吳志軍， 張建富， 馮平法， 郁鼎文

（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084）

隨著網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的發(fā)展及虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的推廣和廣泛應(yīng)用，虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)日益成為一種重要的教學(xué)支持手段和方法，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室研究和開(kāi)發(fā)成為一個(gè)重要的研究方向。近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都開(kāi)展了深入的研究[1-3]。如在國(guó)外，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University, CMU)提出了針對(duì)基于服務(wù)和組件的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架 LSA(learning system architecture)，約翰霍普金斯大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于Java技術(shù)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目，德國(guó)Ruhr大學(xué)開(kāi)發(fā)了有關(guān)控制工程的VCLAB 實(shí)驗(yàn)室，新加坡國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)的用于工程教育的虛擬實(shí)驗(yàn)室。在國(guó)內(nèi)，華中科技大學(xué)“液壓與氣壓傳動(dòng)”遠(yuǎn)程教育小組開(kāi)發(fā)了液壓回路性能和液壓元件裝拆虛擬實(shí)驗(yàn)，北京大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系基于 Web設(shè)計(jì)了支持大計(jì)算量和交互式的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn)室的基本結(jié)構(gòu)(3WNVLAB)，北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所研制的基于虛擬空間的三維電子線(xiàn)路實(shí)驗(yàn)環(huán)境―Evlab系統(tǒng)等[4]。

國(guó)內(nèi)研究?jī)?nèi)容主要集中在理論探討和虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)搭建上，網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教育技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究關(guān)注不夠，與國(guó)外相比還很落后，尤其是專(zhuān)門(mén)面向?qū)W生課程實(shí)踐、支持多用戶(hù)協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不夠，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)的模式、效果分析和反饋評(píng)價(jià)的研究很少；另外，虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)的架構(gòu)、開(kāi)發(fā)方法和技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段呈現(xiàn)多樣化得格局，通用的網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建體系結(jié)構(gòu)、支持平臺(tái)下二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用的模型研究不足[5]。

本文基于機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中對(duì)裝配體虛擬拆裝的需求，分析了虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中協(xié)同裝配的特征，研究了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同裝配的方法和相關(guān)技術(shù)，提出了用于支持虛擬協(xié)同裝配的信息模型及網(wǎng)絡(luò)虛擬裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)，論述了系統(tǒng)執(zhí)行的過(guò)程。最后，以柱塞泵為例，簡(jiǎn)述了系統(tǒng)的初步實(shí)現(xiàn)情況。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中協(xié)同裝配的特征

當(dāng)前，針對(duì)虛擬協(xié)同裝配的研究主要集中在面向產(chǎn)品的多成員協(xié)同設(shè)計(jì)（面向設(shè)計(jì)的協(xié)同裝配）方面，即在設(shè)計(jì)階段通過(guò)虛擬裝配檢查零部件設(shè)計(jì)的合理性、是否滿(mǎn)足最基本的要求，及其可裝配特性等，研究的重點(diǎn)是：預(yù)裝配技術(shù)、裝配工藝規(guī)劃策略、可裝配性檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)優(yōu)化或再設(shè)計(jì)等。而面向網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的虛擬協(xié)同裝配研究的基礎(chǔ)是：在既有的零部件基礎(chǔ)上（已完成設(shè)計(jì)，并確保了設(shè)計(jì)的合理性），通過(guò)虛擬裝配讓學(xué)生體驗(yàn)裝配的過(guò)程，并進(jìn)行協(xié)同裝配規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，其研究的重點(diǎn)是：裝配模型信息表達(dá)、裝配協(xié)同控制、裝配路徑記錄和再現(xiàn)等。面向虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和面向設(shè)計(jì)的協(xié)同裝配特征對(duì)比情況如表1所示。

表1 面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)和面向設(shè)計(jì)的協(xié)同裝配特征對(duì)比

基于面向虛擬裝配網(wǎng)絡(luò)教學(xué)和面向設(shè)計(jì)中協(xié)同裝配特征和研究目標(biāo)的差異，兩者在關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)和系統(tǒng)體系架構(gòu)上既有一定的共性，又有很大的不同。對(duì)于面向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的協(xié)同裝配，一方面要解決網(wǎng)絡(luò)虛擬協(xié)同裝配系統(tǒng)在體系架構(gòu)上與現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)的集成和模型信息共享；另一方面需要針對(duì)教學(xué)的需求考慮協(xié)同裝配過(guò)程中裝配路徑及順序的規(guī)劃和沖突消解問(wèn)題。協(xié)同是一個(gè)以知識(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算過(guò)程，以教學(xué)為目的的協(xié)同裝配過(guò)程需要依據(jù)裝配的需求特征設(shè)計(jì)知識(shí)和規(guī)則，并就裝配問(wèn)題展開(kāi)設(shè)計(jì)推理。為此，構(gòu)建面向虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的協(xié)同裝配體系并在研究其關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)時(shí)需要考慮如下因素[7]：

（1）怎樣基于現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建可供共享的裝配信息模型?

（2）怎樣確定要把什么零件裝配到什么零件的什么位置上?

（3）怎樣確定裝配時(shí)的姿態(tài)，即操作零件的裝配方向?

（4）怎樣確定裝配的先后順序是否合理?

（5）怎樣確定裝配時(shí)不會(huì)發(fā)生干涉碰撞?

（6）怎樣確定裝配完成，要隨時(shí)給出裝配過(guò)程的提示信息?

（7）視角要合理，并提供多種預(yù)設(shè)選擇；

（8）有可能的多種路徑組合的解決方法，一個(gè)零件可以向多個(gè)地方裝配的解決方法，有多個(gè)相同零件的解決方法。

2 網(wǎng)絡(luò)虛擬協(xié)同裝配關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 虛擬模型室的構(gòu)建

要實(shí)現(xiàn)面向虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的協(xié)同裝配，首先要解決的問(wèn)題是建立能夠支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)同裝配的虛擬模型?？紤]到課程教學(xué)的不同需要及模型的普適性，在構(gòu)建虛擬模型室時(shí)將模型分成三類(lèi)：授課模型（指在授課系統(tǒng)中或在線(xiàn)學(xué)習(xí)時(shí)所使用的模型）、作業(yè)模型（指用于完成課程習(xí)題指導(dǎo)的模型）、裝配模型（指用于虛擬裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)機(jī)械產(chǎn)品模型）?；趯?duì)現(xiàn)有各種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析，本文采用的是開(kāi)放性、網(wǎng)絡(luò)兼容性和傳輸性都較好的 VRML(Virtual Reality Modeling Language)。由于當(dāng)CAD系統(tǒng)輸出為 VRML文件時(shí)，在場(chǎng)景的組織結(jié)構(gòu)及元素的表示方式上存在較大的差異[8]。為此，針對(duì)不同CAD系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換為VRML模型時(shí)存在的這種語(yǔ)義表達(dá)差異，在對(duì)數(shù)據(jù)接口文件二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，定義了標(biāo)準(zhǔn)的文件轉(zhuǎn)化格式，從而確保系統(tǒng)中模型的語(yǔ)義一致性，以支持網(wǎng)絡(luò)條件下模型裝配的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景瀏覽和交互功能。構(gòu)建的虛擬模型室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于以上方法獲得的模型，其共同的特征是保留了原有CAD圖形的基本屬性信息（如零件幾何和拓?fù)湫畔⒁约肮こ淘O(shè)計(jì)信息）。圖1所示的模型導(dǎo)航樹(shù)中，授課模型和作業(yè)模型用于課程基本教學(xué)所用，如體的投影、組合體、直線(xiàn)及平面與立體的相交等，由于這部分模型僅作為進(jìn)行虛擬協(xié)同裝配實(shí)驗(yàn)的預(yù)備知識(shí)，為此原有 CAD圖形的特征屬性完全可以滿(mǎn)足模型的再現(xiàn)、移動(dòng)等需求。而裝配模型用于虛擬裝配實(shí)驗(yàn)，其在以上特征信息的基礎(chǔ)上，還需要表達(dá)裝配信息（如裝配關(guān)系、裝配約束和裝配操作指令等）及決策信息等。下一節(jié)主要闡述裝配信息模型的語(yǔ)義信息構(gòu)成，從而形成裝配知識(shí)庫(kù)。

2.2 裝配語(yǔ)義信息模型

虛擬協(xié)同裝配是以模型庫(kù)某一待裝配體為對(duì)象，以適當(dāng)?shù)男蛄幸?guī)劃，按照合理的約束關(guān)系和裝配順序，通過(guò)一系列的協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)裝配功能的過(guò)程。基于VRML的虛擬裝配實(shí)現(xiàn)中，為滿(mǎn)足可視化顯示和碰撞檢測(cè)的需求，通常使用面片模型（即基于標(biāo)準(zhǔn)文件轉(zhuǎn)換格式得到的虛擬模型）來(lái)表達(dá)對(duì)象。但由于片面模型不能完整的表達(dá)裝配過(guò)程涉及到的裝配信息[9]。為此，基于構(gòu)建的虛擬模型，定義了支持實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程的語(yǔ)義知識(shí)。同時(shí)，基于Web本體語(yǔ)言便于計(jì)算機(jī)解析和人工讀寫(xiě)、適于在分布的設(shè)計(jì)人員之間傳遞知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，裝配知識(shí)選用OWL (Web Ontology Language)來(lái)描述[10]。

裝配信息語(yǔ)義模型是零部件間裝配約束、裝配關(guān)系及裝配行為的抽象和概括。基于協(xié)同裝配過(guò)程中所涉及到的裝配信息需求，裝配信息語(yǔ)義模型(assem_onto)可以用一個(gè)四元組來(lái)表示，如式(1)所示

即以實(shí)體（entity）、方法(method)、行為(action)、操作(operation)等語(yǔ)義來(lái)表達(dá)裝配過(guò)程，進(jìn)而形成裝配知識(shí)庫(kù)所需要的最基本語(yǔ)義信息。

（1）實(shí)體即為實(shí)現(xiàn)虛擬協(xié)同裝配的功能體（基本幾何體），表現(xiàn)為片面模型，亦即虛擬模型室中的裝配模型。實(shí)體分為主體(body)、從體(subody)和聯(lián)接體(linkage)，表示如下

圖1 虛擬模型室

（2）行為(action)指裝配中，那些實(shí)體以何種約束方法被裝配及相應(yīng)的聯(lián)接關(guān)系，包含三方面的語(yǔ)義，如式(3)所示

其中 裝配約束(assemConsTraints)表示為式(4)所示的幾種形式，即貼合(mate)、偏置貼合(mate偏offset)、聯(lián)接(joint)、偏置聯(lián)接( joint offset)、插入(insert)、焊接(weld)、鉚接(rivet)和粘合(adhesive)

自由度約束(freeomConsTraints)表示為式(5)所示的5種形式，即固定自由度(fixDegree)、線(xiàn)性自由度(linearDegree)、平面自由度(planarDegree)、旋轉(zhuǎn)自由度(rotationalDegree)、球面自由度(sphericalDegree)。

空間關(guān)系(spatialRL)包括：平行(parallel)，對(duì)齊(aligned)，傾斜(incline-offset)，倚靠(against)，夾角(include-angle)，相切(tangent)，共線(xiàn)(collinear)，過(guò)盈配合(interference-fit)，其用來(lái)約束配合實(shí)體（面、中心線(xiàn)、中心點(diǎn)等）間的空間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如式(6)所示

（3）語(yǔ)義模型中的方法(method)指裝配方法，包括聯(lián)接(joint)、定位(fixed)、緊固(fasten)、支承(bearing)、傳動(dòng)(gearing)和密封(sealed)7種類(lèi)型，表示如下

每一種裝配方法又表示為不同的語(yǔ)義，為了表達(dá)的直觀(guān)性，其語(yǔ)義涵蓋如圖2所示。

圖2 裝配方法語(yǔ)義信息

（4）操作(operation)表達(dá)為式(8)的形式，包括的最基本語(yǔ)義為路徑(route)，順序(sequence)，規(guī)則(rule)、策略(strategy)、場(chǎng)景(scenario)、參考(reference)，用以表達(dá)裝配過(guò)程的執(zhí)行情況，并在知識(shí)庫(kù)中形成實(shí)例

以上對(duì)裝配語(yǔ)義信息的定義，只是將實(shí)體的主要關(guān)系進(jìn)行了抽象化。對(duì)于一些特殊的裝配語(yǔ)義可以由用戶(hù)以標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義描述語(yǔ)言自己定義和擴(kuò)充，從而不斷完善裝配知識(shí)庫(kù)的語(yǔ)義知識(shí)，如輪與輪轂的裝配、曲柄與連桿的裝配、端蓋與箱體的裝配等。另外，實(shí)際裝配過(guò)程中通常任何一種裝配語(yǔ)義都是多種裝配活動(dòng)的組合表達(dá)，如齒輪裝配，裝配實(shí)體為齒輪，裝配方法為齒輪副嚙合的傳動(dòng)，行為中既表現(xiàn)為平面貼合的裝配約束，又表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)自由度和倚靠對(duì)齊的空間約束關(guān)系，在裝配操作中，同時(shí)又產(chǎn)生了齒輪與齒輪軸鍵聯(lián)接的裝配關(guān)系。

2.3 干涉檢測(cè)方法

在面向設(shè)計(jì)的虛擬產(chǎn)品預(yù)裝配中，產(chǎn)品的可裝配性通常包含三層含義：一是檢驗(yàn)零件在裝配時(shí)是否出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象；二是檢驗(yàn)零件是否有可裝配的路徑；三是檢驗(yàn)利用現(xiàn)有的裝配手段是否可以完成裝配任務(wù)[11-12]?；诿嫦蚓W(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)虛擬協(xié)同裝配的定義及其目的，不難發(fā)現(xiàn)可裝配性的內(nèi)涵已經(jīng)發(fā)生了改變，其重點(diǎn)是如何解決好裝配碰撞和干涉問(wèn)題。由于裝配體通常是一些典型的機(jī)械部件，為此，以上提及的第三層含義是確定的。對(duì)于第二層含義，需要考慮的不再是“是否有”，而是什么樣的路徑最優(yōu)。其實(shí)現(xiàn)辦法是事先進(jìn)行多種可裝配路徑的虛擬仿真，并將得到的各種裝配路徑進(jìn)行知識(shí)描述，進(jìn)而保存于裝配知識(shí)庫(kù)，在協(xié)同裝配教學(xué)中根據(jù)用戶(hù)所選取裝配路徑的實(shí)時(shí)記錄進(jìn)行路徑最優(yōu)化的評(píng)價(jià)，輔助指導(dǎo)學(xué)生形成合理的裝配順序和路徑。

對(duì)于裝配碰撞和干涉問(wèn)題，在現(xiàn)有檢查零件是否發(fā)生干涉碰撞的基礎(chǔ)上，同時(shí)要應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的，實(shí)現(xiàn)干涉區(qū)域（碰撞點(diǎn)）的場(chǎng)景顯示和報(bào)警功能。具體方法是采用包裝盒層次法[13]，把待裝配模型的每個(gè)基本體用一個(gè)能將其全部覆蓋的最小尺寸的長(zhǎng)方體套住，根據(jù)零件之間的相對(duì)位置，檢測(cè)包圍盒是否干涉，如果局部包容盒不干涉，則判定零件不干涉；如果局部發(fā)生干涉，則具體分析干涉量，一方面在裝配場(chǎng)景中突出顯示干涉的部分并報(bào)警，另一方面進(jìn)一步進(jìn)行幾何求交，使用精確的公式加以計(jì)算，判定基本體是否有碰撞和干涉。以上針對(duì)每種基本體所建立的干涉檢測(cè)模型和算法，最后形成于裝配知識(shí)庫(kù)中。

3 虛擬協(xié)同裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系架構(gòu)

3.1 平臺(tái)體系架構(gòu)

面向虛擬網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的協(xié)同裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。服務(wù)器端采用多用戶(hù)服務(wù)器 MuServer，客戶(hù)端面向虛擬模型室的 VRML顯示模型，采用Web瀏覽器與VRML插件等工具，實(shí)現(xiàn)裝配零部件的模型調(diào)用、裝配知識(shí)獲取，以及裝配過(guò)程的可視化方式捕捉、操縱、瀏覽、同步協(xié)同等。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：基于標(biāo)準(zhǔn)格式文件的CAD模型到VRML模型的轉(zhuǎn)換、可擴(kuò)展的裝配信息語(yǔ)義生成、裝配順序/路徑規(guī)劃及干涉檢測(cè)知識(shí)獲取、協(xié)同裝配支持服務(wù)管理，以及協(xié)同裝配過(guò)程的虛擬仿真功能。系統(tǒng)以 VRML作為零部件顯示模型，基于預(yù)定義的裝配知識(shí)語(yǔ)義進(jìn)行裝配順序/路徑規(guī)劃，并實(shí)現(xiàn)干涉/碰撞的檢測(cè)功能，同時(shí)將裝配過(guò)程信息并行公布于各客戶(hù)端；在協(xié)同裝配支持服務(wù)方面，以流式套接字方式傳輸裝配操作的 C/P（命令/參數(shù)），并支持采用令牌一致性維護(hù)機(jī)制；通過(guò)記錄每種裝配體的裝配過(guò)程，形成裝配仿真實(shí)例，可視化的展現(xiàn)裝配過(guò)程，指導(dǎo)和輔助學(xué)生進(jìn)行裝配過(guò)程的擬實(shí)評(píng)價(jià)。

圖3 虛擬協(xié)同裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

3.2 虛擬協(xié)同裝配執(zhí)行過(guò)程

虛擬協(xié)同裝配的執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。主服務(wù)啟動(dòng)后，客戶(hù)端用戶(hù)通過(guò)登錄認(rèn)證（服務(wù)器端通過(guò)客戶(hù)端節(jié)點(diǎn)配置參數(shù)，基于用戶(hù)名和 IP地址判定申請(qǐng)人的合法性）進(jìn)入虛擬裝配空間。當(dāng)某一用戶(hù)獲得令牌后，在裝配語(yǔ)義信息模型和裝配知識(shí)庫(kù)的支持下，調(diào)用模型室中的相關(guān)模型，設(shè)定裝配基礎(chǔ)件和目標(biāo)件進(jìn)行裝配操作；并觸發(fā)相應(yīng)事件，如視點(diǎn)變換、視訊交流、移動(dòng)貼合等，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)聽(tīng)捕獲事件，當(dāng)裝配場(chǎng)景發(fā)生變化的時(shí)候根據(jù)事件類(lèi)型抽象封裝成C/P消息格式發(fā)送至服務(wù)器端，完成相應(yīng)的裝配操作服務(wù)。需要協(xié)同裝配式，基于令牌維護(hù)機(jī)制完成裝配授權(quán)的轉(zhuǎn)換。

圖4 虛擬協(xié)同裝配過(guò)程

4 虛擬裝配實(shí)例

基于本文提出的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)架構(gòu)方法，初步開(kāi)發(fā)完成的系統(tǒng)以柱塞泵為例，如圖5所示。

用戶(hù)聯(lián)網(wǎng)后，虛擬零部件由各種可視節(jié)點(diǎn)(node)構(gòu)建，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)事件(Event)相互通訊，事件通過(guò)路由(Route)在場(chǎng)景中傳播，用戶(hù)的操作信息（如選擇零件、移動(dòng)物體、用戶(hù)交互等）反映到本身的場(chǎng)景文件中，進(jìn)而通過(guò) Java Applet建立的網(wǎng)絡(luò)套接字，發(fā)送給服務(wù)器的Muserver。它判斷這是什么用戶(hù)，在裝那個(gè)裝配體，進(jìn)行了什么操作，再?zèng)Q定發(fā)送什么信息給與此用戶(hù)在裝同一個(gè)裝配體（或處于同一小組）的用戶(hù)。此信息通過(guò)服務(wù)器與接收用戶(hù)對(duì)應(yīng)的Mudispatcher發(fā)出，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)套接字傳送到用戶(hù)的MuRecerver，再控制用戶(hù)的場(chǎng)景發(fā)生變化。同時(shí)，服務(wù)器端通過(guò)建立記錄制度，把每個(gè)用戶(hù)每一步操作寫(xiě)入到文件中。各用戶(hù)可以進(jìn)行協(xié)同裝配，圖5左邊兩圈表示一個(gè)用戶(hù)裝配完成一個(gè)零件，另一個(gè)場(chǎng)景也立即產(chǎn)生相應(yīng)變化，右邊表示的是用戶(hù)的及時(shí)交互信息。

圖5 虛擬協(xié)同裝配示例

5 結(jié) 論

隨著虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用需求日益增長(zhǎng)，研究用于支持虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的架構(gòu)方法和實(shí)現(xiàn)技術(shù)是一個(gè)重要的研究方向。本文以機(jī)械制圖網(wǎng)絡(luò)教學(xué)為背景，基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境下對(duì)虛擬協(xié)同裝配提出的特殊需求，分析了其與面向設(shè)計(jì)的協(xié)同裝配實(shí)現(xiàn)技術(shù)之間在定義、目的等方面存在的差異，研究了實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)中協(xié)同裝配的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)。闡述了基于現(xiàn)有教學(xué)平臺(tái)體系下虛擬模型室的構(gòu)建和 VRML模型轉(zhuǎn)換方式；定義了支持實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過(guò)程的語(yǔ)義知識(shí)，對(duì)零部件間裝配約束、裝配關(guān)系及裝配行為進(jìn)行了抽象和概括；就虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的可裝配性特征進(jìn)行了界定，并闡述了裝配過(guò)程中干涉/碰撞的檢測(cè)方法?；谝陨详P(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，提出了面向虛擬網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的協(xié)同裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程。以柱塞泵的虛擬裝配實(shí)驗(yàn)為例，初步驗(yàn)證了本文提出的方法和架構(gòu)的可行性。

[1]Bidarra R, Kranendonk N, Noort A, et al. Acollaborative framework for integrated part and assembly modeling [J]. Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2002, 2(4):256-264.

[2]Chen L, Song Z J, Feng L. Internet-enabled real-time collaborative assembly modeling via an e-Assembly system: status and promise [J]. Computer-Aided Design, 2004, 36(9): 835-847.

[3]Shyamsundar N, Gadh R. Collaborative virtual prototyping of product assemblies over the Internet [J].Computer-Aided Design, 2002, 34(10): 755-768.

[4]秦偉俊, 史元春, 相培峰. 基于多層體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006,46 (7): 1301-1304.

[5]王建新, 凌 亮, 王偉平. 基于www的“計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”虛擬實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程, 2005,31(6): 228-230.

[6]董興輝. 協(xié)同環(huán)境下預(yù)裝配方法與裝配規(guī)劃的研究[D].北京: 清華大學(xué), 2003.

[7]李一丁. 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)課程中的應(yīng)用[D]. 北京: 清華大學(xué), 2002.

[8]武殿梁, 楊潤(rùn)黨, 馬登哲, 等. 虛擬裝配環(huán)境中的裝配模型表達(dá)技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2004, 10(11): 1364-1369.

[9]李永立, 張樹(shù)有, 劉振宇. VRML環(huán)境下基于語(yǔ)義的產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 15(2): 209-214.

[10]Kim K, Manley D, Yang H. Ontology-based assembly design and information sharing for collaborative product development [J]. Computer- Aided Design,2006, 38(12): 1233-1250.

[11]Dong T Y, Tong R F, Zhang L, et al. A collaborative approach to assembly sequence planning [J].Advanced Engineering Informatics, 2005, 19(2):155-168.

[12]張 燁, 寧汝新, 劉檢華. 面向虛擬裝配的裝配序列規(guī)劃技術(shù)研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2006,12(1): 90-94.

[13]王峻峰, 李世其, 劉繼紅. 面向協(xié)同裝配規(guī)劃的信息模型研究[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng), 2009, 15(4):670-675.