。如果使用紅藍觀察，主要是處理兩個序列圖象的顏色；如果使用立體眼鏡觀察，就可以使用我們開發(fā)的合成模塊直接合成。圖象合成模塊可以根據(jù)用戶的要求，將兩個序列的圖象合成，形成一個視差圖象序列。合成后的圖象序列可以直接應(yīng)用于體視動態(tài)模擬系統(tǒng)。
?。?）界面設(shè)計與編輯合成
由于這個項目的主要目的是幫助用戶熟悉發(fā)動機的裝配過程，并了解裝配中可能出現(xiàn)的問題，因此，界面的設(shè)計應(yīng)該以生動活潑為主?；谶@樣的考慮，我們選取了一個色彩較為豐富的圖片作為背景，同時選取每個子系統(tǒng)中比較有代表性的零件作為該系統(tǒng)的代表，放在主界面上。而且，根據(jù)鼠標(biāo)的位置不同，界面不同部分應(yīng)該有不同的動作和音樂。由于整個系統(tǒng)都有體視效果，因此界面的各個部分也應(yīng)該設(shè)計成體視的。
界面設(shè)計好后，就需要根據(jù)系統(tǒng)功能的要求和界面的需要來編輯合成整個系統(tǒng)。這一步需要將前面形成的體視動畫、音頻素材、體視界面的圖片編輯合成，并配以文字說明，形成一個有豐富控制結(jié)構(gòu)和優(yōu)美界面的體視動態(tài)模擬軟件。發(fā)動機裝配過程的動態(tài)模擬系統(tǒng)使用的是AuthorWare多媒體編輯軟件，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)是通過AuthorWare提供的編程語言實現(xiàn)的。
該系統(tǒng)的主界面有6部分組成，分別是整機裝配、驅(qū)動部件、冷卻系統(tǒng)、機體部件、進排氣系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)。
在界面中，每一部分采用其典型的零部件表示，并配以提示菜單。單擊任何一個代表零件就進入相應(yīng)部分的裝配過程演示。
4 結(jié)束語
一般的動態(tài)模擬技術(shù)可以描述機構(gòu)的運動過程，但是由于生成動態(tài)圖形時采用的是單視點投影，無法表述深度信息，也就無法描述各個零部件之間的遮擋關(guān)系。利用體視投影技術(shù)可以解決動態(tài)模擬中的這個不足。本文介紹了體視動態(tài)模擬系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)，以及建立體視動態(tài)模擬系統(tǒng)時需要注意的幾個問題。在這些問題中，最為困難和費時間的是體視動畫的生成與合成，目前我們正在對這個問題進行較為深入的研究，以便提高開發(fā)體視動態(tài)模擬系統(tǒng)的效率。在實際應(yīng)用中，所建立的體視發(fā)動機裝配過程動態(tài)模擬系統(tǒng)受到了好評。
（轉(zhuǎn)載）
