一種自動(dòng)生成層次化爆炸圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于爆炸圖技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種自動(dòng)生成層次化爆炸圖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)雜產(chǎn)品是指客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造過程復(fù)雜、項(xiàng)目 管理復(fù)雜的一類產(chǎn)品，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航天器、汽車、武器系統(tǒng)等。為了揭示和分析復(fù)雜 產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表達(dá)零部件間的相對(duì)空間位置關(guān)系，裝配設(shè)計(jì)人員需要構(gòu)建另一種形 式的裝配圖，即將裝配體中的零部件按照指定的次序、方向和距離相互分離，形成爆炸圖 (Exploded view)。雖然剖視圖、透視圖也可通過消除阻礙顯示的幾何體來揭示內(nèi)部零件， 爆炸圖可更加清晰展示裝配體中所有零部件的形狀細(xì)節(jié)及之間的相互配合、連接關(guān)系，甚 至裝配/拆卸順序及其路徑。可以說，爆炸圖是裝配（拆卸）序列的可視化載體。爆炸圖被 應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案論證和產(chǎn)品宣傳過程中的三維模 型及裝配、拆卸演示動(dòng)畫，制造、檢測(cè)、外場(chǎng)維護(hù)過程中的裝配手冊(cè)、零部件目錄、服務(wù)手冊(cè)， 以及網(wǎng)絡(luò)化定制產(chǎn)品零部件。
[0003] 受其啟發(fā)，爆炸圖還被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)CT掃描成像中的人體器官體視化（Volume visualization)，復(fù)雜數(shù)學(xué)表面的可視化，以及三維建筑環(huán)境或游戲場(chǎng)景的可視化，以揭示 各自的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些應(yīng)用僅涉及單一方向的切割，是對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)及圖形分割所形成 一種爆炸效果，而非對(duì)多個(gè)實(shí)體產(chǎn)生的自然分離。微軟公司將一系列的信息文檔、視圖窗口 等距爆炸為預(yù)覽圖，并支持視圖的交互操作。
[0004] 爆炸圖是伴隨三維CAD軟件的發(fā)展而出現(xiàn)的面向裝配設(shè)計(jì)的功能，成熟的商業(yè)化 三維 CAD 軟件，包括 SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA、DELMIA、UG NX 等，雖然擁有手工或 某種程度自動(dòng)生成爆炸圖的功能模塊，但是經(jīng)過測(cè)試，它們對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品都難以自動(dòng)得到 較為滿意的爆炸效果，通常需要進(jìn)行大量繁瑣的操作或修改。
[0005] 以UG NX的"自動(dòng)爆炸組件"功能為例，以50mm為爆炸間隙，生成圖9所示的搖桿 機(jī)構(gòu)的爆炸圖如圖11所示。在該爆炸圖中，存在多處爆炸失效、爆炸方向或位置不合理的 情況：零件p 3、？7與P μ爆炸方向錯(cuò)誤；P 4與P 8爆炸位置不合理，產(chǎn)生重疊；子裝配體s i，與 S2，僅內(nèi)部爆炸，而本身未響應(yīng)爆炸。只有5個(gè)獨(dú)立螺栓完全合理爆炸。在不考慮爆炸有誤 零部件對(duì)其他零部件作用的前提下，正確爆炸的零部件數(shù)為10個(gè)（ Pl、p2、p5、P6、固定的P15 及5個(gè)螺栓），僅占全部零部件（17個(gè)）的60%。同時(shí)，UG NX等軟件中的自動(dòng)爆炸技術(shù)依 賴于零部件間的配合約束信息，如果裝配體在各個(gè)CAD軟件間的文件格式轉(zhuǎn)換中損失了配 合約束信息，則全部零件均無法自動(dòng)爆炸。因此，CAD軟件的自動(dòng)爆炸技術(shù)具有極大的局限 性，迫切需要新技術(shù)的補(bǔ)充和改進(jìn)。
[0006] 通過圖11的搖桿機(jī)構(gòu)爆炸圖的缺陷，可總結(jié)出生成爆炸圖所需遵循的原則：
[0007] (1)視圖可見性：參與爆炸的各零部件要以均勻的間距完全分離，相對(duì)位置合理， 從空間上達(dá)到各零部件的相對(duì)獨(dú)立性，通過簡(jiǎn)單的視圖旋轉(zhuǎn)，即可觀察到各零部件的輪廓 全貌，無明顯遮掩。圖12的反這一原則。
[0008] (2)結(jié)構(gòu)緊湊性：由于屏幕的視圖區(qū)域有限，要想在同一視圖下容納復(fù)雜產(chǎn)品中 的所有爆炸零部件，必須以盡可能小的空間代價(jià)，顯示盡可能多的模型細(xì)節(jié)，避免無謂的空 間浪費(fèi)，使爆炸后的結(jié)構(gòu)更為緊湊。對(duì)于具有相同拆卸方向的一組并行性零部件（例如圖 12中的5個(gè)螺栓），要將其作為一個(gè)整體與其他零部件分離。
[0009] (3)序列可讀性：理想的爆炸圖是裝配或拆卸序列的可視化載體。爆炸圖要使各 個(gè)零部件按照裝配（拆卸）順序及其方向排列在相應(yīng)的軸線上，要達(dá)到通過爆炸圖直接表 達(dá)和描述裝配序列及其路徑方向的效果，并且要具有工程美感。而圖12存在大量的爆炸方 向及位置錯(cuò)誤，未能反映出序列可讀性。
[0010] (4)層次獨(dú)立性：爆炸圖要按照層次結(jié)構(gòu)依次展開，子裝配體內(nèi)部零部件相對(duì)位 置不應(yīng)受該子裝配體外部零部件爆炸的影響，不具有父子關(guān)系的子裝配體之間不占有相同 的爆炸空間，這樣就保持了每個(gè)子裝配體空間的獨(dú)立性，也更加明確了父子層次關(guān)系。圖12 的S r、S2，沒有在爆炸后脫離底座，就未能較好地表達(dá)層次獨(dú)立性。
[0011] 爆炸圖自動(dòng)生成好比手雷的爆炸過程，零部件爆炸過程中伴隨著能量的傳遞和衰 減，表現(xiàn)為以基礎(chǔ)件為核心，零部件在各拆卸方向上位移的線性遞增。由于零件包圍盒包含 了零件實(shí)體的幾何輪廓邊界，可代替零件作為計(jì)算爆炸移動(dòng)距離的對(duì)象，從而保證視圖的 可見性。由于省略了數(shù)字化模型細(xì)節(jié)，該方法可提高爆炸圖的生成效率。為了保證所獲得 爆炸圖的結(jié)構(gòu)緊湊性，爆炸算法相應(yīng)地采用兩種類型的包圍盒，即GCS方向上的AABB和LCS 方向上的OBB，這兩種零部件包圍盒均可通過CAD二次開發(fā)的方法從三維CAD系統(tǒng)中獲取。 而通過指定坐標(biāo)系矩陣及其原點(diǎn)，可獲得任意零件在其自身或其他零件LCS下的OBB。通過 合并各零件包圍盒極值可得到各級(jí)子裝配體的包圍盒。
[0012] 爆炸方向、順序及位移是爆炸圖生成的核心元素?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中爆炸方向的來源有 人機(jī)交互法、配合約束法以及角度計(jì)算法。
[0013] Li和AGRAWALA開發(fā)了一套半自動(dòng)化的圖片編輯工具，允許用戶指定零部件的裝 配方式，以一組圖片的疊放顯示爆炸效果，但需要過多的手工調(diào)節(jié)。MOTOMASA等根據(jù)給定 裝配操作手冊(cè)，對(duì)選定部分零件指定移動(dòng)增量和方向矢量，定制爆炸圖，不具有自動(dòng)爆炸能 力。KUMAMOTO等開發(fā)了生成爆炸圖及裝配動(dòng)畫的工具，但需給定裝配序列和方向。
[0014] DRISKILL等在所開發(fā)的裝配交互工具中，利用配合特征推算拆卸方向進(jìn)而自動(dòng)生 成爆炸圖，但是如果一個(gè)零件有多個(gè)配合關(guān)系將造成混亂，且該方法未能自動(dòng)生成拆卸順 序。MOHAMMAD和KROLL利用零件間的面配合信息，產(chǎn)生三個(gè)描述各軸向平面接觸關(guān)系圖的 有向圖（ABOVE graph)，通過規(guī)則將其轉(zhuǎn)化為一種描述產(chǎn)品抽象爆炸關(guān)系的線性有向圖，進(jìn) 而生成實(shí)際的爆炸圖。
[0015] BRUNO等利用投影法粗略地推斷可行的爆炸方向，進(jìn)而生成爆炸圖。AGRAWALA等 從認(rèn)知心理學(xué)和可視化角度，開發(fā)了分步裝配說明生成系統(tǒng)，需手工輸入幾何數(shù)據(jù)、成組數(shù) 據(jù)、優(yōu)先約束、局部移動(dòng)障礙等信息，僅適用于簡(jiǎn)單產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，LI等通過手工輸入 一種包含相對(duì)爆炸順序的有向圖（同樣被稱作Explosion graph)生成3D模型的交互爆炸 圖，由于計(jì)算接觸、干涉及包含關(guān)系耗時(shí)較大，限制該方法難以處理含50個(gè)以上零件的產(chǎn) 品。TATZGERN等也在其基礎(chǔ)上，為了生成緊湊的爆炸圖，選擇一組相同子裝配體中具有代表 性的子裝配體進(jìn)行爆炸，在參與爆炸與未參與爆炸的相同子裝配體之間進(jìn)行平衡，并用評(píng) 價(jià)法選擇生成爆炸圖的視角。但其中計(jì)算序列時(shí)根據(jù)的是每個(gè)零件逃離裝配體包圍盒最快 法，爆炸方向根據(jù)單元球體法，干涉檢測(cè)非常耗時(shí)，且僅計(jì)算相接觸的零件的干涉，未進(jìn)行 全局干涉檢測(cè)，無法優(yōu)化序列及方向。VIEILLY等按照裝配體包圍球球心與每個(gè)零件包圍球 球心連線的矢量進(jìn)行避障計(jì)算，以推算每個(gè)零件的爆炸方向。該方法僅保證各零件分離開， 導(dǎo)致各零件呈現(xiàn)發(fā)散式爆炸，而不是沿各正交坐標(biāo)軸爆炸，爆炸出的零件不具有回溯性，相 互間缺少一致方向的聯(lián)系，因此無法體現(xiàn)出裝配順序，如圖1所示，（a)為第一層爆炸效果 圖，（b)為第三層爆炸效果圖。在面對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品時(shí)，其效率和效果更不理想，不符合工程要 求。
[0016] 檢驗(yàn)爆炸效果的有效手段是所爆炸的裝配體的復(fù)雜程度，經(jīng)研宄現(xiàn)有技術(shù)主要存 在4方面不足：①需要過多人機(jī)交互輸入信息，未深入挖掘可自動(dòng)獲得的幾何信息。②可行 爆炸方向的推理不準(zhǔn)確或耗時(shí)較大，且爆炸方向局限于理想的全局坐標(biāo)系軸向。③裝配體 實(shí)例零件數(shù)較少，且缺少層次化結(jié)構(gòu)爆炸的實(shí)例，無法體現(xiàn)其處理復(fù)雜產(chǎn)品爆炸圖的能力。 ④未從全局角度考慮裝配順序規(guī)劃（Assembly sequence planning, ASP)對(duì)優(yōu)化爆炸圖布 局及視覺效果的影響。實(shí)際上，良好的ASP將使爆炸圖更具整體感、緊湊性與可讀性?，F(xiàn)有 ASP算法可以分為經(jīng)典的精確算法（包括問答法、割集法、知識(shí)推理法及干涉矩陣法）、現(xiàn)代 的啟發(fā)式算法（包括遺傳算法、模擬退火算法及蟻群算法等）與新興的虛擬裝配法。絕大 多數(shù)算法面向的是單層次機(jī)械產(chǎn)品或者裝配結(jié)構(gòu)的所有葉節(jié)點(diǎn)零件，因此在面對(duì)多層次 結(jié)構(gòu)的復(fù)