一、綜述 隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新思想、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，諸如計(jì)算機(jī)集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、并行工程（Concurrent Engineering，CE）、敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）、面向制造的設(shè)計(jì)（Design For Manufacture，DFM）和面向裝配的設(shè)計(jì)（Design For Assembly，DFA）等等，新的制造和設(shè)計(jì)理念對(duì)現(xiàn)代CAD技術(shù)在更高層次上提出了更加全面的要求，集成化、智能化和可視化成為現(xiàn)代CAD技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。在電器領(lǐng)域的CAD系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)工作中如何應(yīng)對(duì)這一必然的發(fā)展趨勢(shì)，成為一項(xiàng)迫切而又艱巨的任務(wù)。 固體繼電器（Solid State Relay，SSR）是一種無(wú)觸點(diǎn)式電子開(kāi)關(guān)，它采用分立的電子元器件、集成電路和混合微電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制回路與負(fù)載回路的電隔離及信號(hào)耦合，由固體器件實(shí)現(xiàn)負(fù)載的通斷切換功能，內(nèi)部無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)零部件，是近十幾年的新興種類(lèi)。由于它應(yīng)用廣泛、種類(lèi)繁多且具有優(yōu)異性能，相應(yīng)的CAD系統(tǒng)日益受到人們的重視，固體繼電器虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制正是上述趨勢(shì)的反映。 二、裝配模型研究 裝配模型（Assembly Model，AM）的研究始于七十年代后期，迄今已有二十多年的歷史。最早的嘗試是Liberman和Wesley等開(kāi)發(fā)的一個(gè)幾何建模系統(tǒng)AUTOPASS?，F(xiàn)階段有關(guān)裝配建模的研究大多從滿足某一特定應(yīng)用背景如裝配工藝規(guī)劃等的需求出發(fā)。雖然國(guó)內(nèi)目前尚處于起步階段，但有關(guān)的研究日漸活躍。 　　裝配模型是一個(gè)能完整、正確地傳遞不同裝配體設(shè)計(jì)參數(shù)、裝配層次和裝配信息的產(chǎn)品信息模型。建立裝配模型的目的就在于建立完整的產(chǎn)品裝配信息表達(dá)，這些信息包括：管理信息，包括產(chǎn)品各構(gòu)成元件的名稱、材料、技術(shù)規(guī)范、技術(shù)要求以及設(shè)計(jì)者和設(shè)計(jì)版本等；幾何信息，即有關(guān)裝配體幾何形狀、尺寸大小以及最終位置和姿態(tài)的信息；拓?fù)湫畔?，包括產(chǎn)品裝配的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系和產(chǎn)品裝配體之間的幾何配合約束關(guān)系；工程語(yǔ)義信息，即與產(chǎn)品工程應(yīng)用相關(guān)的信息；裝配工藝信息，指與產(chǎn)品裝拆工藝過(guò)程及其具體操作相關(guān)的信息；裝配資源信息，指與產(chǎn)品裝配工藝過(guò)程具體實(shí)施相關(guān)的裝配資源的總和，主要指裝配系統(tǒng)設(shè)備的組成和控制參數(shù)等。不一而足，裝配模型不僅要處理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入信息，而且能處理設(shè)計(jì)過(guò)程的中間信息和結(jié)果信息，因此裝配模型信息應(yīng)隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的推進(jìn)而不斷豐富和完善。 　　裝配模型應(yīng)具備以下特征：能完整地表達(dá)產(chǎn)品裝配信息，不僅描述零、部件本身的信息，而且還描述了零、部件之間的裝配關(guān)系及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；支持并行設(shè)計(jì)，不但完整地表達(dá)了產(chǎn)品的信息，而且還描述了產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)的繼承關(guān)系和其變化約束機(jī)制，保證設(shè)計(jì)參數(shù)的一致性，從而能支持產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)；滿足快速多變的市場(chǎng)需求，即當(dāng)產(chǎn)品需求發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)裝配模型可以方便地修改產(chǎn)品的設(shè)計(jì)以適應(yīng)新的產(chǎn)品需求；具有一定的獨(dú)立性。 裝配模型的核心問(wèn)題是如何在計(jì)算機(jī)中表達(dá)和存儲(chǔ)裝配體組成部件之間的相互關(guān)系。目前，表示裝配體信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)歸納起來(lái)可分為兩類(lèi)：直接存儲(chǔ)各裝配部件之間的相互位置信息；存儲(chǔ)各裝配部件之間的配合、連接等裝配信息，確定裝配部件相互位置的齊次變換矩陣根據(jù)這些信息計(jì)算出來(lái)。Liberman和Wesley等開(kāi)發(fā)的AUTOPASS，零件和裝配體被表達(dá)成為圖結(jié)構(gòu)中的結(jié)點(diǎn)，圖中的分枝代表部件間的裝配關(guān)系，同時(shí)在每個(gè)分枝上存有一個(gè)空間變換矩陣，用來(lái)確定部件間的相對(duì)位置，以及其他非幾何信息；De Fazio和Whitney提出一種稱為優(yōu)先聯(lián)系圖的方法，該方法定義一組優(yōu)先規(guī)則，通過(guò)將圖排序得到裝配序列；Homem de Mello和Sanderson則提出與或圖來(lái)描述裝配體，圖中每個(gè)葉子結(jié)點(diǎn)表示裝配體最底層部件，根結(jié)點(diǎn)表示最終的產(chǎn)品，有些類(lèi)似于CSG結(jié)構(gòu)；Lee 和Gossard在與或圖的基礎(chǔ)上提出了真正意義上的層次建模方法，它將裝配體層層分解成由部件組成的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，部件既可以是零件也可以是子裝配，樹(shù)的頂端是成品的裝配體，末端是不可拆分的零件，其余的部分是由概念設(shè)計(jì)確定的子裝配體。Lee引入了虛連接的概念，整個(gè)裝配樹(shù)是由虛聯(lián)接連接起來(lái)的，每個(gè)虛聯(lián)接是一系列相關(guān)信息的集合，這樣裝配體的信息就能夠?qū)哟位鎯?chǔ)。上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或存儲(chǔ)模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)具體開(kāi)發(fā)要求加以選擇，由圖表達(dá)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)向樹(shù)表達(dá)的層次結(jié)構(gòu)發(fā)展是該問(wèn)題的主要發(fā)展趨勢(shì)。 三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。虛擬現(xiàn)實(shí)就是利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成一種模擬環(huán)境（如飛機(jī)駕駛艙、裝配操作現(xiàn)場(chǎng)等），通過(guò)各種傳感設(shè)備使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的效果，并實(shí)現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接而自然的進(jìn)行交互的技術(shù)。它實(shí)際上是一種先進(jìn)的人機(jī)接口，給用戶提供直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，以最大限度的方便用戶的操作，并呈現(xiàn)某種主題的模擬或仿真效果。 　　一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)通常需要高性能計(jì)算機(jī)、視覺(jué)顯示設(shè)備、頭眼手體位的跟蹤定位裝置、三維空間定域裝置、觸覺(jué)及力覺(jué)的反饋裝置等軟硬件支持，以便產(chǎn)生沉浸感和直接自然的實(shí)時(shí)感知交互，這些裝置設(shè)備往往需要大筆的資金投入，一定程度上限制了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。但不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用對(duì)軟硬件支持的要求是不盡相同的，如果適度降低沉浸感要求，不強(qiáng)調(diào)自然而只強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)的交互操作，便可以考慮包括常規(guī)輸入輸出設(shè)備在內(nèi)的交互手段和顯示效果，這既是臺(tái)式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（Desktop PC based VR System，DPCVRS）的發(fā)展思想，也是我們?cè)O(shè)計(jì)固體繼電器虛擬裝配系統(tǒng)的初衷。 　　以AutoCAD為代表的圖形支撐平臺(tái)，提供了強(qiáng)大的三維造型功能，基本滿足了虛擬環(huán)境所需的顯示、仿真要求。但大多數(shù)系統(tǒng)的裝配設(shè)計(jì)不夠完善，存在約束關(guān)系不多、裝配管理困難等問(wèn)題。盡管如此，在充分研究裝配模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)各領(lǐng)域裝配約束關(guān)系的不同情況，確定相關(guān)的裝配樹(shù)，并利用圖形平臺(tái)高度的開(kāi)放性和提供的三維造型功能、強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具，創(chuàng)建逼真的專(zhuān)業(yè)裝配仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)諸如：平移、旋轉(zhuǎn)、隱藏、透視、渲染、爆炸、干涉檢查、物性計(jì)算、零件列表、定義裝配基準(zhǔn)、裝配過(guò)程管理等功能，是切實(shí)可行的。 四、固體繼電器裝配關(guān)系模型 裝配體是多個(gè)零件和子裝配體的有機(jī)組合，要得到一個(gè)正確的裝配體，必須建立其零部件間的正確和完整的關(guān)系。裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)顯示了零部件間的隸屬，反映了零部件的層次關(guān)系。當(dāng)兩個(gè)零部件具有一種或多種聯(lián)系時(shí)，我們稱兩者具有約束關(guān)系，而裝配關(guān)系是建立約束關(guān)系的基礎(chǔ)。 　　一般產(chǎn)品零部件的裝配關(guān)系如圖一所示。其中定位關(guān)系描述了零部件之間空間位置關(guān)系和配合關(guān)系，是一種直接的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系；聯(lián)接關(guān)系包括剛性聯(lián)接和彈性聯(lián)接。剛性聯(lián)接分為螺紋聯(lián)接、鍵聯(lián)接、銷(xiāo)聯(lián)接、聯(lián)軸器等，而彈性聯(lián)接主要指彈簧聯(lián)接。聯(lián)接件一般為標(biāo)準(zhǔn)件；運(yùn)動(dòng)關(guān)系分為傳動(dòng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)兩類(lèi)，前者指齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)等，而后者包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)、柱面運(yùn)動(dòng)等。由于其固有的特點(diǎn)，固體繼電器相關(guān)的裝配關(guān)系絕大部分為定位關(guān)系和聯(lián)接關(guān)系兩類(lèi)，極少存在運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 　　產(chǎn)品設(shè)計(jì)是裝配的基礎(chǔ)。面向裝配的設(shè)計(jì)（DFA）是并行工程中的重要組成部分之一，目前常用的兩種設(shè)計(jì)過(guò)程為：自底向上（Down-Up）的設(shè)計(jì)和自頂向下（Top-Down）的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出各種形狀的零件，輸入零件之間的幾何約束關(guān)系，再將設(shè)計(jì)好的零件裝配成產(chǎn)品，這是自底向上的設(shè)計(jì)過(guò)程；在零件設(shè)計(jì)的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)之后，再實(shí)現(xiàn)單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)是自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程。兩種設(shè)計(jì)各有特點(diǎn)，自頂向下能反映真實(shí)的設(shè)計(jì)過(guò)程，節(jié)省不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率，而自底向上設(shè)計(jì)的思路簡(jiǎn)單，操作快捷方便，被大多數(shù)設(shè)計(jì)人員所理解和接受。固體繼電器虛擬裝配系統(tǒng)采用了自底向上的設(shè)計(jì)思路。 五、系統(tǒng)設(shè)計(jì) ObjectARX 是Autodesk公司推出的新一代二次開(kāi)發(fā)工具，它提供了以C++為基礎(chǔ)的面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)環(huán)境及應(yīng)用程序接口，使得用戶能夠定制和擴(kuò)展AutoCAD的功能。ObjectARX 提供了豐富的類(lèi)庫(kù)和函數(shù)，利用它們，用戶可快速直接訪問(wèn)AutoCAD的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)和幾何造型核心，以獲取組成零部件的各圖形要素，諸如插入點(diǎn)、面積、體積、重心等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)裝配樹(shù)揭示的層次結(jié)構(gòu)，確定各零部件的約束關(guān)系，依據(jù)不同情況調(diào)用不同的成員函數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖形元素的定位組合，完成零部件的模擬裝配。 　　碰撞檢測(cè)是虛擬裝配系統(tǒng)的重要內(nèi)容，其具體要求為檢測(cè)到有碰撞并計(jì)算出碰撞發(fā)生的位置。實(shí)時(shí)性和精確性是碰撞檢測(cè)的兩個(gè)重要約束條件，實(shí)時(shí)性是系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互的特定要求而精確性則要求精確的檢測(cè)碰撞的發(fā)生和計(jì)算碰撞發(fā)生的位置。碰撞檢測(cè)的方法很多，但各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。針對(duì)虛擬裝配系統(tǒng)所涉及的零部件為體模型表達(dá)的剛性物體，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于求交運(yùn)算的碰撞檢測(cè)算法，較好的滿足了約束條件。 　　在上述研究的基礎(chǔ)上，我們采用AutoCAD為圖形支撐平臺(tái)，選擇ObjectARX為開(kāi)發(fā)工具，基于自底向上的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了固體繼電器虛擬裝配系統(tǒng)。 六、結(jié)論 固體繼電器虛擬裝配系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制涉及實(shí)體造型技術(shù)、裝配技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將這些新興的相關(guān)技術(shù)整合為性能優(yōu)異的裝配仿真系統(tǒng)，是件相當(dāng)困難的事情，我們的工作只是初步的嘗試，限于各方面條件的制約，還不能提供視覺(jué)以外的其它感官效果。但應(yīng)對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)對(duì)電器CAD系統(tǒng)在更高層次上的要求，是不容回避的責(zé)任和挑戰(zhàn)，我們將在該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)用所獲經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，不斷完善提高該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平，為電器CAD技術(shù)的不斷發(fā)展和行業(yè)技術(shù)進(jìn)步做出不懈的努力。