時間：2023-03-28 15:05:00
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【關鍵詞】Unity3D；HTML；腳本；交互；虛擬裝配
1、引言
Unity3D不只是單純的游戲引擎，而是已經涉及到多種不同領域的一個跨平臺的三維游戲與虛擬現實開發工具，該工具支持多腳本語言以及強大的物理引擎等特點。論文通過研究Unity3D與HTML交互機制，實現場景中對象的動態交互行為，也就是控制各裝配體的裝配順序并實現碰撞檢測、零件實時編輯等功能，從而使得整個裝配過程具有邏輯合理性和可控制性。
2、Unity3D與HTML交互機理
2.1 Unity3D瀏覽器調用HTML網頁中的函數
Unity3D瀏覽器通過執行Application.ExternalCall（）來調用任何在HTML網頁里定義JavaScript函數，比如下面一句調用了HTML網頁里SayHello（）函數，并傳遞了一句話作為參數。
Application.ExternalCall（ "SayHello"， "The game says hello！" ）；
2.2 HTML網頁調用Unity3D瀏覽器中的腳本函數
Unity3D 瀏覽器的插件或ActiveX控件都有一個SendMessage（）的函數，HTML網頁通過這個函數與Unity3D進行通信，通過該函數可以傳遞對象名、函數名以及簡單參數，然后SendMessage（）就會調用Unity3D中GameObject上綁定的函數。在調用SendMessage（）函數之前，必須先得到Unity Web Player的引用。這里可以使用JavaScript 對象Document的getElementById（）函數來獲得該引用。
3、減速器虛擬裝配的實現
3.1交互界面設計
交互式虛擬裝配的重點不僅在于產品虛擬裝配的過程，還在于它可以與用戶進行實時交互。系統界面分為兩部分：網頁中為利用HTML提供的控件加入按鈕、列表框、滾動條、文本區、標簽等；Unity3D瀏覽器中為利用Unity提供的GUI接口加入按鈕、窗口、標簽等控件分別實現了減速器裝配體的自動裝配、手動裝配、原理演示、零件查看、零部件實時編輯等功能，充分實現用戶參與下的人機實時交互。
3.2碰撞檢測及裝配順序規劃
虛擬裝配是一個實時交互系統，如用戶可以在虛擬場景中用鼠標選取裝配體的零件進行拆裝。Unity3D引擎本身提供了基本形體的碰撞器，通過PhysX物理引擎自動檢測碰撞。根據Unity3D碰撞器提供的OnCollisionEnter方法，獲得相關碰撞信息，然后由它繼續調用其他處理過程（相對位置檢測、碰撞檢測等），實現手動裝配過程。
虛擬裝配過程中零件拆裝順序的檢測也是一個關鍵問題，用戶選擇零件正確與否直接決定該零件是否進行拆裝。系統為每一個零件定義一個唯一識別拆裝順序的順序號，當用戶選擇某一零件后，調用相應的拆裝順序檢測模塊進行比較當前選擇零件的順序號與系統預定的順序號是否一致決定拆裝是否進行或者根據零件間的位置約束關系判斷某零件當前是否可以移動來決定拆裝是否進行。
3.3 裝配體零件的任意移動及實時編輯
在虛擬裝配中，用戶對場景中零件的選取及操作（位移、顏色等的實時修改）是交互性最充分的體現。當用戶在虛擬場景中用鼠標點擊或指向某一零件時，系統應該做出響應，如被指向或點擊的零件應實時改變顏色或彈出對話框提示用戶等。Unity3D的GUI接口提供了各種控件可以非常方便的編輯一些按鈕、窗口等用戶界面，通過重寫鼠標事件可以檢測用戶的各中輸入信息并作出正確的響應。通過變換組件可以完成產品的平移和任意角度旋轉操作以及裝配體零件某一方向比例變換。
4、結論
本文對基于Unity3D的虛擬裝配相關技術進行了研究，并實現了在用戶參與的人機界面下的虛擬裝配實例。對在虛擬裝配過程中零件的碰撞檢測、裝配順序規劃、零件選取及實時編輯等功能的實現提出了有效的方法，具有一定的參考價值。
【參考文獻】
[1]郭海新.Unity3D與HTML交互機理的研究[J].煤炭技術，2011（09）.
關鍵詞：計算機應用;裝配規劃;綜述;虛擬現實;軟計算;協同裝配
裝配是產品生命周期的重要環節，是實現產品功能的主要過程。寫作畢業論文裝配成本占產品制造成本40%～50%，裝配自動化一直是制造自動化中的瓶頸問題。裝配規劃是在給定產品與相關制造資源的完整描述前提下，得到產品詳細的裝配方案的過程，對指導產品可裝配性設計、提高產品裝配質量和降低裝配成本具有重要意義。產品的裝配規劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時間等內容[1]~[3]。
較早的傳統裝配規劃采用人工方式，工藝人員根據設計圖紙和技術文檔，通過分析產品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關系，必要時再和設計人員進行討論，進一步明確設計者的真正意圖，利用自己的經驗和知識規劃出產品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經濟性。
隨著計算機集成制造CIMS和并行工程CE技術的發展和應用，一方面對裝配相關的設計技術提出了計算機化的要求，以提高和產品開發過程中其他環節的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優化以降低成本和縮短規劃時間以加快產品開發進程。受“需求牽引”和“技術推動”兩方面的影響，80年代初，出現了對計算機輔助裝配規劃(ComputerAidedAssemblyPlanning，CAAP)技術的研究。到目前為止，CAAP經歷了幾個不同的發展階段，出現了4種代表性的方法，按照出現的時間順序及方法的特點，筆者將其歸結為經典裝配規劃方法、虛擬裝配規劃方法、裝配規劃軟計算方法和協同裝配規劃方法。
1經典裝配規劃方法
早期CAAP的研究側重于裝配序列的規劃，以產品CAD裝配模型為基礎，寫作碩士論文一般采用幾何推理的方法，通過產品裝配建模、裝配序列推理和表達以及裝配序列評價和選擇為產品面向裝配的設計和裝配工藝規劃提供指導和支持，其過程通常如圖1所示。
1.1產品裝配建模
產品裝配模型是裝配規劃的基礎，為裝配規劃提供裝配體和零部件的相關信息。常用的裝配信息表達模型可分為圖模型和矩陣模型。法國學者Bourjauct提出了聯系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關系定義為聯系即裝配關系，圖中的節點對應零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關系。關系模型[5]進一步區分了零件之間的接觸關系和聯接關系，圖中包含3種實體類型：零件、接觸和聯接，邊表達了實體間的關系。產品等級裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結構性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級子裝配體和零件的集合，以此表達產品的裝配組成。
矩陣比圖易于計算機表達和實現。Dini和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達產品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標軸方向裝配時相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數量，Huang[8]等把6個干涉矩陣合并為一個拆卸矩陣，集成的表達零部件間沿坐標軸方向的干涉情況。
1.2裝配序列推理和表達
基于聯系圖模型，Bourjauct采用人機交互“問答式”方法獲取裝配優先約束關系[4]，寫作醫學論文隨后DeFazio和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進一步較少了需要由用戶回答問題的數量，然后通過對裝配優約束關系進行推理得到聯絡建立優先關系的層次模型表達產品的裝配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的裝配規劃中通常采用的圖論算法。HomemdeMell和Sanderson[5]通過對產品聯接圖進行縮并，利用“割集”算法對聯接圖進行循環分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR圖表達方法，圖中的節點對應裝配過程中的子裝配體或零件，超弧表達將子裝配體或零件聯接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因為“割集”算法的計算復雜性為O(3N)(N為零件個數)，因此，對于復雜產品的裝配順序規劃存在指數爆炸問題，這是難以讓人接受的。
1.3裝配序列評價和選擇
裝配序列的選擇對裝配線設計、裝配成本、裝配設備選擇有很大影響，寫作職稱論文而評價是選擇的基礎。裝配序列的評價可分為定性和定量兩方面因素[11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩定性和安全性、裝配操作任務間的并行性、子裝配體的結合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個裝配時間(包括子裝配體的操作時間、運輸時間等)、整個裝配成本(包括勞動成本、夾緊和加工成本)、產品在裝配中再定位的次數、夾具的數目、操作者的數目、機器人手爪的數目、工作臺的數目等。
更多的經典裝配規劃方法研究文獻可以參見TexasA&M大學Wolter教授的“AssemblyPlanningBibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15年經典裝配規劃方法的相關研究。經典方法一般表達出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優的裝配序列，但隨著產品中零件數量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲、選優帶來極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識，難免產生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結果。
2虛擬裝配規劃方法
虛擬現實技術為裝配規劃的“人－機”協同工作提供了契機。虛擬裝配是指由操作者通過數據手套和三維立體顯示設備直接三維操作虛擬零部件來模擬裝配/拆卸過程，無需產品或支撐過程的物理實現，通過分析、先驗模型、可視化和數據表達等手段，利用計算機工具來安排或輔助與裝配有關的工程決策[15]。虛擬裝配過程中，人機可以充分發揮各自的優勢，即人通過直覺/裝配經驗和知識決定產品的裝配過程，但不能精確地判斷當前所有可能裝配的零件，也不太可能準確判定裝配某一零件后裝配體的穩定性等因素，而通過一定算法和規則實現的機器智能剛好彌補人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺等信息。圖2為虛擬裝配規劃的工作步驟。
國外虛擬裝配規劃的研究以沉浸式虛擬裝配環境VADE[16],[17](VirtualAssemblyDesignEnvironment)為代表，寫作英語論文通過建立一個裝配規劃和評價的虛擬環境來探索運用虛擬現實技術進行設計、制造的潛在技術可能性，為機械系統裝配體的規劃、評價和驗證提供支持。在虛擬環境中，利用提取并導入的CAD系統產生的裝配約束信息引導裝配過程；通過引入了質量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進行裝配建模，逼真地模擬真實裝配環境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過程中產生的掃體積和路徑信息并可進行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環境中的運用。
國內管強等[18]將虛擬現實技術與面向裝配設計的理論相結合，建立了一個虛擬環境下的面
向裝配設計系統（VirDFA）。萬華根等[19]建立了一個具有多通道界面的虛擬設計與虛擬裝配系統（VDVAS），通過直接三維操作和語音命令方便地對零件進行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過程與歷史的虛擬設計與裝配環境（VIRDAS）中，張樹有等[20]通過識別裝配關系進行裝配運動的導航，實現虛擬拆卸/裝配順序規劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點出發，姚珺等[21]提出面向產品設計全過程的虛擬裝配體系結構，從方案設計、結構設計和裝配工藝設計3個層次上分階段地對產品可裝配性進行分析與評價。田豐等[22]提出一個面向虛擬裝配的三維交互平臺（VAT），簡化了虛擬裝配應用系統的構造，便于應用的快速生成。
應用虛擬現實環境開展裝配規劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環境的構建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現實技術本身（如圖形的高速刷新）及其相關硬件技術（如力觸覺設備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。
3裝配規劃軟計算方法
1994年，Zadeh教授將模糊邏輯與智能技術結合起來，提出了軟計算方法（softcomputing）[23]。軟計算以模糊邏輯、神經網絡和概率推理為基礎，不追求問題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問題的近似解。為避免組合爆炸同時又能得到較優的裝配規劃方案，近來，基于建模、表達和尋優一體化的裝配規劃軟計算方法得到廣泛關注。
3.1裝配規劃神經網絡方法
神經網絡是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經元廣泛互連而成的復雜網絡系統，寫作留學生論文單一神經元可以有許多輸入、輸出，神經元之間的相互作用通過連接的權值體現，神經元的輸出是其輸入的函數。若將優化計算問題的目標函數與網絡某種狀態函數(通常稱網絡能量函數)對應起來，網絡動態向能量函數極小值方向移動的過程就可視作優化問題的求解過程，穩態點則是優化問題的局部或全局最優解。
Hong和Cho[24]用于機器人裝配順序優化的Hopfiled神經網絡中，考慮裝配約束、子裝配體穩定性和裝配方向改變等因素建立網絡的能量方程，基于優先約束推理和專家系統提供的裝配成本驅動網絡的進化方程得到優化的序列。但由于神經網絡缺乏全局搜索能力，計算結果顯示，該方法容易產生不優化的裝配順序，且常常只能得到一個局部最優的裝配序列。另外，參數選擇和初始條件對網絡的靈敏度影響大；神經網絡在應用前須進行訓練，而訓練時要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對某種類型的產品，對其它類型的產品則不一定適用，該方法的應用范圍窄。
3.2裝配規劃模擬退火算法
模擬退火算法源于固體退火思想，將一個優化問題比擬成一個熱力學系統，將目標函數比擬為系統的能量，將優化求解過程比擬成系統逐步降溫以達到最低能量狀態的退火過程，通過模擬固體的退火過程獲得優化問題的全局最優解。
Saeid等[25]利用模擬退火算法進行裝配序列規劃時，根據產品裝配模型獲得裝配優先關系，將裝配過程總裝配時間和重定向次數運用多屬性應用理論組合成單一目標函數，作為裝配序列優化的評價函數。Hong和Cho[26]將裝配約束和裝配過程的成本映射為裝配序列能量函數，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數擾動地逐步減小，經過多次迭代，直到能量函數不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應用到一個電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經網絡[24]的裝配規劃方法進行了比較，結果顯示基于模擬退火的裝配序列優化方法可以產生較好的裝配序列并且在運算時間上優于人工神經網絡方法。
模擬退火算法具有較強的局部搜索能力，并能使搜索過程避免陷入局部最優，但模擬退火算法對整個搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過程進入最有希望的搜索區域，從而使得算法的運算效率不高。
3.3裝配規劃遺傳算法
在眾多軟計算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。寫作工作總結遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機制的隨機搜索算法，它將問題的可能解組成種群，將每一個可能的解看作種群的個體，從一組隨機給定的初始種群開始，持續在整個種群空間內隨機搜索，按照一定的評估策略即適應度函數對每一個體進行評價，不斷通過復制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應度函數的約束下不斷進化，算法終止時得到最優/次最優的問題解。圖3為裝配規劃遺傳算法的一般流程。
裝配規劃遺傳算法的研究重點集中于設計裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過程信息、設計基因操作的形式和改進遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3段編碼，第1段表示參與裝配的零件編號，第2段表示零件的可行裝配方向，第3段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進行裝配，減少了參加裝配序列規劃的零件數目；Guan等[28]采用基因團編碼方式，一個基因團表達一個零件的裝配操作，由被裝配零件號裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴大采樣空間選擇下一代種群的基礎上，通過交叉和多層次變異實現裝配序列并行優化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規劃遺傳算法中設計了復制、交叉、變異、剪貼和斷連5種遺傳算子尋找裝配序列優化解。在Smith等[30]的增強型遺傳算法中，選擇下一代個體并不完全依靠適應度，而是先把一定數量較優的個體復制到下一代，將適應度低但幾何可行的序列用于繼續產生序列，直到滿足下一代種群中序列個數的需求，從而使算法能跳出局部最優點，在全局范圍內搜索最優解。
理論上，找到全局最優裝配序列要求參加演化計算的種群規模要足夠大，迭代次數要無限
多，但在計算資源和時間限制下是達不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規劃問題的效率和結果依賴于初始種群規模及其質量、遺傳算子及其操作概率等因素。
4協同裝配規劃方法
裝配體作為實現產品功能的載體，零部件可能由不同的企業設計，零部件和產品可能在不同的裝配工廠完成裝配過程，因此需要設計團隊的協同工作和決策以保證裝配質量和降低裝配成本。計算機和網絡技術的快速發展縮短了異地人員在時間和空間上的距離，為實時的“人－機－人”協同裝配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison大學[31]提出網絡環境下的電子化裝配（e-Assembly），探討在Internet/Intranet上利用3D模型進行協同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實現的關鍵技術包括3D交互可視化、協同裝配/拆卸/維護/回收等。目前已開發了Motive3D系統，利用Synthesizer模塊可以交互/自動進行產品的裝配建模和規劃，Visualizer模塊為用戶在Web平臺上提供裝配序列規劃結果的可視化仿真，但缺少交互修改、調整功能。在ATS項目[32]實施中，為了向異地的開發人員展示裝配設計和裝配規劃結果，嘗試利用VRML作為可視化工具，一方面供設計團隊瀏覽零部件設計，另外將裝配模型用文本編輯軟件進行編輯，生成裝配序列的VRML仿真文件，供異地的設計團隊實時進行評價和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費的時間長達一周，而且每次設計修改后都必須重新編輯；同時，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進行交互修改。
Web環境下的協同裝配規劃方法[33]采用協同工作環境下的裝配建模、裝配規劃任務分配和裝配序列合成等技術，通過對復雜產品裝配規劃問題的分解，即降低了單機規劃工作模式的復雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識和經驗進行裝配規劃方案的協同決策。面向協同廣義裝配[34]通過確定裝配子任務編碼方法、裝配人員評價指數和制定協同裝配協議，以VRML為產品模型載體實現協同裝配系統。在裝配知識和規則的支撐下，支持局域網內多用戶實施產品預裝配、驗證零部件可裝配性，相關的裝配人員能夠協同討論裝配方案。Web環境下3D交互裝配可視化仿真結構是一個符合開放技術標準的可視化裝配系統[35]，它基于VRML-Java實現裝配場景的動態生成、裝配控制、碰撞檢測以及裝配過程的動畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗證方式。但該系統屬于單用戶系統，不能支持多用戶的實時協同裝配工作。
5結論與展望
CAAP的研究在理論上取得了一定的成果，在工業界也得到了一定的應用，但相對而言還很少，這說明該技術距離工業實用還存在較大差距。裝配規劃是一個經驗和知識密集型的工作，同時又與具體行業和產品有緊密的關系。經典裝配規劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優勢，而軟計算技術能夠將人的模糊知識融入規劃過程中，使得結果具有更好的工藝可行性，兩者的適當結合將有利于模仿人類裝配專家的實際裝配規劃過程，從而得到合理的裝配方案。
跨地域、跨國家的網絡化、協同化產品設計和制造新模式的形成使產品裝配成為一個需要協同工作和決策的問題。隨著虛擬現實技術和網絡技術的進一步發展，建立基于網絡的協同裝配決策平臺和虛擬環境，支持異地多人員協同裝配方案決策將是新形勢下裝配規劃研究的新趨勢。
參考文獻
[1]蘇強,林志航.計算機輔助裝配順序規劃研究綜述[J].機械科學與技術,1999,18(6):1006~1012.
[2]石淼,唐朔飛,李明樹.裝配序列規劃研究綜述[J].計算機研究與發展,1994,31(6):30~34.
[3]牛新文,丁漢,熊有倫.計算機輔助裝配順序規劃研究綜述[J].中國機械工程,2001,12(12):1440~1443.
關鍵詞：計算機應用; 裝配規劃; 綜述; 虛擬現實; 軟計算; 協同裝配
裝配是產品生命周期的重要環節，是實現產品功能的主要過程。畢業論文 裝配成本占產品制造成本40%～50%，裝配自動化一直是制造自動化中的瓶頸問題。裝配規劃是在給定產品與相關制造資源的完整描述前提下，得到產品詳細的裝配方案的過程，對指導產品可裝配性設計、提高產品裝配質量和降低裝配成本具有重要意義。產品的裝配規劃通常需要得到零部件的裝配序列、裝配路徑、使用的工裝夾具和裝配時間等內容[1]~[3]。
較早的傳統裝配規劃采用人工方式，工藝人員根據設計圖紙和技術文檔，通過分析產品裝配圖中零件的幾何形狀和位置關系，必要時再和設計人員進行討論，進一步明確設計者的真正意圖，利用自己的經驗和知識規劃出產品的裝配方案。這種方法工作量大、效率低，且難于保證裝配方案的經濟性。
隨著計算機集成制造CIMS 和并行工程CE技術的發展和應用，一方面對裝配相關的設計技術提出了計算機化的要求，以提高和產品開發過程中其他環節的集成化程度。另一方面要求裝配方案的優化以降低成本和縮短規劃時間以加快產品開發進程。受“需求牽引”和“技術推動”兩方面的影響，80 年代初，出現了對計算機輔助裝配規劃(Computer Aided Assembly Planning，CAAP)技術的研究。到目前為止，CAAP 經歷了幾個不同的發展階段，出現了4 種代表性的方法，按照出現的時間順序及方法的特點，筆者將其歸結為經典裝配規劃方法、虛擬裝配規劃方法、裝配規劃軟計算方法和協同裝配規劃方法。
1 經典裝配規劃方法
早期CAAP 的研究側重于裝配序列的規劃，以產品CAD 裝配模型為基礎，碩士論文 一般采用幾何推理的方法，通過產品裝配建模、裝配序列推理和表達以及裝配序列評價和選擇為產品面向裝配的設計和裝配工藝規劃提供指導和支持，其過程通常如圖1 所示。
1.1產品裝配建模
產品裝配模型是裝配規劃的基礎，為裝配規劃提供裝配體和零部件的相關信息。常用的裝配信息表達模型可分為圖模型和矩陣模型。法國學者Bourjauct 提出了聯系圖模型[4]，將零件之間的物理接觸關系定義為聯系即裝配關系，圖中的節點對應零件，邊表示所連接的零件間至少有一種裝配關系。關系模型[5]進一步區分了零件之間的接觸關系和聯接關系，圖中包含3 種實體類型：零件、接觸和聯接，邊表達了實體間的關系。產品等級裝配模型[6]將裝配體看成具有層次結構性，即裝配體可以分解為子裝配體，子裝配體又可分解為下級子裝配體和零件的集合，以此表達產品的裝配組成。
矩陣比圖易于計算機表達和實現。Dini 和Santochi[7]利用干涉矩陣、接觸矩陣和連接矩陣表達產品，干涉矩陣描述了零部件間沿坐標軸方向裝配時相互間的干涉情況，接觸矩陣描述了零部件間的物理接觸狀態，連接矩陣描述了零部件間的連接類型。為減少矩陣的數量，Huang[8]等把6個干涉矩陣合并為一個拆卸矩陣，集成的表達零部件間沿坐標軸方向的干涉情況。
1.2裝配序列推理和表達
基于聯系圖模型，Bourjauct 采用人機交互“問答式”方法獲取裝配優先約束關系[4]，醫學論文 隨后De Fazio 和Whitney[9]，Baldwin[10]等人的工作進一步較少了需要由用戶回答問題的數量，然后通過對裝配優約束關系進行推理得到聯絡建立優先關系的層次模型表達產品的裝配序列。
“割集”法是基于拆卸策略的裝配規劃中通常采用的圖論算法。Homem de Mell 和Sanderson[5]通過對產品聯接圖進行縮并，利用“割集”算法對聯接圖進行循環分解，生成所有可能的子裝配體，直到不可再分。并提出了裝配序列的AND/OR 圖表達方法，圖中的節點對應裝配過程中的子裝配體或零件，超弧表達將子裝配體或零件聯接在一起形成更大子裝配體的裝配操作。因為“割集”算法的計算復雜性為O(3N) (N為零件個數)，因此，對于復雜產品的裝配順序規劃存在指數爆炸問題，這是難以讓人接受的。
1.3裝配序列評價和選擇
裝配序列的選擇對裝配線設計、裝配成本、裝配設備選擇有很大影響，職稱論文 而評價是選擇的基礎。裝配序列的評價可分為定性和定量兩方面因素[11]~[13]，定性因素主要考慮的有裝配方向換向的頻度、子裝配體的穩定性和安全性、裝配操作任務間的并行性、子裝配體的結合性和模塊性、緊固件的裝配、零件的聚合等。定量因素主要考慮的有整個裝配時間 (包括子裝配體的操作時間、運輸時間等 )、整個裝配成本 (包括勞動成本、夾緊和加工成本 )、產品在裝配中再定位的次數、夾具的數目、操作者的數目、機器人手爪的數目、工作臺的數目等。
更多的經典裝配規劃方法研究文獻可以參見Texas A&M 大學Wolter 教授的“Assembly Planning Bibliography”[14]，其中收集了自1980年起近15 年經典裝配規劃方法的相關研究。經典方法一般表達出全部的序列解空間，這使它可能從中找出最優的裝配序列，但隨著產品中零件數量的增加，解空間的組合爆炸給序列的存儲、選優帶來極大困難；且序列的幾何推理方法不易融入人類的裝配知識，難免產生眾多幾何可行但工藝不可行的序列結果。
2虛擬裝配規劃方法
虛擬現實技術為裝配規劃的“人－機”協同工作提供了契機。虛擬裝配是指由操作者通過數據手套和三維立體顯示設備直接三維操作虛擬零部件來模擬裝配/拆卸過程，無需產品或支撐過程的物理實現，通過分析、先驗模型、可視化和數據表達等手段，利用計算機工具來安排或輔助與裝配有關的工程決策[15]。虛擬裝配過程中，人機可以充分發揮各自的優勢，即人通過直覺/裝配經驗和知識決定產品的裝配過程，但不能精確地判斷當前所有可能裝配的零件，也不太可能準確判定裝配某一零件后裝配體的穩定性等因素，而通過一定算法和規則實現的機器智能剛好彌補人的不足。虛擬裝配方法得到的不僅僅是零件的順序，還可以包括零件路徑、裝配工具、夾具和工作臺等信息。圖2 為虛擬裝配規劃的工作步驟。
國外虛擬裝配規劃的研究以沉浸式虛擬裝配環境VADE[16]， [17](Virtual Assembly DesignEnvironment)為代表，英語論文 通過建立一個裝配規劃和評價的虛擬環境來探索運用虛擬現實技術進行設計、制造的潛在技術可能性，為機械系統裝配體的規劃、評價和驗證提供支持。在虛擬環境中，利用提取并導入的CAD 系統產生的裝配約束信息引導裝配過程；通過引入了質量、慣性和加速度等物理屬性，基于物理特性進行裝配建模，逼真地模擬真實裝配環境；支持雙手的靈活裝配和操作；記錄虛擬裝配過程中產生的掃體積和路徑信息并可進行編輯；建立了工具/零件/人相互作用模型，支持裝配工具在虛擬裝配環境中的運用。
國內管強等[18]將虛擬現實技術與面向裝配設計的理論相結合，建立了一個虛擬環境下的面
向裝配設計系統（VirDFA）。萬華根等[19]建立了一個具有多通道界面的虛擬設計與虛擬裝配系統（VDVAS），通過直接三維操作和語音命令方便地對零件進行交互拆裝以建立零件的裝配順序和裝配路徑等裝配信息。在面向過程與歷史的虛擬設計與裝配環境（VIRDAS）中，張樹有等[20]通過識別裝配關系進行裝配運動的導航，實現虛擬拆卸/裝配順序規劃、虛擬裝配分析。從集成的觀點出發，姚珺等[21]提出面向產品設計全過程的虛擬裝配體系結構，從方案設計、結構設計和裝配工藝設計3 個層次上分階段地對產品可裝配性進行分析與評價。田豐等[22]提出一個面向虛擬裝配的三維交互平臺（VAT），簡化了虛擬裝配應用系統的構造，便于應用的快速生成。
應用虛擬現實環境開展裝配規劃，提供了一種新的思路和工具。但是，虛擬環境的構建需要較大資金的軟硬件投入，另外，虛擬現實技術本身（如圖形的高速刷新）及其相關硬件技術（如力觸覺設備）的不成熟使得虛擬裝配的研究仍處于探索階段。
3 裝配規劃軟計算方法
1994 年，Zadeh 教授將模糊邏輯與智能技術結合起來，提出了軟計算方法（soft computing）[23]。軟計算以模糊邏輯、神經網絡和概率推理為基礎，不追求問題的精確解，以近似性和不確定性為主要特征，所得到的是精確或不精確問題的近似解。為避免組合爆炸同時又能得到較優的裝配規劃方案，近來，基于建模、表達和尋優一體化的裝配規劃軟計算方法得到廣泛關注。
3.1 裝配規劃神經網絡方法
神經網絡是模擬人類形象思維的一種人工智能方法，它是由大量神經元廣泛互連而成的復雜網絡系統，留學生論文 單一神經元可以有許多輸入、輸出，神經元之間的相互作用通過連接的權值體現，神經元的輸出是其輸入的函數。若將優化計算問題的目標函數與網絡某種狀態函數(通常稱網絡能量函數)對應起來，網絡動態向能量函數極小值方向移動的過程就可視作優化問題的求解過程，穩態點則是優化問題的局部或全局最優解。
轉貼于 Hong 和Cho[24]用于機器人裝配順序優化的Hopfiled 神經網絡中，考慮裝配約束、子裝配體穩定性和裝配方向改變等因素建立網絡的能量方程，基于優先約束推理和專家系統提供的裝配成本驅動網絡的進化方程得到優化的序列。但由于神經網絡缺乏全局搜索能力，計算結果顯示，該方法容易產生不優化的裝配順序，且常常只能得到一個局部最優的裝配序列。另外，參數選擇和初始條件對網絡的靈敏度影響大；神經網絡在應用前須進行訓練，而訓練時要由專家提供較多可行的順序作為樣本。而樣本可能是針對某種類型的產品，對其它類型的產品則不一定適用，該方法的應用范圍窄。
3.2 裝配規劃模擬退火算法
模擬退火算法源于固體退火思想，將一個優化問題比擬成一個熱力學系統，將目標函數比擬為系統的能量，將優化求解過程比擬成系統逐步降溫以達到最低能量狀態的退火過程，通過模擬固體的退火過程獲得優化問題的全局最優解。
Saeid 等[25]利用模擬退火算法進行裝配序列規劃時，根據產品裝配模型獲得裝配優先關系，將裝配過程總裝配時間和重定向次數運用多屬性應用理論組合成單一目標函數，作為裝配序列優化的評價函數。Hong 和Cho[26]將裝配約束和裝配過程的成本映射為裝配序列能量函數，利用模擬退火算法使裝配序列能量函數擾動地逐步減小，經過多次迭代，直到能量函數不再變化為止，最后得到具有最小裝配成本的裝配序列。作者將該方法應用到一個電子繼電器裝配體上，并將其性能與利用神經網絡[24]的裝配規劃方法進行了比較，結果顯示基于模擬退火的裝配序列優化方法可以產生較好的裝配序列并且在運算時間上優于人工神經網絡方法。
模擬退火算法具有較強的局部搜索能力，并能使搜索過程避免陷入局部最優，但模擬退火算法對整個搜索空間的狀況了解不多，不能使搜索過程進入最有希望的搜索區域，從而使得算法的運算效率不高。
3.3 裝配規劃遺傳算法
在眾多軟計算方法中，遺傳算法得到了眾多研究者的重視。工作總結 遺傳算法是模仿生物自然選擇和遺傳機制的隨機搜索算法，它將問題的可能解組成種群，將每一個可能的解看作種群的個體，從一組隨機給定的初始種群開始，持續在整個種群空間內隨機搜索，按照一定的評估策略即適應度函數對每一個體進行評價，不斷通過復制、交叉、變異等遺傳算子的作用，使種群在適應度函數的約束下不斷進化，算法終止時得到最優/次最優的問題解。圖3 為裝配規劃遺傳算法的一般流程。
裝配規劃遺傳算法的研究重點集中于設計裝配序列的基因編碼方式以包含更多的裝配過程信息、設計基因操作的形式和改進遺傳算法的局部搜索能力上。Lazzerini 等[27]的分段編碼遺傳算法中，將染色體分為3 段編碼，第1 段表示參與裝配的零件編號，第2 段表示零件的可行裝配方向，第3 段表示裝配工具，從而使染色體包含了部分工藝信息。為了提高算法的性能，文中將裝配體分解為子裝配體進行裝配，減少了參加裝配序列規劃的零件數目；Guan 等[28]采用基因團編碼方式，一個基因團表達一個零件的裝配操作，由被裝配零件號裝配元、裝配工具裝配元、裝配方向裝配元和裝配類型裝配元組成。在擴大采樣空間選擇下一代種群的基礎上，通過交叉和多層次變異實現裝配序列并行優化。廖小云和陳湘鳳[29]在裝配序列規劃遺傳算法中設計了復制、交叉、變異、剪貼和斷連5 種遺傳算子尋找裝配序列優化解。在Smith 等[30]的增強型遺傳算法中，選擇下一代個體并不完全依靠適應度，而是先把一定數量較優的個體復制到下一代，將適應度低但幾何可行的序列用于繼續產生序列，直到滿足下一代種群中序列個數的需求，從而使算法能跳出局部最優點，在全局范圍內搜索最優解。
理論上，找到全局最優裝配序列要求參加演化計算的種群規模要足夠大，迭代次數要無限
多，但在計算資源和時間限制下是達不到要求的。因此，遺傳算法求解裝配規劃問題的效率和結果依賴于初始種群規模及其質量、遺傳算子及其操作概率等因素。
4 協同裝配規劃方法
裝配體作為實現產品功能的載體，零部件可能由不同的企業設計，零部件和產品可能在不同的裝配工廠完成裝配過程，因此需要設計團隊的協同工作和決策以保證裝配質量和降低裝配成本。計算機和網絡技術的快速發展縮短了異地人員在時間和空間上的距離，為實時的“人－機－人”協同裝配工作提供了可能。
Wisconsin-Madison 大學[31]提出網絡環境下的電子化裝配（ e-Assembly ），探討在Internet/Intranet 上利用3D 模型進行協同虛擬裝配和拆卸的方法論和工具，擬實現的關鍵技術包括3D 交互可視化、協同裝配/拆卸/維護/回收等。目前已開發了Motive3D 系統，利用Synthesizer模塊可以交互/自動進行產品的裝配建模和規劃，Visualizer 模塊為用戶在Web 平臺上提供裝配序列規劃結果的可視化仿真，但缺少交互修改、調整功能。在ATS 項目[32]實施中，為了向異地的開發人員展示裝配設計和裝配規劃結果，嘗試利用VRML 作為可視化工具，一方面供設計團隊瀏覽零部件設計，另外將裝配模型用文本編輯軟件進行編輯，生成裝配序列的VRML 仿真文件，供異地的設計團隊實時進行評價和提出修改意見。但手工編輯文件不但花費的時間長達一周，而且每次設計修改后都必須重新編輯；同時，仿真文件僅具有瀏覽功能，不能進行交互修改。
Web 環境下的協同裝配規劃方法[33]采用協同工作環境下的裝配建模、裝配規劃任務分配和裝配序列合成等技術，通過對復雜產品裝配規劃問題的分解，即降低了單機規劃工作模式的復雜度，又便于集中不同地域多專家的裝配知識和經驗進行裝配規劃方案的協同決策。面向協同廣義裝配[34]通過確定裝配子任務編碼方法、裝配人員評價指數和制定協同裝配協議，以VRML 為產品模型載體實現協同裝配系統。在裝配知識和規則的支撐下，支持局域網內多用戶實施產品預裝配、驗證零部件可裝配性，相關的裝配人員能夠協同討論裝配方案。Web 環境下3D 交互裝配可視化仿真結構是一個符合開放技術標準的可視化裝配系統[35]，它基于VRML-Java 實現裝配場景的動態生成、裝配控制、碰撞檢測以及裝配過程的動畫回放等功能，目前完成了基于“堆疊”思路的裝配驗證方式。但該系統屬于單用戶系統，不能支持多用戶的實時協同裝配工作。
5 結論與展望
CAAP 的研究在理論上取得了一定的成果，在工業界也得到了一定的應用，但相對而言還很少，這說明該技術距離工業實用還存在較大差距。裝配規劃是一個經驗和知識密集型的工作，同時又與具體行業和產品有緊密的關系。經典裝配規劃方法的精確推理在保證序列的幾何可行性方面具有優勢，而軟計算技術能夠將人的模糊知識融入規劃過程中，使得結果具有更好的工藝可行性，兩者的適當結合將有利于模仿人類裝配專家的實際裝配規劃過程，從而得到合理的裝配方案。
跨地域、跨國家的網絡化、協同化產品設計和制造新模式的形成使產品裝配成為一個需要協同工作和決策的問題。隨著虛擬現實技術和網絡技術的進一步發展，建立基于網絡的協同裝配決策平臺和虛擬環境，支持異地多人員協同裝配方案決策將是新形勢下裝配規劃研究的新趨勢。 參考文獻
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【關鍵詞】虛擬裝配技術,汽車變速箱設計,應用技術
中圖分類號： S611 文獻標識碼： A 文章編號：
一、前言
隨著市場競爭的激化，產品開發已經成為了企業的競爭力和發展必要的手段。在產品開發時，我們要完善設計技術，降低產品的成本和生產周期。虛擬裝配技術就很好的滿足了這個要求。
二、虛擬裝配技術研究現狀
國外對虛擬裝配技術的研究起步較早，在理論上的研究涉及面廣，且已經有較為廣泛的應用。美國華盛頓州立大學的Jyaaram等開發研制了一個稱為“虛擬裝配設計環境”(VADE)的虛擬裝配設計系統。利用這個系統，設計人員可以在設計工作的初期便可考慮有關裝配和拆卸的問題，從而避免了裝配設計方面的缺陷。在這個系統中，設計人員首先將在CAD系統建立的零件模型導入虛擬裝配系統，然后在虛擬裝配系統中直接操作虛擬零件進行裝配，有關產品的可裝配性得到檢驗，同時也獲得了許多有關產品的設計和制造工藝信息。Dewar等提出了虛擬環境中輔助進行手工裝配的方法，該方法能夠自動記錄操作人員在虛擬環境中對虛擬部件的裝配動作，還能輔助操作人員自動進行裝配，并且詢問操作人員裝配時的裝配方法，同時生成裝配規劃。
三、相關技術分析
虛擬裝配系統的關鍵技術主要有：面向裝配的產品建模，裝配序列規劃策略，虛擬裝配仿真技術，可裝配性評價技術。
1.面向裝配的產品建模技術
產品裝配建模是虛擬裝配設計的重要環節，其實質在于如何在計算機內有效地表達裝配體內在和外在的關系。模型的優劣直接影響到設計系統后續工作的效率，故而建立一個集成度高、信息完善的裝配模型具有重要的意義。
2.裝配序列規劃策略
在機械產品裝配中，一組零件或子裝配體的裝配順序起著關鍵的作用。裝配同一產品可以用不同的裝配順序，這些不同的裝配順序形成了不同的裝配序列。按照某些裝配序列，可以較順利地組織裝配，最終達到設計要求；而有些裝配序列的采用，由于各種原因，卻不能達到指定的裝配目標。裝配序列規劃就是在給定產品設計的條件下，找出合理、可行的裝配序列，按照這樣的序列，可以達到指定的裝配目標。
3.虛擬裝配仿真技術
采用虛擬裝配技術是為了在設計階段就驗證零件之間的配合性和基于二叉樹結構的裝配模型可裝配性，保證設計的正確性。通過預覽數字化產品，對規劃的裝配過程(裝配順序和裝配路徑)進行檢驗，對產品可裝配性做出評測，從裝配角度獲得反饋信息，及時調整設計，進而達到提高設計質量的目的。因此，裝配仿真可以視為面向裝配設計的重要手段，以彌補傳統裝配設計分析方法的不足。
四、虛擬裝配工作內容
1.虛擬裝配前期準備
虛擬裝配工作涉及內容較多, 范圍較廣, 因此前期準備工作十分重要。首先要制定虛擬裝配的總體時間計劃, 時間計劃中要包含制造工程師對工序進行調整和的時間、虛擬裝配工程師在數據管理系統中建立工序結構樹的時間、工程支持部門數據健康性檢查報告以及數據凍結及下載的時間、進行虛擬裝配及生成報告的時間。
虛擬裝配對數據具有較高的要求: 數據要在正確的結構樹中; 要生成正確完整的輕量化文件; 數據版本要進行; 車輛要正確配置; 整車位置正確; 數據層次正確, 父級子級無重復零件, 左右件無重復特征。然后進行數據模型的準備工作, 對于新的項目要確定項目的車型組成, 按不同車型進行分類整理并保存數模, 而對于改型車型, 就要重點確定項目的更改內容, 然后保存更改之后的車型數模, 這樣就為虛擬裝配做好了數模的準備。還要確定項目的組織結構, 確認相關設計人員和專業虛擬裝配人員所應承擔的職責和權限, 為后續工作打下基礎。最后, 在進行整車的虛擬裝配工作之前要明確數據管理的重點, 要以檢查前最新版本的零件清單為依據, 明確當前缺少數據模型的零件, 并保證所有零件都有相應的工位信息,然后明確記錄數據版本, 利用實時數字樣機仿真與分析系統Vismockup的快照功能對數模信息進行完整記錄。
五、虛擬裝配技術在汽車變速箱設計中的應用
1.研究目標
為了適應現代化制造及并行設計的思想，我們嘗試把虛擬制造裝配應用到汽車變速箱的設計中，通過研究，希望達到以下目標：
（一）汽車變速箱實現面向裝配的設計，為下一步的開發研制提供實施方法及理論支持，實現縮短產品開發周期，降低產品成本，提高質量。
（二）變速箱零件全部實現三維實體模型。
（三）建立統一的數據管理，實現產品的設計數據共享。
（四）實現自上而下的設計。
2.虛擬裝配技術在變速箱設計中的應用
汽車變速箱作為汽車的重要傳動部件之一，其設計的優劣直接影響到整個汽車的性能。具體到變速箱的設計過程中，虛擬裝配技術的應用思想、方法、具體的實現途徑如下：
（一）在總體設計階段，根據變速箱的設計要求以及總體設計參數建立變速箱的主模型空間。首先根據汽車整個設計的需要，確定變速箱箱體尺寸和大致外形；根據變速要求，我們的設計采用的是三軸式變速器，包括主軸、移動軸和中間軸；檔位為六檔，五個前進檔，一個倒檔。
（二）在裝配設計階段，完成變速箱結構、系統零件形狀的基本設計，是變速箱設計的重要階段。首先我們要完成的是如何實現變速器的功能要求，也就是如何實現其變速，接下來要進行的是確定裝配基準、裝配層次、裝配約束。以變速器的后箱體的內表面為裝配基準，分為以下幾個裝配區域：前蓋子裝配體，后蓋子裝配體，操縱蓋子裝配體。每一個子裝配體又由下一級的子裝配體和零件組成，主要是按照零部件間的設計邏輯依附關系來確定模型的父子關系，這樣一步一步設計出變速器所有零部件模型的設計。
（三）詳細設計階段中，在保證所有零件的干涉自由和運動協調時，完善變速箱所有零件的設計工作。
六、虛擬裝配技術存在的不足及發展趨勢
1.擬實化程度將越來越高
從其自身來講，虛擬裝配有著不可逾越的優越性，然而，它在工業領域應用的成功程度卻要取決于它對真實世界模擬的逼真程度。擬實化涉及虛擬裝配最根本的兩個方面，也就是虛擬產品模型和虛擬裝配仿真過程。目前數字化模型的虛擬裝配過程尚不能完全取代物理模型的裝配過程，這就限制了其應用范圍。隨著工業界應用要求的提高以及基于物理屬性建模技術、虛擬現實技術和多模式人機交互技術的發展，虛擬裝配擬實化程度必將越來越高，在可預見的將來完全有可能取代物理實物的試裝配過程，從而大大縮短產品開發周期并節約開發成本。
2.實現標準化
縱觀工業領域各種技術的發展與應用，大都有一個從非標準化到標準化的發展過程，這一過程同樣適用于虛擬裝配技術。當前虛擬裝配涉及的技術和表達方式都沒有統一的標準，這是其發展狀況所決定的一個必經階段。隨著在工業領域應用的逐步展開，如果沒有統一的標準，必將影響虛擬裝配技術的應用范圍，從而阻礙其發展，因此，實現標準化是虛擬裝配技術發展的必然趨勢。
七、結語
面對激烈的市場競爭，虛擬裝配在市場競爭中發揮了重要的作用。在虛擬裝配的應用中，我們要改變傳統的設計理念，進行合理的裝配。只有這樣，在以后的產品設計和開發中虛擬裝配技術才會有更好的發展空間。
參考文獻
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論文關鍵詞：虛擬現實,分層裝配,運動仿真,Quest3D
虛擬裝配作為虛擬制造技術[1-3]的重要組成部分，近年來得到了學術界和工業界的廣泛關注，并對敏捷制造、虛擬制造等先進制造模式的實施具有深遠影響。利用虛擬裝配，可以驗證裝配設計和操作的正確與否，以便及早的發現裝配中的問題。而通過虛擬運動仿真，可模擬產品運動狀態下運動設計精度的準確度。通過反饋信息可對模型進行修改，并通過可視化顯示裝配運動過程。運用該技術不但有利于并行工程的開展，而且還可以大大縮短產品開發周期，降低生產成本，提高產品在市場中的競爭力。虛擬裝配改善傳統以經驗為主、裝配滯后于加工設計的弊端。本文提出基于Quest3D的虛擬裝配及運動仿真的實現方法，依據零件的裝配分層關系實現序列拆裝，并給出虛擬裝配系統的設計方法和案例。
1 分層序列裝配模型
由于機械產品結構復雜，每個零部件之間都有嚴格的裝配關系[4-5]，無論是拆還是裝都需要按照設計的裝配結構來進行。本文采用層次化序列裝配模型，即將產品的整體結構按照其真實的裝配標準按層次劃分或分解為不同級別的能夠進行獨立裝配的裝配單元，形成并行裝配序列。通常產品的裝配單元可分為：零件、合件、組件、部件、機器五個等級的裝配體，裝配時，按照上述等級依次分解，上一級包含下一級子裝配體，下一級子裝配體又包含更下一級子裝配體直至最終不可分解的零件，其中每一級裝配體按照其裝配次序形成序列。層次化模型的優點在于更清晰表達產品中零部件之間的層次關系，并可以用子裝配體表達一組功能上或物理結構上相關的零件集，可減少裝配分析的復雜性，簡化問題的求解過程。圖1 為分層序列裝配示意。
幾點說明：
（1）在裝配模型設計中，每一層裝配體都會存在基準件，按照裝配工藝要求將基準件設為該層序列的第一個裝配體，以保證滿足裝配標準和裝配精度；
（2）裝配單元的劃分依據具體機械產品的裝配要求，如果在某層子裝配體中如（部件層）出現單一零件時，該類零件則視為部件級零件，可以直接在相應層中進行裝配順序排序。
2 基于Quest3D的虛擬裝配系統設計
2.1 系統總體架構
本文的虛擬裝配系統分為兩個區，即場景區和功能區。場景區包括攝像機控制、3D模型導入和顯示、環境設置。其中，攝像機控制是根據用戶需求實現對模型及場景的瀏覽漫游功能如移動、旋轉和縮放等；3D模型導入和顯示則是基于原始模型實現數據轉化和表示，每個零件都具有位置、材料及貼圖信息屬性；環境設置包括場景布置、燈光設置以及UI設計。功能區由五個功能模塊組成，分別為：整體拆裝模塊、序列拆裝模塊；手工模擬拆裝模塊及運動仿真模塊。如圖2所示。
2.2 模型導入轉化及場景設置
通過UG NX三維建模，生成原始數據模型，應用Deep Exploration軟件將prt文件模型進行文件格式轉換為dae文件，中學英語論文然后導入到Quest3D中。Quest3D可對導入所有數字內容的進行設置和編制。由于機械產品結構復雜，所包含零件繁多，Dae初始模型是分成若干個可裝配的零部件，需要通過程序定義其在場景中的世界坐標及彼此位置關系，用3D render場景模塊把它們組合在一起并顯示。
為了能更好控制每個零部件裝配運動狀態，在Quest3D中可添加Motion模塊作為每個可裝配零部件的運動屬性[6]，如圖3所示。為保證零件裝配運動速度可調節性，Quest3D 提供阻尼模塊參數Damping value，將其與運動方向建立聯系。在拆或裝時候，阻尼參數發揮作用，Damping 值增加時，阻尼增大，零件裝配運動減慢，反之亦然。
場景設置主要包括光照、攝影機設置、貼圖、材料、紋理等效果制作。光照采用平行光源和點光源從攝像機的投射方向給予模型物體較好的立體視覺效果，增強用戶的沉浸感和系統的交互性。攝影機是用于確定觀察者位置和投射方向以及與物體相對空間視窗的對應關系。系統采用物體注視攝像機（Object Inspection Camera）作為場景的交互窗口，通過調節攝像機的Position Vector，Camera Matrix和Camera Target模塊參數，設定攝像機的位置、縮放的范圍等，用戶即可利用三維鼠標就可以對三維場景中所有物體進行瀏覽操作。圖4為三維模型導入效果圖中，（a）為一個二級減速器，（b）為車床主軸箱。
2.3 裝配及運動設計
Quest3D中的三維模型中各個裝配體依據裝配單元建立層級鏈表，即確定拆裝過程的序列。每個裝配體都具有Motion模塊屬性，包括postion Vector（位置）、Rotation Vector（旋轉）和Size Vector（縮放），拆裝的原理是根據裝配序列依次對裝配體的各個矩陣中參數的進行改變設置，從而實現裝配體的平移運動和旋轉運動，以達到零部件裝配效果。
虛擬裝配過程分為整體拆裝、順序拆裝及模擬手動拆裝方式。整體拆裝是對整個模型一次性實現拆分和裝配過程，體現“爆炸”效果；順序拆裝是按照裝配單元依次進行拆裝；模擬手動拆裝則是通過建立工具箱模塊，用戶可從工具箱中選擇合適工具模擬真實拆裝過程。無論以何種方式進行裝配，拆裝模塊作為獨立模塊可進行重復調用，表1為拆裝模塊中相關設置參數表示。
系統的UI模塊是用戶實現裝配操作的交互窗口，不同類型的機械產品可根據其復雜程度和操作方便性、人性化原則進行設計。本系統可用三維鼠標實現場景模型的移動、旋轉和縮放，同時設置菜單、按鈕、復選框等控件進行裝配過程的選擇、設置和操作。圖5是減速器（a）和車床主軸箱（b）虛擬拆裝圖示，圖6為CA6140車床的18級變速虛擬傳動示意圖。
3 結論
本文提出了分層裝配思想應用Quest3D 引擎開發的虛擬裝配和運動仿真系統可用于不同類型的機械產品模型，通過建立虛擬場景、UI功能模型有效達到了用戶對于產品的交互操作，其虛擬裝配過程和運動仿真對于企業設計制造及高校實踐教學提供了較好的虛擬現實平臺。
【參考文獻】
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關鍵詞：虛擬裝配；虛擬裝配環境；虛擬裝配應用系統
中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2011)18-4420-03
Survey and Analysis of Virtual Assembly
YU Hai-xia, WANG Jia-qi
(Department of Computer Scienct, Anhui Vocational and Technical College of Industry and Trade, Huainan 232007, China)
Abstract: The research progress of Virtual Assembly (VA) in recent years was summarized and analyzed in this paper. According to different functions and objectives, VA can be classified as four aspects. Virtual assembly technology was summarized and analyzed from three aspects: virtual assembly environment, virtual assembly key technologies, and virtual assembly application systems. Aiming at the shortcomings of traditional virtual assembly environment, the two new virtual environment systems were studied. The key technologies of virtual assembly systems, their researches and applications were summarized, and some important technologies including assembly modeling in virtual environment, constraint-based positioning and assembly process planning were studied comprehensively. Four typical virtual assembly application systems arising in recent years were introduced. At last, technological shortcomings and application obstacles for VA are pointed out.
Key words: virtual assembly; virtual assembly environment; virtual assembly application system
1 概述
虛擬裝配是近些年來被廣泛研究的新興技術，是虛擬現實技術在制造業的典型應用，也是虛擬制造技術研究的重要方向之一。它從產品設計裝配的角度出發，綜合利用虛擬現實技術、計算機建模與仿真技術、計算機輔助設計技術等，建立一個具有聽覺、視覺、觸覺的多模式虛擬環境，設計者可在虛擬環境中交互式地進行產品設計、裝配操作和規劃、檢驗和評價產品的裝配性能，并制定合理的裝配方案。
虛擬裝配技術可以降低復雜產品的開發難度，縮短開發周期，降低成本，對實現產品的并行開發，提高裝配質量和效率具有重要的意義。虛擬裝配可以應用于航空航天、汽車、船舶、工程機械、教育等領域。
2 虛擬裝配的研究概況
1995年，美國華盛頓州立大學和美國國家標準與技術研究院聯合，最早開始了對虛擬裝配技術的研究，并開發了虛擬裝配設計環境VADE（Virtual Assembly Design Environment）。VADE在裝配領域的成功應用，引發了各個國家的高校和研究機構對虛擬裝配的研究。20世紀90年代末，國內也開始對虛擬裝配技術進行研究，已經取得許多研究成果。虛擬裝配技術的研究大致可分為三個階段：虛擬裝配理論的提出和完善階段，虛擬裝配原型系統的研發階段，虛擬裝配技術在工業上的應用研究階段。目前，國外已經開始了第三階段的研究應用，國內也開始由第二階段向第三階段過渡。
根據實現功能和目的不同，可以將虛擬裝配分為四種類型[1]。
1）以產品設計為中心的虛擬裝配。
2）以裝配工藝規劃為中心的虛擬裝配。
3）以制造系統規劃為中心的虛擬裝配。
4）以虛擬原型為中心的虛擬裝配。
3 虛擬裝配的研究內容
虛擬裝配的研究內容主要有：虛擬環境的研究、虛擬裝配關鍵技術研究和虛擬裝配應用系統的研究[2]。
3.1 虛擬環境的研究
虛擬環境是虛擬裝配的前提，良好的虛擬環境能使虛擬裝配與實際裝配過程更接近，為生產實踐提供更可靠的指導。傳統的虛擬環境可分為四種。
1）桌面式系統
桌面式系統使用普通計算機產生三維虛擬場景，用戶通過顯示器觀看虛擬場景，需要佩戴立體眼鏡才可以看到三維立體圖像。這種場景系統造價低、簡單方便，不足之處是沉浸感差。
2）頭盔式系統
頭盔式系統利用頭盔顯示器和數據手套等交互設備把用戶與外界環境分隔開來，從而使用戶真正成為系統的一個參與者，沉浸感比較強。但頭盔式顯示器存在約束感較強，分辨率偏低等問題，長時間易引起疲勞。
3）CAVE系統
CAVE系統的主體是一個房間，房間的周圍均由大屏幕組成，高分辨率的投影儀將圖像投影到這些屏幕上，用戶通過立體眼鏡便能看到立體圖像。CAVE系統實現了大視角、全景、立體且支持多人共享的一個虛擬環境，但其造價太高，參與者被限制在一個有限的小空間內，不能大距離行走。
4）大屏幕投影系統
將多臺投影儀拼接起來形成一個邏輯上統一的大屏幕，實現大面積、高分辨率的顯示，優點是可以產生大視角、高亮度和高分辨率的立體圖像，可使多人沉浸場景之中，具有很強的沉浸感。缺點是成本高，技術難度大，許多關鍵問題需要解決。
以上各種虛擬環境都存在一個共同的問題是，操作者被限制在一個有限的空間內，行動上受到很大的限制，而現實中，尤其是大型產品的裝配中，操作產品并不能移動，往往要求操作人員要有足夠的活動空間。為了解決這個問題，很多研究機構提出一些新型的虛擬裝配環境，如英國Warwick大學研制的Cybersphere系統[3]。Cybersphere系統采用半透明的球體作為顯示裝置，放置在可以自由旋轉的支架上，操作者處于球體內部，可以自由行走。計算機根據操作者的肢體動作產生不斷變化的圖像，并通過投影系統顯示在球體表面，操作者通過立體眼鏡看到立體圖像。這種方式實現了操作者在虛擬環境中的自由行走。
哈爾濱工業大學也設計了一種可實現操作者自由行走的新型虛擬裝配環境系統[3]，如圖1所示，該系統也采用球形幕作為顯示裝置，操作者在一個專門設計的全方位反行走機構上做直線行走或者轉向。操作者頭部、手部與雙腳分別裝有3-D位置跟蹤器，計算機系統根據接收到的3-D位置跟蹤器信號，控制全方位反行走機構的運動，并生成不斷變化的三維圖像，通過投影系統顯示到球形幕上。操作者通過佩戴立體眼鏡、數據手套與虛擬環境交互從而生成沉浸感較強的虛擬環境，為大型復雜產品的裝配設計、規劃和訓練提供高逼真度的仿真平臺。
3.2 虛擬裝配關鍵技術的研究
虛擬裝配涉及到的關鍵技術很多，各種技術的研究情況及應用情況如表1所示。本文只對其中幾個重要的關鍵技術進行論述。
1）裝配建模技術
目前，虛擬裝配中零部件模型的建立和虛擬裝配應用系統的開發主要還是基于CAD系統實現。這種虛擬裝配系統易于實現，零件和裝配體的建模、裝配仿真可在一個系統下進行，操作簡單，但真實感和可靠性受到限制，主要用于產品的設計階段。
基于虛擬現實軟件開發的虛擬裝配系統，需要將CAD零部件模型及其相關信息轉換后導入到虛擬環境，實現交互操作。目前已經取得一定的研究成果，美國的VADE從Pro/Engineer系統中提取產品結構樹信息、裝配約束信息以及零部件幾何信息，實現CAD系統和虛擬裝配系統的自動轉換；新加坡南洋理工大學開發了基于CAD緊密連接的虛擬裝配環境；哈爾濱工業大學通過模型轉換實現了從SolidWorks、Pro/Engineer系統到虛擬裝配系統的輸入。
2）約束定位技術
由于虛擬環境缺乏現實環境中存在的各種物理約束和感知能力，虛擬裝配過程中零件之間主要依靠幾何約束進行精確定位。華盛頓州立大學的S.Jayaram等[4]首先提出約束定位的思想，通過零部件受約束運動以及約束求解，來實現虛擬裝配過程中待裝配零件的精確定位。英國Heriot-Watt大學Richard等[5]提出近似捕捉(proximity snapping)和碰撞捕捉(collision snapping)的方法來解決虛擬環境中零部件的精確定位。英國Salford大學虛擬環境中心的Fernando等[6]研究了基于幾何約束的零件精確定位和三維操作，開發了幾何約束管理器，用來支持虛擬環境下裝配和維修任務。浙江大學劉振宇、譚建榮等[7]在語義識別的基礎上，提出了基于語義引導的幾何約束識別方法，通過語義和約束識別來捕捉虛擬裝配過程中用戶的操作意圖，從而提高了約束識別速度和準確性。
3）工藝規劃技術
設計人員根據經驗知識在虛擬環境中人機交互式對產品的三維模型進行試裝，規劃零部件裝配順序，記錄并分析裝配路徑，選擇工裝夾具并確定裝配操作方法，最終得到經濟、合理、實用的裝配方案。加拿大Yuan等[8]提出了虛擬環境中交互式裝配序列規劃的方法。浙江大學的萬華根等人[9]在基于虛擬現實的CAD系統中提出用戶引導的拆卸方法，基于“可拆即可裝”的原理，將拆卸順序和拆卸路徑進行反演，即可得到產品的裝配順序和裝配路徑。
3.3 虛擬裝配應用系統的研究
從1995年美國州立大學研制出第一個虛擬裝配系統VADE起，世界各國陸續研制出了多種典型的虛擬裝配應用系統，分別應用于不同的工業領域。本文只對幾個典型的系統進行介紹。
1）CHDP(Cable Harness Design and Planning)系統
CHDP系統是英國Heriot-Watt大學在2002年開發出來的。它是在早期開發的虛擬裝配規劃系統UVAVU[10] (Unbelievable Vehicle for Assembly Virtual Units)的基礎上提出的，主要針對現代產品設計過程中存在的管路和線纜裝配的難題。該系統充分利用了虛擬現實人機交互的特點，設計者在虛擬環境中可以充分發揮已有的裝配經驗和知識，根據周圍環境進行快速、直觀地布線。
2）V-REALISM系統
V-REALISM[11]系統是新加坡南洋理工大學2003年開發的基于CAD的桌面式虛擬環境系統，可用于虛擬裝配、拆卸與維修。該系統充分體現了可視化、交互性和自由導航三個特點；系統包括三個基本功能：提供優化的裝配/拆卸序列；提供三維虛擬環境進行操作和導航；將智能裝配/拆卸序列規劃算法和虛擬現實技術集成到一起。
3）基于虛擬原型的裝配驗證環境VPAVE
2003年，美國紐約州立大學開發了基于虛擬原型的裝配驗證環境VPAVE[12] (Virtual Prototype Assembly Validation Environment)。實際生產過程中，零部件在加工過程會引起變形或受機床刀具與夾具的磨損，引起零件最后的尺寸和形狀誤差。而在傳統的面向裝配設計系統中，很少考慮到零件的尺寸誤差，導致最后加工出來的零件裝配不上或裝配性能不能滿足要求。VPAVE系統就是基于上述不足而提出的。VPAVE系統中采用虛擬原型，通過提取實際加工過程影響參數，建立對裝配零件形狀精度和尺寸精度的影響模型，利用有限元軟件分析零件的受力、變形及殘余應力情況，在虛擬環境下進行可裝配性分析和評價。
4）PAA系統。
2005年，意大利Bologna大學利用增強現實技術開發了基于CAD的裝配規劃與驗證系統PAA(Personal Active Assistant)[13]。PAA實現了CAD裝配系統和增強現實系統之間集成，從而提高工程設計模型和真實物理模型之間的集成。PAA系統利用CAD工具來有效提高對象識別能力，生成優化裝配序列和產生裝配操作指令；另一方面，基于增強現實的裝配評價工具允許裝配設計人員和裝配操作人員之間的直接交互，指導操作人員的裝配。
4 存在問題
虛擬裝配在設計與制造領域的應用，具有重要的理論意義和實用價值。國內外研究也取得了很大的進展。但總體上看，虛擬裝配技術目前仍存在許多欠缺，一些關鍵技術還需要亟待解決。
1）缺乏規范化的共享開發平臺和統一的標準和規范。虛擬裝配系統還不能接受CAD系統的模型信息，實現與主流CAD系統的無縫集成。目前各的虛擬裝配系統，都是根據本單位的情況來定制CAD接口，實現信息轉換，在數據的提取和表達、信息的存儲和管理等方面沒有統一的標準和規范。
2）建模能力弱。目前的虛擬裝配系統都以理想的零件模型為基礎，沒有考慮具體的加工和裝配環境對零件形狀精度和尺寸誤差的影響，導致實際生產出來的零件裝配不上或裝配性能不滿足要求。
3）交互操作可靠性和靈活性差。由于基于碰撞檢測的交互操作是一個多輸入、大計算量的過程，輸入系統的靈敏性、碰撞檢測的計算效率等因素都影響交互操作的可靠性。
4）功能過于單一。虛擬裝配系統除了工藝規劃和裝配過程仿真外，許多輔助功能還沒能實現，如裝配力變形分析、工裝夾具的設計、裝配質量預測、裝配人員工效分析等功能。
5）開放性和集成能力弱。由于虛擬裝配系統開發的方法、環境差別較大，與其他系統集成和數據交換的能力弱，制約了虛擬裝配系統的開發及與現有其他系統的集成。
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關鍵詞 Pro/E 機械系統 實驗臺 虛擬設計
中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，機械領域的虛擬設計技術是利用三維設計軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對機械裝置的零部件進行結構設計、虛擬裝配、運動仿真分析。它是基于計算機輔助設計技術，在虛擬環境中對機械產品進行設計，達到縮短研發周期、減少研發成本的目的。
多用途機械系統傳動實驗臺融鏈傳動、直齒圓柱齒輪傳動、直齒圓錐齒輪傳動、平面連桿傳動，蝸輪蝸桿傳動、絲桿螺母傳動以及齒輪齒條傳動等傳動機構于一體。該實驗臺以學生最為熟悉的課堂作為展示機械系統運動的場景，可以起到趣味性教學的目的，增加學生學習機械專業課程的興趣。敞開式的場景，在不用拆開演示臺的前提下就可以讓學生清楚地觀察到內部傳動機構的運動全過程，操作簡單、比較實用。多個傳動機構集中在一個場景展示，可以使學生系統性地認識不同機構的運動傳遞過程，有助于學生對不同的機構進行區別。
本文基于Pro/E平臺的虛擬設計技術，完成多用途機械系統傳動實驗臺各零件的三維建模設計，虛擬樣機裝配干涉檢查、機構運動仿真分析，在仿真中對結構設計進行優化設計，盡可能降低設計風險，避免實際制造中出現問題，從而使實驗臺一次性制造成功。
1 實驗臺典型零件齒輪的三維建模
通常，在Pro/E中每個零件的三維結構設計過程步驟基本相同，如下：（1）依據各個零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據零件的結構，選擇建模的方法。（3）根據零件的結構，進行草繪，然后利用拉伸、旋轉等特征操作，以完成零件的三維設計。（4）在已建零件模型上進行輔助特征設計，完成零件三維設計，然后保存。
多用途機械系統傳動實驗臺有多個不同類型的零件，三維設計的過程步驟基本相同，本論文只簡單闡述典型零件齒輪的三維設計過程步驟。
直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結構特征組成，創建標準直圓柱齒輪的三維參數化模型。主要操作步驟如下：
（1）創建齒輪設計參數：
在Pro/E軟件的產品參數化設置界面中，輸入齒輪的設計參數及相應的初始值，模數m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準曲線，后繪制四個尺寸任意的同心圓。
（3）調出Pro/E中各參數之間關系設置的對話框，在其中輸入標準直齒圓柱齒輪的關系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
圖1 齒輪參數對話框
圖2 齒輪關系對話框
（4） 系統進入三維實體模式，單擊【編輯】頡駒偕模型】工具，自動生成滿足一定關系式的齒輪參照圓。
（5）單擊特征工具欄中的【基準曲線】工具，彈出的【曲線選項】菜單，單擊【從方程】―【完成】命令，在工作區選取系統默認的坐標系，單擊對話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設置坐標系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標系，輸入形成齒輪漸開線的參數化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】―【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開線。
（6）創建鏡像漸開線特征。選取已繪制的齒輪漸開線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。
（7）先進入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創建成齒輪基本實體。
（8）創建第一個齒槽特征。先進入草繪平面，再根據漸開線以及齒輪參照圓草繪出齒廓外形，然后對其進行拉伸切除，完成齒槽的創建。
（9）創建齒槽陣列特征。創建齒輪槽，選擇軟件征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項，輸入陣列個數56個，角度為360?？樿计殷的齿聨?？
（10）拉伸切除創建成齒輪軸孔。
（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數化設計如圖3所示。
圖3 齒輪參數化設計
2 實驗臺樣機的虛擬裝配
一般說，機械裝置的虛擬裝配是利用三維設計軟件在計算機中，對機械產品的結構進行設計與裝配。多用途機械系統傳動實驗臺主要包括學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個部分。虛擬樣機在裝配時，首先把這5個運動機械傳動機構作為一個組件進行虛擬裝配，然后把這5個運動機械傳動機構裝配成整個實驗臺。
2.1 學生運動機械傳動機構虛擬裝配
學生運動機械傳動機構，主要由電動機、曲柄搖桿機構、連桿限位變形機構，以及固定構件課桌、課椅以及電機支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機架上，小手臂與機架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過活動鉸鏈鏈接。電機通過曲柄搖桿機構，帶動五連桿限位變形機構運動，完成學生起立和坐下的動作。
圖4 學生運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.2 教師運動機械傳動機構虛擬裝配
教師運動傳動機構主要由：電動機;由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動機構;齒輪齒條傳動機構;螺距6mm，單頭絲桿螺母傳動機構;限位開關、限位板以及講臺等固定構件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機啟動，通過鏈傳動傳遞給絲桿，絲桿的旋轉運動轉變成螺母的直線運動，通過螺母上的銷軸帶動放置在螺母上的尺寸做直線移動，實現教師木偶人的移動，通過齒輪齒條機構實現教師旋轉90度面向學生的動作。
圖5 教師運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.3 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配
時鐘運動機械傳動機構主要由：電動機;齒數為35的蝸輪蝸桿傳動機構;每級大齒輪齒數45，小齒輪齒數13，模數1.5的二級直齒圓柱齒輪傳動機構以及電動機架、鐘罩和紅外位置探測器等固定構件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機啟動，通過蝸輪蝸桿把運動傳遞給二級直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級圓柱齒輪的小齒輪帶動分針轉動，第二級圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動時針轉動。
2.4 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配
教室門運動機械傳動機構主要由：電動機;雙曲柄滑塊機構以及導桿、限位開關、電機機架等固定構件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機啟動，帶動雙曲柄滑塊機構中雙曲柄轉動，曲柄通過連桿，帶動教室門在導軌上進行來回往復運動，實現教室門的開關。
圖6 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配圖
圖7 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.5 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配
投影幕布運動機械傳動機構主要由：電動機，錐齒輪傳動機構組成，虛擬裝配如圖8所示。電機啟動，帶動大圓錐齒輪轉動，通過小圓錐齒輪帶動幕布上下運動。
圖8 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.6 多用途機械系統傳動實驗臺虛擬裝配
多用途機械系統傳動實驗臺虛擬樣機的主體裝配主要是學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個傳動機構之間的裝配。虛擬樣在裝配時，為方便整個樣機的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個相關零件組裝成組件，然后再把相關組件裝配在一起構建試實驗臺的整體結構，如圖9所示。
圖9 多用途機械系統傳動實驗臺虛擬裝配圖
3 結束語
多用途機械系統傳動實驗臺的虛擬設計，減少設計物理樣機所需的人力及時間，可以達到降低產品成本，縮短產品生產周期的目的。
基金項目：湖北省高等學校2014年省級大學生創新創業訓練計劃項目《多用途機械系統傳動實驗臺的設計研究》（項目編號：201411654009）、武漢商學院2014年大學生創新創業訓練計劃項目《多用途機械系統傳動實驗臺的設計研究》（項目序號：7）、武漢商學院2014年度教學研究項目《基于學生創新能力培養的課程教學研究―以機械設計基礎課程為例》（項目編號：2014Y013）的階段性研究成果
參考文獻
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