虛擬裝配系統以裝配對象的三維實體模型為基礎，在計算機上對裝配操作的全過程進行仿真，真實地模擬和展示產品的相關特性。虛擬裝配系統的作用主要有：在設計和制造階段，可以通過仿真環境優化產品設計，避免或減少產品實際加工中的反復試制或改進；在裝配階段，可以通過虛擬環境模擬裝配過程，利用計算機對裝配序列、裝配路徑的規劃進行驗證和糾錯，從而降低裝配成本；將虛擬裝配與實際裝配相結合，創建沉浸、半沉浸的虛擬環境，對于培訓和教學而言，可以提高裝配操作人員的工作效率。

　　數控機床刀架是數控車床的執行機構，是重要的功能部件，它在一定程度上標志著數控車床的技術水平，并且與加工精度和生產效率密切相關。通過虛擬裝配仿真系統可以更加安全、高效地掌握數控機床刀架的工作原理和裝拆方法，對于數控機床的檢測和故障維修具有重要意義。LDB4數控機床刀架為經濟型數控車床電動刀架，在加工制造業具有廣泛的應用場合。本文以LDB4數控機床刀架的虛擬仿真為背景，以虛擬裝配培訓為目標，利用虛擬現實技術原理，為產品裝配過程的設計、規劃和運動仿真分析構建一個實用的平臺。這個系統可通過人機交互的方式，對裝配體進行模型展示、裝配序列和裝配路徑的模擬，同時可結合分析驗證裝配序列的可行性與合理性。

1 系統功能模塊及總體框架

　　1.1 開發環境的選擇

　　EON Studio是一種虛擬現實環境生成工具，可以依據使用者的意圖，研發實時3D應用程序。本文選用VC++6．0與EON Studio相結合，進行交互式虛擬裝配仿真系統的開發。所設計的數控機床刀架虛擬裝配系統，主要應用于教學，系統在滿足虛擬裝配仿真的基礎上，易學易用，操作簡便靈活，并具備可拓展的功能。

　　1.2 系統的構成

　　構建虛擬仿真系統的主要任務是實現數控機床刀架三維可視化模型的展示，按照合理的裝配序列和裝配路徑進行運動仿真和人機交互操作訓練。本文所建立的交互式虛擬裝配仿真系統主要包括三維模型創建模塊、模型導入模塊、裝配仿真模塊、人機交互模塊、功能集成模塊。在功能上主要包括裝配體零部件結構展示、快速裝拆仿真、虛擬裝配和虛擬拆卸。

2 技術路線及功能實現方法

　　2.1 三維模型的創建與導入

　　本文選擇利用Pro／E建立LDB4數控機床刀架的三維模型，用它建立的三維數據模型具有準確的尺寸。為便于網絡傳輸和進一步控制，將Pro／E建立的三維數據模型導人到3DMAX中進行材質設置，之后通過3 DMAX與EON Studio的接口插件，可方便地導入EON Studio進行開發設計。

　　2.2 虛擬運動仿真功能實現

　　2.2.1 EON Studio的功能節點

　　在EON Studio系統中，各種功能主要通過節點來實現。節點是一個具有功能和數據的對象，節點的數據信息一般包括域(field)和事件(event)兩個方面，可以對節點的屬性進行設置，或者對節點接收到的信息進行修改，也可以通過接口來操作其他節點。圖1所示為EON Studio中節點的事件驅動原理。

圖1 EON Studio中節點的事件驅動原理

　　2.2.2 虛擬裝配路徑規劃

　　裝配路徑是零部件在虛擬裝配空間中的運動軌跡。裝配路徑的規劃除包含了裝配的工藝路線，亦包含了零件行走的正確軌跡，確保零部件更合理的裝配，同時也獲得更高的裝配精度。

　　本文數控機床刀架裝配體的設計是在完成零件造型的基礎上，新建一個裝配體，然后點擊瀏覽，依次選擇要插入的零部件即可。LDIM數控機床刀架裝拆過程中零件的運動軌跡主要包括直線運動和旋轉運動。兩個零件之間的裝配約束關系用3個坐標方向的位移以及繞這3個坐標方向的轉動表示。針對具體的運動方式，在本文描述的虛擬裝配系統當中主要利用Script節點、Path node節點和Place節點來進行控制。其中：Script節點主要用于實現數據的輸入和輸出M1；Path node節點用來實現旋轉運動仿真；Place節點用來實現直線運動仿真。

　　2.3 人機交互控制與系統集成

　　EON Studio提供了與外部應用程序之間的通信接口EONX，EONX其實是一個ActiveX控件，它能使EON Studio開發的應用程序在其他應用程序中顯示并正常運行川。本文通過VC++調用EONX控件的接口函數，實現二者之間的數據傳遞。實現VC++與EON Studio之間的通信過程的主要程序流程如下：

　　a．在EON Studio中建立EventIn節點和EventOut節點，以實現事件的輸人與輸出。　　b．在EON Studio中建立JScript節點，將JScript節點與EventIn節點或Event Out節點連接，JScript節點可以從Eventln節點接收數據，并將處理后的數據發送給EventOut節點。　　c．在交互界面上通過按鈕或文本框發送指令給VC++和EON Studio的接口程序，觸發EONScript的事件。　　d．在VC++中添加消息響應函數，對EventOut進行監聽，并利用SendEve函數將VC++的數據傳輸給EventIn節點。

　　2.4 實現的技術路線

　　根據系統所要實現的上述任務，確定本文實現LDB4數控電動刀架虛擬裝配仿真系統的技術路線為：

　　a．利用三維幾何建模軟件構建設備模型，并對模型的品質等進行優化。

　　b．將三維模型輸出為EON Studio能夠識別的文件格式。通過三維幾何建模軟件和虛擬現實軟件的數據接口，將模型轉入到系統開發平臺中，檢查產品的初始模型是否正確，進行數據反饋和修改。通過可視化顯示與分析，實現裝拆項目的加載。

　　c．進行裝配路徑和零部件運動軌跡的規劃．生成裝配序列并記錄序列信息。裝配路徑的規劃包括裝配約束的定義、裝配定位和裝配序列規劃等，從而實現系統的運動仿真和設備拆裝的自動演示。

　　d．創建基于裝配序列和裝配路徑交互式虛擬裝拆模塊，在虛擬裝拆的過程中提供相關知識信息。

　　LDIM數控機床刀架虛擬裝配仿真系統的技術路線如圖2所示。

圖2 LDB4數控機床刀架虛擬裝配仿真系統技術路線圖

3 刀架裝拆的虛擬仿真過程模擬

　　完成的LDIM數控機床刀架虛擬裝配仿真系統如圖3所示。圖3(a)為LDB4數控機床刀架仿真模型，圖3(b)為LDIM數控機床刀架虛擬裝配仿真系統的爆炸圖。系統直觀地表達出零部件之間的裝配關系與裝配意圖，為虛擬裝配做準備。裝配模型中主要零部件及裝配順序規劃如下：下刀體組件及中軸組件→電源線接線柱→上刀體組件→壓簧→離合銷→銷→離合盤→平面軸承→止退圈→定位鍵葉鎖緊螺母→螺釘→發訊盤→小螺母→磁鋼組件→螺釘→上罩→螺釘→防水墊→防水螺釘。LDB4數控機床刀架虛擬裝配仿真系統操作及模塊功能示意。操作者可根據此運動仿真模型了解刀架結構組成、零部件之間的裝配關系，進行快速裝配或拆卸模擬。亦可在虛擬環境下進行刀架裝配或拆卸練習。以裝配練習模塊為例，當操作者將鼠標靠近任意一個零件，系統即自動顯示該零件的基本信息，并提示裝配路徑中該零件所涉及到的相鄰零部件。

　　操作及模塊功能示意如操作者未按正確路徑進行裝配或拆卸操作，系統會進行報錯提示，同時部件無響應。

4 結論

　　基于本文的研究工作可以得出以下基本結論：

　　a．借助虛擬現實技術，以LDB4數控機床刀架的拆裝為例，開發了具有交互功能的虛擬裝配仿真系統。系統通過人機交互的方式，對裝配體的組成零部件進行結構和裝配序列的認知以及實時運動仿真。為產品裝配過程的設計、規劃和分析提供了平臺；為利用虛擬現實技術輔助進行產品設計和教學訓練提供了可借鑒的途徑。

　　b．系統以EON Studio作為仿真環境，利用VC++6．0進行了二次開發，實現了軟件之間的對接，為虛擬仿真問題的開發工具選擇提供了參考。

　　c．進一步擴充和完善現有的虛擬仿真系統，深入研究虛擬現實技術，實現機械產品沉浸式的交互仿真，是今后進一步的研究方向。