摘要：机械学科实验教学是机械专业教学的重要内容，机械专业教学要求学生在学习相关课程的基本理论的同时，还必须具备实际操作能力和创新性，而实验教学是锻炼及培养学生综合素质的有效方法。然而，传统的实物实验教学已经不能满足当前实验教学的需求，难以激发学生在机械课程学习中的兴趣。对机械学科虚拟实验平台的研究为解决上述问题提供了一条有效途径。
关键词：虚拟实验;机构拼装实验;约束特征动态识别
基于虚拟现实技术的虚拟实验平台的开发，为解决机械学科实验教学存在的
诸多问题提供了新的途径和方法。在使用虚拟实验平台的过程中，人是虚拟实验
操作的主体，所对应的虚拟实验操作一方面需要以客观的实验操作流程为参照，另一方面也需要体现人的主观意志，结合实验者的主观能动性和创造性，并且能
够提供真实的仿真计算结果，作为实验者进行结果分析的可靠依据。而在现有的
机械机构拼装虚拟实验平台中，选用机构固定，无法体现实验者的设计意图，且
运动仿真计算操作复杂，预处理工作量大，成为了限制其广泛发展和应用的最主
要问题。
1面向装配约束关系动态建立的构件信息模型功能需求
在虚拟环境下，面向装配约束关系动态建立的装配仿真操作不同于基于约束
的装配仿真操作，构件之间并没有相互联系。要实现构件间约束关系的动态建立，
使用的构件信息模型除了必需具备实体模型本身的点、线、面等几何特征信息外，还必须包含装配过程中构件间进行约束自动识别所需的约束特征信息。包含约束特征信息的产品信息模型建模要求如下：
1)能够包含可以进行装配约束识别的几何特征的信息。
2)构件信息模型当中不具有装配信息或约束信息，而只包含进行约束自动识别时所需的约束特征信息。
2面向装配约束关系动态建立的构件信息模型表达
在虚拟实验环境下对虚拟构件进行装配操作，必须要对构件的信息模型进行
表达。即该信息模型首先必须与实物构件模型外形相一致，即满足其在虚拟环境
下的造型一致性要求；其次需要实现在虚拟环境中对构件信息模型进行实验操作的功能，即构件信息模型必须具备实时显示性和操作可交互性；最后构件信息模
型还必须支持机构运动学仿真的计算功能。
综上分析，构件信息模型应当具备以下内容：
1)与实物构件的外形相一致，即构件信息模型表达必须包含能够反映构件
外形的显示模型信息。
2)具有适应装配约束识别操作和建立装配约束关系的几何特征信息，几何
特征信息可以清楚地表达构件上的面、线、点的类型、位置、参数等内容。
3)具有进行运动学仿真求解计算的参数内容，用户通过构件信息模型可以
方便地建立机构对应的运动学仿真计算的逻辑模型，支持对运动学仿真计算结果
的实时可视化显示。
2.1约束特征信息层
约束特征信息层用来记录可以进行装配约束关系动态建立的几何特征信息，
在介绍约束特征信息层的结构内容之前，有必要先介绍一下约束特征信息的概念。约束特征信息：通常的虚拟装配操作仿真是在产品装配树确定以及约束关系
确定的条件下进行的，因此产品信息模型中一般包含装配信息和约束信息，约束
信息一般包含参与约束的对象、特征元素，约束类型和相关参数。与约束信息所不同的是，本文提出的约束特征信息用来记录构件中可以参与约束识别的点、线、面特征元素及相关参数，但不包含参与约束的构件对象及其约束特征，同时，构件中能够参与约束识别的几何特征元素将以分组的形式进行记录，以保证构件间进行约束识别时的快速性和准确性。
2.2面向装配约束关系动态建立的构件信息模型生成
2.2.1构件信息模型的数据来源
构件信息模型包括构件基本信息、几何特征信息以及约束特征信息，构件信息模型的数据来源产生办法如下：构件信息模型中的基本信息，如显示模型信息、包围盒信息等由CAD系统生成多边形模型来实现；几何特征信息和约束特征信息通过对CAD系统的二次开发获得。
2.2.2构件信息模型文件的输出与读取
生成构件信息模型后，需要将该信息模型进行输出，并保存为特定的格式。
同时，为了实现基于约束动态识别的装配操作仿真，还需要设计构件信息模型文
件的读取方法。在本文中，输出的构件信息模型将以.feat为后缀名的文件进行存储，同时设计了对该类型文件的读写操作。.feat文件可以分为三个部分，分别用于记录零件基本信息、几何特征信息和约束特征信息，具体的文件格式如附录所示。.feat文件通过CAD二次开发输出到指定的文件目录下。由于在进行装配操作仿真过程时需要调用构件信息文件中的约束特征信息及几何特征信息，因此在虚拟环境中读取构件信息文件时，在加载构件显示模型的同时，需要获取上述信息并将其初始化。
3基于约束特征的约束匹配信息动态识别
装配约束匹配信息的动态识别是实现装配约束确认的第一步。约束匹配信息
识别的目的是为了体现用户的装配意图，约束匹配信息识别后将约束对应的几何
特征元素进行高亮显示，提示用户这里存在匹配的装配约束。装配约束匹配信息
动态识别的过程就是在虚拟环境下，对构件间的各个约束特征信息进行匹配，识
别出构件间的可能存在装配约束关系的几何特征，并形成相应的装配约束，从而
实现装配仿真的过程。
3.1约束匹配信息动态识别的条件
(1)虚拟构件空间位置的判断。判断两个虚拟构件的空间距离时，需要以
各自构件的尺寸大小作为基础，本文中以虚拟构件的包围盒的包围盒半径作为基
本的距离单位，以虚拟构件的包围盒中心作为距离计算的基准点。假设两个虚拟
构件的包围盒半径分别为L1和L2，它们的包围盒中心的距离为d，当d<L1+L2时，则认为两虚拟构件在空间上靠近，以此作为激活约束匹配信息动态识别开启的首要条件。
(2)虚拟构件类型的判断。在虚拟构件之间满足空间位置要求的基础之上，
还要对构件本身的类型进行判断，这样做的原因是为了避免本来无法进行装配的
两个构件，因为其约束特征信息列表中存在着约束特征类型相同的信息，系统对这两个构件进行误匹配。而在比较虚拟构件的约束特征信息列表之前，先对两构件的类型进行判断，可以降低误匹配的概率，提高约束动态识别匹配的效率。
3.2约束匹配信息确认
装配约束匹配信息的确认过程是指操作者根据构件间已经识别的约束匹配信息的提示，移动构件并完成装配确认的过程。根据约束匹配的解算结果，构件的位姿得以调整，以此来模拟实际的装配过程。
3.2.1装配约束匹配信息确认的条件
根据装配约束解算的顺序，约束匹配信息的确认过程如下：由用户发出约束
确认的信号后，约束匹配信息中的约束会依次被解算，并在每次解算后调整主动
构件的位姿，直到所有的约束都完成解算。
参考文献：
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课题来源：河北省教育厅高等学校自然科学青年基金项目：创新机械运动方案拼装虚拟实验平台关键技术研究，课题编号：QN2019311