一种自动生成层次化爆炸图的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于爆炸图技术领域，具体是一种自动生成层次化爆炸图的方法。
【背景技术】
[0002] 复杂产品是指客户需求复杂、产品组成复杂、产品技术复杂、制造过程复杂、项目 管理复杂的一类产品，如航空发动机、航天器、汽车、武器系统等。为了揭示和分析复杂 产品的内部结构，表达零部件间的相对空间位置关系，装配设计人员需要构建另一种形 式的装配图，即将装配体中的零部件按照指定的次序、方向和距离相互分离，形成爆炸图 (Exploded view)。虽然剖视图、透视图也可通过消除阻碍显示的几何体来揭示内部零件， 爆炸图可更加清晰展示装配体中所有零部件的形状细节及之间的相互配合、连接关系，甚 至装配/拆卸顺序及其路径。可以说，爆炸图是装配（拆卸）序列的可视化载体。爆炸图被 应用于复杂产品全生命周期的各个环节，如产品设计方案论证和产品宣传过程中的三维模 型及装配、拆卸演示动画，制造、检测、外场维护过程中的装配手册、零部件目录、服务手册， 以及网络化定制产品零部件。
[0003] 受其启发，爆炸图还被应用于医学CT扫描成像中的人体器官体视化（Volume visualization)，复杂数学表面的可视化，以及三维建筑环境或游戏场景的可视化，以揭示 各自的复杂内部结构。这些应用仅涉及单一方向的切割，是对连续数据及图形分割所形成 一种爆炸效果，而非对多个实体产生的自然分离。微软公司将一系列的信息文档、视图窗口 等距爆炸为预览图，并支持视图的交互操作。
[0004] 爆炸图是伴随三维CAD软件的发展而出现的面向装配设计的功能，成熟的商业化 三维 CAD 软件，包括 SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA、DELMIA、UG NX 等，虽然拥有手工或 某种程度自动生成爆炸图的功能模块，但是经过测试，它们对于复杂产品都难以自动得到 较为满意的爆炸效果，通常需要进行大量繁琐的操作或修改。
[0005] 以UG NX的"自动爆炸组件"功能为例，以50mm为爆炸间隙，生成图9所示的摇杆 机构的爆炸图如图11所示。在该爆炸图中，存在多处爆炸失效、爆炸方向或位置不合理的 情况：零件p 3、？7与P μ爆炸方向错误；P 4与P 8爆炸位置不合理，产生重叠；子装配体s i，与 S2，仅内部爆炸，而本身未响应爆炸。只有5个独立螺栓完全合理爆炸。在不考虑爆炸有误 零部件对其他零部件作用的前提下，正确爆炸的零部件数为10个（ Pl、p2、p5、P6、固定的P15 及5个螺栓），仅占全部零部件（17个）的60%。同时，UG NX等软件中的自动爆炸技术依 赖于零部件间的配合约束信息，如果装配体在各个CAD软件间的文件格式转换中损失了配 合约束信息，则全部零件均无法自动爆炸。因此，CAD软件的自动爆炸技术具有极大的局限 性，迫切需要新技术的补充和改进。
[0006] 通过图11的摇杆机构爆炸图的缺陷，可总结出生成爆炸图所需遵循的原则：
[0007] (1)视图可见性：参与爆炸的各零部件要以均匀的间距完全分离，相对位置合理， 从空间上达到各零部件的相对独立性，通过简单的视图旋转，即可观察到各零部件的轮廓 全貌，无明显遮掩。图12的反这一原则。
[0008] (2)结构紧凑性：由于屏幕的视图区域有限，要想在同一视图下容纳复杂产品中 的所有爆炸零部件，必须以尽可能小的空间代价，显示尽可能多的模型细节，避免无谓的空 间浪费，使爆炸后的结构更为紧凑。对于具有相同拆卸方向的一组并行性零部件（例如图 12中的5个螺栓），要将其作为一个整体与其他零部件分离。
[0009] (3)序列可读性：理想的爆炸图是装配或拆卸序列的可视化载体。爆炸图要使各 个零部件按照装配（拆卸）顺序及其方向排列在相应的轴线上，要达到通过爆炸图直接表 达和描述装配序列及其路径方向的效果，并且要具有工程美感。而图12存在大量的爆炸方 向及位置错误，未能反映出序列可读性。
[0010] (4)层次独立性：爆炸图要按照层次结构依次展开，子装配体内部零部件相对位 置不应受该子装配体外部零部件爆炸的影响，不具有父子关系的子装配体之间不占有相同 的爆炸空间，这样就保持了每个子装配体空间的独立性，也更加明确了父子层次关系。图12 的S r、S2，没有在爆炸后脱离底座，就未能较好地表达层次独立性。
[0011] 爆炸图自动生成好比手雷的爆炸过程，零部件爆炸过程中伴随着能量的传递和衰 减，表现为以基础件为核心，零部件在各拆卸方向上位移的线性递增。由于零件包围盒包含 了零件实体的几何轮廓边界，可代替零件作为计算爆炸移动距离的对象，从而保证视图的 可见性。由于省略了数字化模型细节，该方法可提高爆炸图的生成效率。为了保证所获得 爆炸图的结构紧凑性，爆炸算法相应地采用两种类型的包围盒，即GCS方向上的AABB和LCS 方向上的OBB，这两种零部件包围盒均可通过CAD二次开发的方法从三维CAD系统中获取。 而通过指定坐标系矩阵及其原点，可获得任意零件在其自身或其他零件LCS下的OBB。通过 合并各零件包围盒极值可得到各级子装配体的包围盒。
[0012] 爆炸方向、顺序及位移是爆炸图生成的核心元素。现有文献中爆炸方向的来源有 人机交互法、配合约束法以及角度计算法。
[0013] Li和AGRAWALA开发了一套半自动化的图片编辑工具，允许用户指定零部件的装 配方式，以一组图片的叠放显示爆炸效果，但需要过多的手工调节。MOTOMASA等根据给定 装配操作手册，对选定部分零件指定移动增量和方向矢量，定制爆炸图，不具有自动爆炸能 力。KUMAMOTO等开发了生成爆炸图及装配动画的工具，但需给定装配序列和方向。
[0014] DRISKILL等在所开发的装配交互工具中，利用配合特征推算拆卸方向进而自动生 成爆炸图，但是如果一个零件有多个配合关系将造成混乱，且该方法未能自动生成拆卸顺 序。MOHAMMAD和KROLL利用零件间的面配合信息，产生三个描述各轴向平面接触关系图的 有向图（ABOVE graph)，通过规则将其转化为一种描述产品抽象爆炸关系的线性有向图，进 而生成实际的爆炸图。
[0015] BRUNO等利用投影法粗略地推断可行的爆炸方向，进而生成爆炸图。AGRAWALA等 从认知心理学和可视化角度，开发了分步装配说明生成系统，需手工输入几何数据、成组数 据、优先约束、局部移动障碍等信息，仅适用于简单产品。在此基础上，LI等通过手工输入 一种包含相对爆炸顺序的有向图（同样被称作Explosion graph)生成3D模型的交互爆炸 图，由于计算接触、干涉及包含关系耗时较大，限制该方法难以处理含50个以上零件的产 品。TATZGERN等也在其基础上，为了生成紧凑的爆炸图，选择一组相同子装配体中具有代表 性的子装配体进行爆炸，在参与爆炸与未参与爆炸的相同子装配体之间进行平衡，并用评 价法选择生成爆炸图的视角。但其中计算序列时根据的是每个零件逃离装配体包围盒最快 法，爆炸方向根据单元球体法，干涉检测非常耗时，且仅计算相接触的零件的干涉，未进行 全局干涉检测，无法优化序列及方向。VIEILLY等按照装配体包围球球心与每个零件包围球 球心连线的矢量进行避障计算，以推算每个零件的爆炸方向。该方法仅保证各零件分离开， 导致各零件呈现发散式爆炸，而不是沿各正交坐标轴爆炸，爆炸出的零件不具有回溯性，相 互间缺少一致方向的联系，因此无法体现出装配顺序，如图1所示，（a)为第一层爆炸效果 图，（b)为第三层爆炸效果图。在面对复杂产品时，其效率和效果更不理想，不符合工程要 求。
[0016] 检验爆炸效果的有效手段是所爆炸的装配体的复杂程度，经研宄现有技术主要存 在4方面不足：①需要过多人机交互输入信息，未深入挖掘可自动获得的几何信息。②可行 爆炸方向的推理不准确或耗时较大，且爆炸方向局限于理想的全局坐标系轴向。③装配体 实例零件数较少，且缺少层次化结构爆炸的实例，无法体现其处理复杂产品爆炸图的能力。 ④未从全局角度考虑装配顺序规划（Assembly sequence planning, ASP)对优化爆炸图布 局及视觉效果的影响。实际上，良好的ASP将使爆炸图更具整体感、紧凑性与可读性。现有 ASP算法可以分为经典的精确算法（包括问答法、割集法、知识推理法及干涉矩阵法）、现代 的启发式算法（包括遗传算法、模拟退火算法及蚁群算法等）与新兴的虚拟装配法。绝大 多数算法面向的是单层次机械产品或者装配结构的所有叶节点零件，因此在面对多层次 结构的复