模型的視覺關注度簡化方法與輕量化裝配技術

王詠梅　杜寶江

1.中航通飛研究院有限公司,珠海,5190402.上海理工大學機械工程學院,上海,200093

0　引言

三維全數字化設計是大裝備現今主流的設計手段，像飛機這樣的大型裝備在CAD環境下進行三維設計時，零部件和標準件通常使用3D高精細度模型(簡稱為精確模型)進行裝配[1-2]，由于標準件數量占比超過60%，面對數千萬個3D零部件模型的大型裝配，會帶來設計運行緩慢、編輯過程費時費力的問題。為此，有些設計應用中，拋棄了精確模型，而轉用簡化模型。

目前常用的簡化模型裝配是把標準件簡化為點線結構的固定式樣模型進行裝配操作，又稱為R模型[3]裝配法，這樣也會帶來難以進行3D空間干涉檢查、機械結構變更或電氣、液壓系統等布線、布管時不方便協同調整、車間裝配空間和工具作業范圍等工藝設計難以校驗等問題。針對這些問題，本文提出了以標準件3D精確模型和多級簡化模型根據模型裝配環境動態自適應切換的方法，既能滿足3D環境裝配需求又能滿足裝配輕量化要求，能夠有效地減輕虛擬產品生命周期管理(virtual product lifecycle management,VPM)服務器及網絡鏈路和設計終端的運行負擔、提高設計人員的實際設計效能。

1　總體設計思路

大型水陸兩棲飛機這類設計對象，包含了上百萬個零部件和標準件，標準件使用國標、軍標、航標、船標等多個標準系列，每個系列含有緊固件、軸承、支撐件、管路件、電器件等種類。由于標準件數量占比大，對設計裝配效率影響大，所在以下模型簡化和輕量化裝配討論主要以標準件為例來展開。

裝配輕量化使用的零部件模型可以使用多級簡化，以適合不同輕量化的要求，每一級簡化模型，除了幾何精細度信息描述不同外，件號、裝配定義和工程信息等必須一致，且具有唯一數據源。實際設計中可將標準件與非標零件分開來管理，如圖1所示，建立獨立于VPM的標材管理數據庫系統，包含所設計機型的許用標準件信息，如各級精細度簡化模型的特征素材、工程信息等，而VPM中僅儲存被選用的零部件和標準件信息，設計終端通過篩選和匹配功能選用標準件[4]，并根據裝配環境參數使用相應精細度的簡化模型，裝配設計結果以精確模型方式在VPM中存儲，從而實現了動態輕量化裝配過程，同時有效地減輕了VPM系統負擔。

圖1　虛擬標準件模型應用管理流程Fig.1　The management process of virtual standard parts model

2　多級簡化模型數據庫的構建

2.1　精確模型建立方法

零件信息包含了精確模型幾何信息、工程信息及裝配特征信息等方面的內容。標準件裝配體的幾何信息有組成零件體、幾何特征、三維尺寸標注、裝配特征、標準件系列化幾何方程描述集等，將標準件模型進行特征分解后按照每個標準號的母體描述模型進行參數化建模，可以生成一個件號序列的模型。

裝配特征信息是為了自動篩選匹配后進行模型快速裝配而添加在模型上的約束定義，如配合面、重合軸等，需要定義可變參數的約束來使其不受具體模型和裝配體變化的影響，裝配特征是將標準件參與裝配約束的裝配特征“發布”在模型的特征樹中，便于建庫時裝配特征的提取和配合關系的自動建立，發布的裝配特征包括：面接觸、共面、線接觸、共線、面偏移和線偏移。

工程信息包含了標準件的材料、重量、屈服強度、溫度適應范圍、匹配適應性、可替代性、成熟度等一系列非幾何信息，用于設計選型和性能分析計算。

對于幾何信息，可以按照標準號和應用參數在CAD中進行建模，然后通過編寫的工具程序，自動轉換為三維模型特征、三維尺寸、坐標變換、裝配定義等信息，并與標準件系列參數化驅動數據一同入庫，從而實現模型庫內容的自動生成構建[5]。

2.2　簡化模型的分層級簡化設計

簡化模型是使用輕量化技術[6]對精確三維模型的簡化。簡化采用多級細節層次(level of details，LOD)方法進行定義和制作。層級分為6級，用0至5的整數n表示。表1給出了以螺栓為例的標準件簡化模型層級簡化定義。參照人眼對色彩視覺關注的處理方法[7]，在三維裝配圖中(除形狀外)對不同種類的標準件簡化模型進行顏色區分，以緊固件模型顏色定義(表2)為例，精確模型可以根據需要在本色和簡化模型顏色之間進行切換。

3　簡化模型自適應性分析和切換

3.1　簡化模型LOD層級定義和適應性計算

為了實現多級簡化模型在飛機設計過程中的自動切換，根據設計人員的操作參數將標準件精確模型替換為不同精細度層級的LOD模型。操作參數針對設計人員在設計圖中的操作對象裝配體，該裝配體上的標準件模型層次應該根據設計人員對該裝配體的關注和操作程度來自動適應和切換。根據設計過程中的操作統計，目標裝配體可以從設計人員的視覺關注度、裝配體的結構關聯性、與該裝配體相關聯的運動鏈部件來分析標準件模型的層次適應性，分別簡稱為視覺層次、結構層次和運動鏈層次。

表1　簡化模型層級定義Tab.1　The definitions of simplified model level

表2　不同種類的緊固件簡化模型顏色定義Tab.2　Color Definition for Different Types of Fastener Simplified Model

基于視覺的模型處理過程是在現有圖形處理或數據傳送環境下根據設計人員的視覺對模型的精細度進行處理的過程。首先是對人眼關注的區域或對象進行分析定義，然后對模型進行處理。處理思路可以借鑒在圖像識別、傳輸、顯示處理領域使用的方法，通過分析圖像的區域[8]、銳度[9]、圖斑[10]等計算出人眼的視覺關注加權因子對圖像的精細度進行修正或調整。而三維模型還涉及到模型處理問題，目前的工作集中在人眼視錐內外的模型細節生成[11-12]或簡化[13]上，如文獻[14]在CATIA模型中采用人眼視錐來定義可視區域內外的區別，進行模型LOD精細度處理，視錐外簡化，視錐內采用精確幾何特征描述模型。這些方法適合于根據視覺的單個模型精細度預處理定義。而對于大型機械設備裝配體的零部件模型，這樣做的問題是顯而易見的：

(1) 模型生成的速度跟不上裝配操作要求；

(2)模型是按照裝配部件來劃分的，同一部件上的零件有著裝配關系需要處理，并不能只按照視覺；

(3)機械運動是由運動鏈組成的，可能跨越多個零件或部件。

因此，需要探索大型機械裝配環境下基于預定義多級精細度模型(表1)進行模型精細度自動切換的新方法。

在圖2所示的CATIA三維裝配視圖中，取圖形區域①。當設計人員裝配右下角的部件時，設計人員的視覺關注區域是視錐在圖形窗口平面上的截交圖形，即圖中②所表示的虛線長方形。設計人員主視線聚焦于該長方形區域的中心十字線③的位置，④是與操作對象模型具有結構裝配關系的零件模型，部件⑤是與之相連的運動鏈模型，而⑥是偏離主視線③較遠或不需要進行裝配操作的機架模型體，⑦是該部件所依附的主結構體模型，目前不操作，且在視覺關注區域②之外。通過這些定義，可以作如下處理：

(1)視覺關注區域外的模型如部件⑦，采用去除細部特征和曲面三角形數量減少的粗糙模型；

(2)非操作模型上的標準件使用簡化模型，如部件⑥上的螺栓簡化模型；

(3)視覺關注區域內，零部件使用精確模型，而標準件可按照操作對象、視覺層次、裝配結構關聯層次和運動鏈關聯層次的具體參數進行實時簡化處理。

圖2　大型機械裝配體視覺關注度分級模型Fig.2　Classification model of large mechanical assembly body on visual attention

視覺層次是設計人員操作某一裝配體時，通常將操作目標裝配體Po置于視覺的正前方，該裝配體上的標準件可能需要使用精確模型，而偏離主視向和距離視點較遠的其他裝配體Pi通常關注度會降低，一般不需要進行標準件精確模型操作，僅作為裝配參考。為此，需要計算對三維裝配空間中每個模型Pi的關注度，并定義基于視覺關注度的模型適應性切換方式。

設： Po在主視向上，視距為do，通過Pi、Po、V三個空間物體的幾何中心做一個剖面，如圖3所示。Pi的視線與主視向矢量線夾角為α、視距為dv、與目標物體的距離為d。根據視覺原理，定義模型視覺關注度u，操作模型Po的關注度最高，設定u=1，任意模型Pi的dv或α的值越大，關注度越低，當dv大于一定數值或α大于等于90°時(包括負視向)，不再被設計者關注，即u=0。因此，u可表示為

(1)

其中，當dv

圖3　模型視覺關注度計算Fig.3　Visual attention calculation of models

根據余弦定理：

(2)

將式(2)代入式(1)，并在計算過程中過濾掉不可見零部件(|α|≥90°范圍內的零部件)，則可以得到裝配圖中任意零部件Pi的模型視覺關注度u的關系表達式：

(3)

式(3)中的距離值do、dv、d可以通過自動讀取CATIA裝配圖中的視點V的坐標、裝配體Po和Pi的插入點或質心點三維坐標來計算得出。

根據u的值，進行視覺層級分段，將目標零部件Po的u值設為0，即其上所有標準件模型設定為實體精細模型M0，其他每個裝配體Pi上的標準件替換為簡化模型Mn(n=1，2，…，5)。u的分段值根據實用化測試后給出了推薦值，可以在運行中根據設計人員的需要進行修改設定。根據視覺關注度可以得出適應于在設計圖形中所有裝配體Po和Pi上的簡化模型精細度的LOD層級n，從而在裝配體上替換相應精細度的標準件簡化模型Mn，如表3所示。

表3　根據視覺關注度u的視覺層級分級推薦值及模型精細度層級Tab.3　The recommended LOD values and model fineness hierarchies based on visual attention level u

結構層次是按照設計人員正在編輯的Po在目錄樹中的父子關系(Children)來劃分的，設計人員點擊Po時，Po包括其子級裝配體被自動設定為n=0層級，其上的標準件全部按照M0調用，Po的父級部件為n=1，父級部件上的標準件模型全部切換至M1，依此類推，直到n=5級及以上父部件不再顯示標準件?？梢允紫仁褂肅ATIA的CAA函數掃描圖形中的目錄樹，過濾裝配體，獲取含有Po裝配體的子目錄集，讀取Children代碼集C，C是一個自然數一維數組，確定Po的父子級別為第j級，則與Po具有裝配關系的任一裝配體Pi的LOD層級ni為

(4)

運動鏈層次是按照與Po直接相關的運動鏈拓展關系來定義的，Po設定為n=0級，運動鏈內部零部件按照視覺層次分級，運動鏈以外全部為n=5級。運動鏈檢測在裝配過程可以通過零件或部件中的運動關系，參考裝配關系定義的處理方法進行，有些較難自動完成的運動定義可以手動選取運動部件關聯來完成。

以上三種層次獲取的n，在某些情況下可能有重疊現象，再加上設計人員根據自己的情況手動設定，則需要給四種情況下的n值設定優先級別Y依次遞減：手動Y1，視覺Y2，結構Y3，運動鏈Y4。

3.2　標準件簡化模型切換

根據模型切換要求，多級精細度的簡化模型Mn根據精確模型M0和數據庫中預定義的簡化特征元素與生成規則進行實時動態生成[15]。

在數據庫中，針對每一類型(標準號)的標準件，對應于n=0，1，…，5建立了Jn個圖形特征構成的特征集Fn，以及不參與模型幾何構建的元素集Rn，如裝配定位點、裝配方向矢量、標注等。由此根據已生成的層級n和件號便可以從數據庫中找到相應的Fn和Rn進行簡化模型的生成。與精確模型構建中使用特征布爾加減混合運算不同，簡化模型的生成只需要使用特征布爾加法運算即可：

(5)

其中，Tnj為第j個幾何特征Fnj的坐標變換矩陣，包含了平移、旋轉、比例三個3D圖形的常規變換，在此不展開討論。

由于簡化模型是設計員在裝配過程中使用的臨時性視覺模型，因此不需要像精確模型那樣按標注的精確尺寸控制每個特征的生成，只需要確保外形和配合關系特征尺寸準確即可，因此可以使用特征形狀縮放變換來取代特征的尺寸驅動變換。式(5)中的特征加法運算不涉及運算順序問題，實際操作中，簡化模型的特征是根據精確模型特征簡化而來，因此簡化模型的運算順序繼承了精確模型的運算順序，且更簡便。

4　結束語

本文將以實體精確模型為基礎的飛機標準件分級簡化模型的自適應性動態切換方法應用于某型號水陸兩棲飛機的設計中，根據實際應用測試，與原有全部精確模型裝配相比，系統速度提高了2～3倍，與原有使用全簡化模型相比，在校驗和重復設計上更方便，同時為電氣及液壓管線設計提供了輔助功能，在大型裝備的三維數字化的設計過程中，不僅有效減少了VPM管理負擔，也提升了標準件的統一管理和裝配設計效率，為大裝備設計中輕量化裝配和標準件整體管理應用提供了可借鑒的方法。

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(編輯王旻玥)