一、綜述 隨著現代制造技術的不斷發展，各種新思想、新技術不斷涌現，諸如計算機集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）、并行工程（Concurrent Engineering，CE）、敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）、面向制造的設計（Design For Manufacture，DFM）和面向裝配的設計（Design For Assembly，DFA）等等，新的制造和設計理念對現代CAD技術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代CAD技術發展的必然趨勢。在電器領域的CAD系統研究和開發工作中如何應對這一必然的發展趨勢，成為一項迫切而又艱巨的任務。 固體繼電器（Solid State Relay，SSR）是一種無觸點式電子開關，它采用分立的電子元器件、集成電路和混合微電子技術，實現了控制回路與負載回路的電隔離及信號耦合，由固體器件實現負載的通斷切換功能，內部無任何機械運動零部件，是近十幾年的新興種類。由于它應用廣泛、種類繁多且具有優異性能，相應的CAD系統日益受到人們的重視，固體繼電器虛擬裝配系統的開發研制正是上述趨勢的反映。 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等開發的一個幾何建模系統AUTOPASS。現階段有關裝配建模的研究大多從滿足某一特定應用背景如裝配工藝規劃等的需求出發。雖然國內目前尚處于起步階段，但有關的研究日漸活躍。 　　裝配模型是一個能完整、正確地傳遞不同裝配體設計參數、裝配層次和裝配信息的產品信息模型。建立裝配模型的目的就在于建立完整的產品裝配信息表達，這些信息包括：管理信息，包括產品各構成元件的名稱、材料、技術規范、技術要求以及設計者和設計版本等；幾何信息，即有關裝配體幾何形狀、尺寸大小以及最終位置和姿態的信息；拓撲信息，包括產品裝配的層次結構關系和產品裝配體之間的幾何配合約束關系；工程語義信息，即與產品工程應用相關的信息；裝配工藝信息，指與產品裝拆工藝過程及其具體操作相關的信息；裝配資源信息，指與產品裝配工藝過程具體實施相關的裝配資源的總和，主要指裝配系統設備的組成和控制參數等。不一而足，裝配模型不僅要處理設計系統的輸入信息，而且能處理設計過程的中間信息和結果信息，因此裝配模型信息應隨著設計過程的推進而不斷豐富和完善。 　　裝配模型應具備以下特征：能完整地表達產品裝配信息，不僅描述零、部件本身的信息，而且還描述了零、部件之間的裝配關系及拓撲結構；支持并行設計，不但完整地表達了產品的信息，而且還描述了產品設計參數的繼承關系和其變化約束機制，保證設計參數的一致性，從而能支持產品的并行設計；滿足快速多變的市場需求，即當產品需求發生變化時，通過裝配模型可以方便地修改產品的設計以適應新的產品需求；具有一定的獨立性。 裝配模型的核心問題是如何在計算機中表達和存儲裝配體組成部件之間的相互關系。目前，表示裝配體信息的數據結構歸納起來可分為兩類：直接存儲各裝配部件之間的相互位置信息；存儲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這些信息計算出來。Liberman和Wesley等開發的AUTOPASS，零件和裝配體被表達成為圖結構中的結點，圖中的分枝代表部件間的裝配關系，同時在每個分枝上存有一個空間變換矩陣，用來確定部件間的相對位置，以及其他非幾何信息；De Fazio和Whitney提出一種稱為優先聯系圖的方法，該方法定義一組優先規則，通過將圖排序得到裝配序列；Homem de Mello和Sanderson則提出與或圖來描述裝配體，圖中每個葉子結點表示裝配體最底層部件，根結點表示最終的產品，有些類似于CSG結構；Lee 和Gossard在與或圖的基礎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狀結構，部件既可以是零件也可以是子裝配，樹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計確定的子裝配體。Lee引入了虛連接的概念，整個裝配樹是由虛聯接連接起來的，每個虛聯接是一系列相關信息的集合，這樣裝配體的信息就能夠層次化存儲。上述數據結構或存儲模型各有優缺點，可根據具體開發要求加以選擇，由圖表達的拓撲結構向樹表達的層次結構發展是該問題的主要發展趨勢。 三、虛擬現實技術 作為一門新興的交叉學科，虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術是現代計算機界廣泛關注的熱點之一。虛擬現實就是利用計算機系統生成一種模擬環境（如飛機駕駛艙、裝配操作現場等），通過各種傳感設備使用戶產生一種身臨其境的效果，并實現用戶與該環境直接而自然的進行交互的技術。它實際上是一種先進的人機接口，給用戶提供直觀而又自然的實時感知交互手段，以最大限度的方便用戶的操作，并呈現某種主題的模擬或仿真效果。 　　一個虛擬現實系統通常需要高性能計算機、視覺顯示設備、頭眼手體位的跟蹤定位裝置、三維空間定域裝置、觸覺及力覺的反饋裝置等軟硬件支持，以便產生沉浸感和直接自然的實時感知交互，這些裝置設備往往需要大筆的資金投入，一定程度上限制了虛擬現實技術的應用領域。但不同領域的不同應用對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，不強調自然而只強調實時的交互操作，便可以考慮包括常規輸入輸出設備在內的交互手段和顯示效果，這既是臺式虛擬現實系統（Desktop PC based VR System，DPCVRS）的發展思想，也是我們設計固體繼電器虛擬裝配系統的初衷。 　　以AutoCAD為代表的圖形支撐平臺，提供了強大的三維造型功能，基本滿足了虛擬環境所需的顯示、仿真要求。但大多數系統的裝配設計不夠完善，存在約束關系不多、裝配管理困難等問題。盡管如此，在充分研究裝配模型的基礎上，依據各領域裝配約束關系的不同情況，確定相關的裝配樹，并利用圖形平臺高度的開放性和提供的三維造型功能、強大的二次開發工具，創建逼真的專業裝配仿真環境，實現諸如：平移、旋轉、隱藏、透視、渲染、爆炸、干涉檢查、物性計算、零件列表、定義裝配基準、裝配過程管理等功能，是切實可行的。 四、固體繼電器裝配關系模型 裝配體是多個零件和子裝配體的有機組合，要得到一個正確的裝配體，必須建立其零部件間的正確和完整的關系。裝配結構樹顯示了零部件間的隸屬，反映了零部件的層次關系。當兩個零部件具有一種或多種聯系時，我們稱兩者具有約束關系，而裝配關系是建立約束關系的基礎。 　　一般產品零部件的裝配關系如圖一所示。其中定位關系描述了零部件之間空間位置關系和配合關系，是一種直接的相互關聯關系；聯接關系包括剛性聯接和彈性聯接。剛性聯接分為螺紋聯接、鍵聯接、銷聯接、聯軸器等，而彈性聯接主要指彈簧聯接。聯接件一般為標準件；運動關系分為傳動和相對運動兩類，前者指齒輪傳動、帶傳動等，而后者包括旋轉運動、平面運動、柱面運動等。由于其固有的特點，固體繼電器相關的裝配關系絕大部分為定位關系和聯接關系兩類，極少存在運動關系。 　　產品設計是裝配的基礎。面向裝配的設計（DFA）是并行工程中的重要組成部分之一，目前常用的兩種設計過程為：自底向上（Down-Up）的設計和自頂向下（Top-Down）的設計。設計出各種形狀的零件，輸入零件之間的幾何約束關系，再將設計好的零件裝配成產品，這是自底向上的設計過程；在零件設計的初期就考慮零件與零件之間的約束和定位關系，在完成產品的整體設計之后，再實現單個零件的詳細設計是自頂向下的設計過程。兩種設計各有特點，自頂向下能反映真實的設計過程，節省不必要的重復設計，提高設計效率，而自底向上設計的思路簡單，操作快捷方便，被大多數設計人員所理解和接受。固體繼電器虛擬裝配系統采用了自底向上的設計思路。 五、系統設計 ObjectARX 是Autodesk公司推出的新一代二次開發工具，它提供了以C++為基礎的面向對象的開發環境及應用程序接口，使得用戶能夠定制和擴展AutoCAD的功能。ObjectARX 提供了豐富的類庫和函數，利用它們，用戶可快速直接訪問AutoCAD的圖形數據庫和幾何造型核心，以獲取組成零部件的各圖形要素，諸如插入點、面積、體積、重心等。在此基礎上，根據裝配樹揭示的層次結構，確定各零部件的約束關系，依據不同情況調用不同的成員函數，實現圖形元素的定位組合，完成零部件的模擬裝配。 　　碰撞檢測是虛擬裝配系統的重要內容，其具體要求為檢測到有碰撞并計算出碰撞發生的位置。實時性和精確性是碰撞檢測的兩個重要約束條件，實時性是系統實時交互的特定要求而精確性則要求精確的檢測碰撞的發生和計算碰撞發生的位置。碰撞檢測的方法很多，但各有其優缺點和適用范圍。針對虛擬裝配系統所涉及的零部件為體模型表達的剛性物體，我們設計了基于求交運算的碰撞檢測算法，較好的滿足了約束條件。 　　在上述研究的基礎上，我們采用AutoCAD為圖形支撐平臺，選擇ObjectARX為開發工具，基于自底向上的設計理念，設計了固體繼電器虛擬裝配系統。 六、結論 固體繼電器虛擬裝配系統的開發研制涉及實體造型技術、裝配技術和虛擬現實技術，將這些新興的相關技術整合為性能優異的裝配仿真系統，是件相當困難的事情，我們的工作只是初步的嘗試，限于各方面條件的制約，還不能提供視覺以外的其它感官效果。但應對現代制造技術對電器CAD系統在更高層次上的要求，是不容回避的責任和挑戰，我們將在該系統實際運用所獲經驗和教訓的基礎上，不斷完善提高該系統的設計水平，為電器CAD技術的不斷發展和行業技術進步做出不懈的努力。