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【摘 要】Division Mockup作为虚拟装配软件，具有很强的图形仿真功能。但由于零部件件数量大及装配工艺繁琐，复杂机电产品利用Division Mockup装配仿真在实时、高效及逼真性等方面比较难以实现。针对这一问题，首先探讨了CAD模型与Division Mockup之间的一种高效全面的数据转换方法；最后，提出了模型二分法管理、包围盒碰撞干涉检查及细节渲染以实现模型高效性和逼真性的装配仿真。
【关键词】Division Mockup；装配仿真；数据转换；模型渲染
计算机图形学技术与虚拟现实技术的相结合发展给机电产品的装配理念带来了变革，引发了新兴技术-虚拟装配技术的发展。虚拟装配技术的提出可以使得产品在设计初期针对产品数字化样机在三维虚拟仿真软件上进行装配仿真验证以及装配工艺制作等等。
Division Mockup是美国PTC公司推出的一款装配过程与验证软件，可以用来进行产品的零部件之间的碰撞干涉检验、装配路径规划、装配运动仿真及装配视频动画录制等，具有很强的图形仿真功能。通用三维CAD设计模型无缝导入到Mockup中，就可以进行产品样机的数字化装配过程仿真与验证。Mockup通过应用接口获取的数字化模型具有轻量化的特点。鉴于这两方面，Mockup已经成为进行机电产品装配动画制作的主流软件，甚至在航天和船舶等大型复杂机电产品上都有许多成功应用的案例。
基于Mockup的虚拟装配系统主要由人机交互层、应用层、核心服务层和数据层等4层组成。人机交互层主要功能是借助于三维鼠标和数据手套等人机交互设备进行虚拟场景的漫游、零件及视角的转换运动等；应用层主要包括三维装配模型建立与管理、数据转换接口开发、装配工艺规划和装配现场动画制作等；核心服务层主要为应用层提供基本技术支持包括碰撞检测、约束识别和行为控制等；数据层主要用于保存虚拟装配系统相关数据信息。
Division Mockup操作界面简单，但是针对复杂机电产品，如何进行实时高效的装配过程仿真制作是一个难点。本文针对这一问题，首先提出了数据接口转换方法以获取复杂产品的轻量化模型；其次提出了余零件挂起、材质纹理映射和光源视角制作等三种技术以优化模型空间及可视化效果；最后提出了模型二分法管理、包围盒碰撞干涉检查、细节渲染及工装工具定义等技术以实现复杂产品高效地装配仿真。
一、数据转换技术
大部分Division Mockup使用者都是中间格式转换的方式获取用于装配仿真的数字化模型，一般若是Pro/E设计的产品则采用*.ed格式，其它软件则是采用*.stl格式。这两种格式得到的模型虽然是面片模型且具有轻量化的特点，但是在转换过程模型的纹理材质等信息会丢失，只是保留了模型零件的坐标位置和几何形状信息。
实际上，Division Mockup提供了一个DOS下运行的dvconvert转换模块，将多种标准CAD数据转化成后缀为vdi格式的文件，装配体模型按照这种方法转化后也可以生成5个文件夹：geometry、material、olfiles、texture、vdifiles。Geometry中为bgf文件，记录了模型的几何形状及特征信息；Material中为bmf文件，记录了模型的颜色、质地、纹理、光源等信息；Olfiles中为ol文件，存储了模型的几何描述信息；Texture中包含环境设置文件等；Vdifiles中的vdi文件存储了模型的结构，此文件是Division Mockup标准格式文件。以某汽车为例，基于Pro/E模型采用dvconvert模块进行模型转换，得到的vdi文件如图1所示。转换后得到的Mockup文件主要包括头文件、定义库及字义零件三部分。
二、装配动画制作关键技术
导入到Mockup中的模型的功能结构目录树反映的是零部件的从属关系，为了高效地进行零部件顺序装配，需要对功能结构树进行编辑和更改。功能结构树的更改基于Division Mockup提供的创建空零件（create new part）来实现，每个空零件对应每一个装配工步，里面包含了当前工步内的所有子零件，目录树的结构采用二分法的思想，满足以下三方面的基本原则：① 装配的位置和从属关系要求；② 装配的顺序和路径规划要求；③ 装配的并行和联动关系要求。
以某汽车模型为例，采用上述思想编制的功能结构树如图2所示。从编制好的功能结构树可以直接得到此汽车的各部分组成，每个部件以其子零件的装配顺序。Division Mockup提供了基于AABB包围盒的碰撞检测功能，具体的操作过程是向有可能互相发生碰撞的零件添加碰撞属性，再添加发生碰撞时触发的行为，如发出声音或者零件材质颜色改变等。对于仅需要向几个零件添加碰撞属性的模型来说这么直接使用是可以，但如果模型紧凑且零件数量庞大，需要添加的碰撞属性的零件达到几十个甚至上百个时，若还是这么都直接添加就会造成装配仿真动画录制的时候渲染失真或者出现迟钝现象。为了解决这一问题，可以利用Division Mockup提供的LOD设置来解决这个问题。LOD就是细节层次表达，体现在模型上就是需要渲染的三角面片的数量，LOD值设置越高则需要表达的面片数量越小，在不考虑电脑配置前提下只要不影响零部件外形，可以尽量的将LOD值设置得尽可能高。图3反映的是针对某增压器在进行碰撞检测时有无设置LOD值的效果。前一副图采用的是系统默认的LOD值，由于增压器内部细小零件繁多且空间狭小，添加碰撞属性的零件很多导致在进行动态干涉检测时发生了图形渲染失真的现象。后一副图反映的是经过增大LOD值后，在进行干涉检测时图形渲染流畅并且零部件外形无变化。
三、结论
本文提出了若干关键技术使得复杂机电产品在Division Mockup中能够进行实时、高效及逼真的装配仿真。采用了dvconvert转换模块，在保证模型几何信息、位置及材质的前提下获取了适用于Division Mockup的轻量化模型。最后以二分法管理模型结构目录树，结合碰撞检测及LOD层次表达，提高了Division Mockup中装配工艺规划的效率。下一步的研究工作将围绕Division Mockup中如何实现工装工具操作空间验证展开。
参考文献：
[1] 赵鸿飞， 张琦， 苏凡囤等. 桌面式虚拟装配训练评价系统设计与实现[J]. 解放军理工大学学报： 自然科学版，
[2] 彭程. 机电产品的虚拟装配系统研究与设计[D]. 大连海事大学， 2010.
[3] Huang W S， Chen Q， Wang M Z， et al. The Research and Implementation of Virtual Training System Based on DIVISION Mockup and Position Tracker [J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 263： 1536-1542.
[4] 原彬， 路慧彪， 邹玉堂. 基于 Division Mockup 的分油机虚拟装配系统的研究[J]. 现代制造工程， 2013 （1）： 25-27.
[5] 夏平均， 姚英学， 孙刚等. 基于 Division Mockup 的卫星虚拟装配系统研究与开发[J]. 中国机械工程， 2008， 19（19）： 2340-2343.
【关键词】Division Mockup；装配仿真；数据转换；模型渲染
计算机图形学技术与虚拟现实技术的相结合发展给机电产品的装配理念带来了变革，引发了新兴技术-虚拟装配技术的发展。虚拟装配技术的提出可以使得产品在设计初期针对产品数字化样机在三维虚拟仿真软件上进行装配仿真验证以及装配工艺制作等等。
Division Mockup是美国PTC公司推出的一款装配过程与验证软件，可以用来进行产品的零部件之间的碰撞干涉检验、装配路径规划、装配运动仿真及装配视频动画录制等，具有很强的图形仿真功能。通用三维CAD设计模型无缝导入到Mockup中，就可以进行产品样机的数字化装配过程仿真与验证。Mockup通过应用接口获取的数字化模型具有轻量化的特点。鉴于这两方面，Mockup已经成为进行机电产品装配动画制作的主流软件，甚至在航天和船舶等大型复杂机电产品上都有许多成功应用的案例。
基于Mockup的虚拟装配系统主要由人机交互层、应用层、核心服务层和数据层等4层组成。人机交互层主要功能是借助于三维鼠标和数据手套等人机交互设备进行虚拟场景的漫游、零件及视角的转换运动等；应用层主要包括三维装配模型建立与管理、数据转换接口开发、装配工艺规划和装配现场动画制作等；核心服务层主要为应用层提供基本技术支持包括碰撞检测、约束识别和行为控制等；数据层主要用于保存虚拟装配系统相关数据信息。
Division Mockup操作界面简单，但是针对复杂机电产品，如何进行实时高效的装配过程仿真制作是一个难点。本文针对这一问题，首先提出了数据接口转换方法以获取复杂产品的轻量化模型；其次提出了余零件挂起、材质纹理映射和光源视角制作等三种技术以优化模型空间及可视化效果；最后提出了模型二分法管理、包围盒碰撞干涉检查、细节渲染及工装工具定义等技术以实现复杂产品高效地装配仿真。
一、数据转换技术
大部分Division Mockup使用者都是中间格式转换的方式获取用于装配仿真的数字化模型，一般若是Pro/E设计的产品则采用*.ed格式，其它软件则是采用*.stl格式。这两种格式得到的模型虽然是面片模型且具有轻量化的特点，但是在转换过程模型的纹理材质等信息会丢失，只是保留了模型零件的坐标位置和几何形状信息。
实际上，Division Mockup提供了一个DOS下运行的dvconvert转换模块，将多种标准CAD数据转化成后缀为vdi格式的文件，装配体模型按照这种方法转化后也可以生成5个文件夹：geometry、material、olfiles、texture、vdifiles。Geometry中为bgf文件，记录了模型的几何形状及特征信息；Material中为bmf文件，记录了模型的颜色、质地、纹理、光源等信息；Olfiles中为ol文件，存储了模型的几何描述信息；Texture中包含环境设置文件等；Vdifiles中的vdi文件存储了模型的结构，此文件是Division Mockup标准格式文件。以某汽车为例，基于Pro/E模型采用dvconvert模块进行模型转换，得到的vdi文件如图1所示。转换后得到的Mockup文件主要包括头文件、定义库及字义零件三部分。
二、装配动画制作关键技术
导入到Mockup中的模型的功能结构目录树反映的是零部件的从属关系，为了高效地进行零部件顺序装配，需要对功能结构树进行编辑和更改。功能结构树的更改基于Division Mockup提供的创建空零件（create new part）来实现，每个空零件对应每一个装配工步，里面包含了当前工步内的所有子零件，目录树的结构采用二分法的思想，满足以下三方面的基本原则：① 装配的位置和从属关系要求；② 装配的顺序和路径规划要求；③ 装配的并行和联动关系要求。
以某汽车模型为例，采用上述思想编制的功能结构树如图2所示。从编制好的功能结构树可以直接得到此汽车的各部分组成，每个部件以其子零件的装配顺序。Division Mockup提供了基于AABB包围盒的碰撞检测功能，具体的操作过程是向有可能互相发生碰撞的零件添加碰撞属性，再添加发生碰撞时触发的行为，如发出声音或者零件材质颜色改变等。对于仅需要向几个零件添加碰撞属性的模型来说这么直接使用是可以，但如果模型紧凑且零件数量庞大，需要添加的碰撞属性的零件达到几十个甚至上百个时，若还是这么都直接添加就会造成装配仿真动画录制的时候渲染失真或者出现迟钝现象。为了解决这一问题，可以利用Division Mockup提供的LOD设置来解决这个问题。LOD就是细节层次表达，体现在模型上就是需要渲染的三角面片的数量，LOD值设置越高则需要表达的面片数量越小，在不考虑电脑配置前提下只要不影响零部件外形，可以尽量的将LOD值设置得尽可能高。图3反映的是针对某增压器在进行碰撞检测时有无设置LOD值的效果。前一副图采用的是系统默认的LOD值，由于增压器内部细小零件繁多且空间狭小，添加碰撞属性的零件很多导致在进行动态干涉检测时发生了图形渲染失真的现象。后一副图反映的是经过增大LOD值后，在进行干涉检测时图形渲染流畅并且零部件外形无变化。
三、结论
本文提出了若干关键技术使得复杂机电产品在Division Mockup中能够进行实时、高效及逼真的装配仿真。采用了dvconvert转换模块，在保证模型几何信息、位置及材质的前提下获取了适用于Division Mockup的轻量化模型。最后以二分法管理模型结构目录树，结合碰撞检测及LOD层次表达，提高了Division Mockup中装配工艺规划的效率。下一步的研究工作将围绕Division Mockup中如何实现工装工具操作空间验证展开。
参考文献：
[1] 赵鸿飞， 张琦， 苏凡囤等. 桌面式虚拟装配训练评价系统设计与实现[J]. 解放军理工大学学报： 自然科学版，
[2] 彭程. 机电产品的虚拟装配系统研究与设计[D]. 大连海事大学， 2010.
[3] Huang W S， Chen Q， Wang M Z， et al. The Research and Implementation of Virtual Training System Based on DIVISION Mockup and Position Tracker [J]. Applied Mechanics and Materials， 2013， 263： 1536-1542.
[4] 原彬， 路慧彪， 邹玉堂. 基于 Division Mockup 的分油机虚拟装配系统的研究[J]. 现代制造工程， 2013 （1）： 25-27.
[5] 夏平均， 姚英学， 孙刚等. 基于 Division Mockup 的卫星虚拟装配系统研究与开发[J]. 中国机械工程， 2008， 19（19）： 2340-2343.