基于 STEP 和 OSG 的交互式虚拟装配仿真系统

基于 STEP 和 OSG 的交互式虚拟装配仿真系统
摘要
传统的 CAD/CAM 软件虽然在产品设计环境能够充分的发挥作用，但其在装配操作，可装配性分析等环节显得相对薄弱。往往产品设计的问题要等到产品已经大量投入生产才会发现，对企业造成了不可挽回的损失。因此我们总希望在产品设计阶段就能得到产品的可装配性等信息，来指导产品的设计，而这在传统的 CAD/CAM 软件中是很难做到的。因此需要设计虚拟装配系统，将 CAD零件模型导入虚拟装配系统，在虚拟环境中进行装配操作、序列规划，如果发现零件设计问题，立即反馈到 CAD 修改设计。但目前虚拟装配系统往往采用三角面片模型，不仅丢失了产品大量的工程设计信息，很难对模型进行灵活的控制和装配，也使得虚拟装配结果与 CAD 系统的数据很难双向通信，从而限制了虚拟装配系统的应用和发展。针对这些问题，本文基于 CAD 设计中的 STEP 标准，结合开源虚拟现实引擎 OSG（OpenSceneGraph）的技术特点，设计出一个完整的虚拟装配系统，并解决其中的关键技术问题。系统可直接导入 STEP 产品模型，进行自由灵活的装配，为装配人员的培训提供了方便、有效的支持。同时也意味着虚拟装配系统与 CAD 系统的无缝结合，虚拟装配过程中发现的问题可及时反馈给 CAD 修改设计，数据可以双向传递。最后采用 OSG 仿真实现了一个原型系统，将 STEP 文件映射到 OSG 类，构建 OSG 场景树，并将 STEP 中的几何信息统一采用 NURBS 方法表达，在 OSG中渲染绘制，并由用户交互选取模型特征面进行任意的装配。虚拟现实引擎 OSG与工业标准 STEP 相结合，不仅可以增强工业模型装配的真实感，同时也拓展了OSG 的应用范围，使其首次可以读取具有拓扑结构的模型，使其从单纯的三角面片模型的渲染走向了虚拟装配制造领域。
关键词：虚拟装配；虚拟现实；产品模型数据交换标准；开放场景图形；非均匀有理 B 样条
目录
1  绪论 ................................................... 1
1.1  论文的研究背景............................................. 1
1.2  论文的研究意义............................................. 2
1.3  国内外研究现状............................................. 2
1.4  论文的研究内容............................................. 4
1.5  论文的组织结构............................................. 5
2  系统的总体框架 ......................................... 7
2.1  系统的需求分析............................................. 7
2.2  系统的功能设计............................................. 7
2.2.1  系统的设计目标..................................................................................................... 7
2.2.2  系统的功能模块及框架组成................................................................................. 8
2.3  可能遇到的问题及解决方法................................... 9
2.3.1  系统实现的难点..................................................................................................... 9
2.3.2  采取的技术路线..................................................................................................... 9
2.4  本章小结.................................................. 10
3  虚拟装配系统三要素智能交互模型 ........................ 11
3.1  原理...................................................... 11
3.1.1  装配智能三要素................................................................................................... 11
3.1.2  实体对象间的智能交互模型............................................................................... 12
3.2  实现技术方法.............................................. 13
3.3  本章小结.................................................. 13
4  STEP 信息提取.......................................... 15
4.1  STEP 标准： ............................................... 15
4.1.1  标准简介 .............................................................................................................. 15
4.1.2  体系结构 .............................................................................................................. 15
4.2  STEP 中性文件 ............................................. 18
4.2.1  文件介绍 .............................................................................................................. 18
4.2.2  文件拓扑结构....................................................................................................... 20
4.3  STEP 文件信息提取 ......................................... 23
4.3.1  零件级 STEP 文件中几何拓扑信息提取 ........................................................... 23
4.3.2  装配体级 STEP 文件中配合关系识别 ............................................................... 24
4.4  本章小结.................................................. 27
5  智能装配规划算法 ...................................... 28
5.1  基于装配体信息的装配推理.................................. 28
5.2  辅助库信息确定装配优先关系：.............................. 29
5.3  本章小结：................................................ 30
6  OSG 仿真............................................... 32
6.1  OSG 介绍 .................................................. 32
6.1.1  OSG 场景图技术.................................................................................................. 33
6.1.2  OSG 交互技术...................................................................................................... 34
6.2  仿真关键技术.............................................. 35
6.2.1  STEP 文件导入 OSG 场景 .................................................................................. 35
6.2.2  生成 OSG 装配动画............................................................................................. 38
6.2.3  拾取装配 .............................................................................................................. 38
6.3  装配效果示例.............................................. 39
6.4  评价反馈.................................................. 40
6.5  本章小结：................................................ 41
7  总结与展望 ............................................ 42
7.1  全文总结.................................................. 42
7.2  展望...................................................... 43
参考文献 ................................................ 45
致谢 ................................................ 47