固体继电器虚拟装配系统开发

摘　要：本文论述了产品装配模型的特点，讨论了在电气领域引进虚拟现实技术就产品装配过程进行仿真的原理和可行性，分析了开发固体继电器虚拟装配系统面临的主要问题及解决方法，并基于AutoCAD 2000图形平台和ARX开发工具实现了该系统。
　　叙　词：产品装配模型、固体继电器、虚拟现实、一、综述
　　随着现代制造技术的不断发展，各种新思想、新技术不断涌现，诸如计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、并行工程（Concurrent Engineering，CE）、敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）、面向制造的设计（Design For Manufacture，DFM）和面向装配的设计（Design For Assembly，DFA）等等，新的制造和设计理念对现代CAD技术在更高层次上提出了更加全面的要求，集成化、智能化和可视化成为现代CAD技术发展的必然趋势。在电器领域的CAD系统研究和开发工作中如何应对这一必然的发展趋势，成为一项迫切而又艰巨的任务。
　　固体继电器（Solid State Relay，SSR）是一种无触点式电子开关，它采用分立的电子元器件、集成电路和混合微电子技术，实现了控制回路与负载回路的电隔离及信号耦合，由固体器件实现负载的通断切换功能，内部无任何机械运动零部件，是近十几年的新兴种类。由于它应用广泛、种类繁多且具有优异性能，相应的CAD系统日益受到人们的重视，固体继电器虚拟装配系统的开发研制正是上述趋势的反映。
二、装配模型研究
　　装配模型（Assembly Model，AM）的研究始于七十年代后期，迄今已有二十多年的历史。最早的尝试是Liberman和Wesley等开发的一个几何建模系统AUTOPASS。现阶段有关装配建模的研究大多从满足某一特定应用背景如装配工艺规划等的需求出发。虽然国内目前尚处于起步阶段，但有关的研究日渐活跃。
　　装配模型是一个能完整、正确地传递不同装配体设计参数、装配层次和装配信息的产品信息模型。建立装配模型的目的就在于建立完整的产品装配信息表达，这些信息包括：管理信息，包括产品各构成元件的名称、材料、技术规范、技术要求以及设计者和设计版本等；几何信息，即有关装配体几何形状、尺寸大小以及最终位置和姿态的信息；拓扑信息，包括产品装配的层次结构关系和产品装配体之间的几何配合约束关系；工程语义信息，即与产品工程应用相关的信息；装配工艺信息，指与产品装拆工艺过程及其具体操作相关的信息；装配资源信息，指与产品装配工艺过程具体实施相关的装配资源的总和，主要指装配系统设备的组成和控制参数等。不一而足，装配模型不仅要处理设计系统的输入信息，而且能处理设计过程的中间信息和结果信息，因此装配模型信息应随着设计过程的推进而不断丰富和完善。
　　装配模型应具备以下特征：能完整地表达产品装配信息，不仅描述零、部件本身的信息，而且还描述了零、部件之间的装配关系及拓扑结构；支持并行设计，不但完整地表达了产品的信息，而且还描述了产品设计参数的继承关系和其变化约束机制，保证设计参数的一致性，从而能支持产品的并行设计；满足快速多变的市场需求，即当产品需求发生变化时，通过装配模型可以方便地修改产品的设计以适应新的产品需求；具有一定的独立性。
　　装配模型的核心问题是如何在计算机中表达和存储装配体组成部件之间的相互关系。目前，表示装配体信息的数据结构归纳起来可分为两类：直接存储各装配部件之间的相互位置信息；存储各装配部件之间的配合、连接等装配信息，确定装配部件相互位置的齐次变换矩阵根据这些信息计算出来。Liberman和Wesley等开发的AUTOPASS，零件和装配体被表达成为图结构中的结点，图中的分枝代表部件间的装配关系，同时在每个分枝上存有一个空间变换矩阵，用来确定部件间的相对位置，以及其他非几何信息；De Fazio和Whitney提出一种称为优先联系图的方法，该方法定义一组优先规则，通过将图排序得到装配序列；Homem de Mello和Sanderson则提出与或图来描述装配体，图中每个叶子结点表示装配体最底层部件，根结点表示最终的产品，有些类似于CSG结构；Lee 和Gossard在与或图的基础上提出了真正意义上的层次建模方法，它将装配体层层分解成由部件组成的树状结构，部件既可以是零件也可以是子装配，树的顶端是成品的装配体，末端是不可拆分的零件，其余的部分是由概念设计确定的子装配体。Lee引入了虚连接的概念，整个装配树是由虚联接连接起来的，每个虚联接是一系列相关信息的集合，这样装配体的信息就能够层次化存储。上述数据结构或存储模型各有优缺点，可根据具体开发要求加以选择，由图表达的拓扑结构向树表达的层次结构发展是该问题的主要发展趋势。
三、虚拟现实技术
　　作为一门新兴的交叉学科，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是现代计算机界广泛关注的热点之一。虚拟现实就是利用计算机系统生成一种模拟环境（如飞机驾驶舱、装配操作现场等），通过各种传感设备使用户产生一种身临其境的效果，并实现用户与该环境直接而自然的进行交互的技术。它实际上是一种先进的人机接口，给用户提供直观而又自然的实时感知交互手段，以最大限度的方便用户的操作，并呈现某种主题的模拟或仿真效果。
　　一个虚拟现实系统通常需要高性能计算机、视觉显示设备、头眼手体位的跟踪定位装置、三维空间定域装置、触觉及力觉的反馈装置等软硬件支持，以便产生沉浸感和直接自然的实时感知交互，这些装置设备往往需要大笔的资金投入，一定程度上限制了虚拟现实技术的应用领域。但不同领域的不同应用对软硬件支持的要求是不尽相同的，如果适度降低沉浸感要求，不强调自然而只强调实时的交互操作，便可以考虑包括常规输入输出设备在内的交互手段和显示效果，这既是台式虚拟现实系统（Desktop PC based VR System，DPCVRS）的发展思想，也是我们设计固体继电器虚拟装配系统的初衷。
　　以AutoCAD为代表的图形支撑平台，提供了强大的三维造型功能，基本满足了虚拟环境所需的显示、仿真要求。但大多数系统的装配设计不够完善，存在约束关系不多、装配管理困难等问题。尽管如此，在充分研究装配模型的基础上，依据各领域装配约束关系的不同情况，确定相关的装配树，并利用图形平台高度的开放性和提供的三维造

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