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(shè)計（Design For Manufacture，DFM）和面向裝配的設(shè)計（Design For Assembly，DFA）等等，新的制造和設(shè)計理念對現(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。在電器領(lǐng)域的CAD系統(tǒng)研究和開發(fā)工作中如何應對這一必然的發(fā)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(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)，實現(xiàn)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(xiàn)負載的通斷切換功能，內(nèi)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(yōu)異性能，相應的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)的開發(fā)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。早的嘗試是Liberman和Wesley等開發(fā)的一個幾何建模系統(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用背景如裝配工藝規(guī)劃等的需求出發(fā)。雖然國內(nèi)目前尚處于起步階段，但有關(guān)的研究日漸活躍。 

裝配模型是一個能完整、正確地傳遞不同裝配體設(shè)計參數(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，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)計者和設(shè)計版本等；幾何信息，即有關(guān)裝配體幾何形狀、尺寸大小以及終位置和姿態(tài)的信息；拓撲信息，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；工程語義信息，即與產(chǎn)品工程應用相關(guān)的信息；裝配工藝信息，指與產(chǎn)品裝拆工藝過程及其具體操作相關(guān)的信息；裝配資源信息，指與產(chǎn)品裝配工藝過程具體實施相關(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)計系統(tǒng)的輸入信息，而且能處理設(shè)計過程的中間信息和結(jié)果信息，因此裝配模型信息應隨著設(shè)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(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)系及拓撲結(jié)構(gòu)；支持并行設(shè)計，不但完整地表達了產(chǎn)品的信息，而且還描述了產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)的繼承關(guān)系和其變化約束機制，保證設(shè)計參數(shù)的一致性，從而能支持產(chǎn)品的并行設(shè)計；滿足快速多變的市場需求，即當產(chǎn)品需求發(fā)生變化時，通過裝配模型可以方便地修改產(chǎn)品的設(shè)計以適應新的產(chǎn)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(guān)系。目前，表示裝配體信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jù)這些信息計算出來。Liberman和Wesley等開發(fā)的AUTOPASS，零件和裝配體被表達成為圖結(jié)構(gòu)中的結(jié)點，圖中的分枝代表部件間的裝配關(guān)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(yōu)先聯(lián)系圖的方法，該方法定義一組優(yōu)先規(guī)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(jié)點表示裝配體層部件，根結(jié)點表示終的產(chǎn)品，有些類似于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狀結(jié)構(gòu)，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(shè)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(lián)接連接起來的，每個虛聯(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?。上述?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或存儲模型各有優(yōu)缺點，可根據(jù)具體開發(fā)要求加以選擇，由圖表達的拓撲結(jié)構(gòu)向樹表達的層次結(jié)構(gòu)發(fā)展是該問題的主要發(fā)展趨勢。 

三、虛擬現(xiàn)實技術(shù) 

作為一門新興的交叉學科，虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)是現(xiàn)代計算機界廣泛關(guān)注的熱點之一。虛擬現(xiàn)實就是利用計算機系統(tǒng)生成一種模擬環(huán)境（如飛機駕駛艙、裝配操作現(xiàn)場等），通過各種傳感設(shè)備使用戶產(chǎn)生一種身臨其境的效果，并實現(xiàn)用戶與該環(huán)境直接而自然的進行交互的技術(shù)。它實際上是一種*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。 

一個虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)通常需要高性能計算機、視覺顯示設(shè)備、頭眼手體位的跟蹤定位裝置、三維空間定域裝置、觸覺及力覺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時感知交互，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)實技術(shù)的應用領(lǐng)域。但不同領(lǐng)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(diào)自然而只強調(diào)實時的交互操作，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，這既是臺式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（Desktop PC based VR System，DPCVRS）的發(fā)展思想，也是我們設(shè)計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，提供了強大的三維造型功能，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)計不夠完善，存在約束關(guān)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(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，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(fā)工具，創(chuàng)建逼真的專業(yè)裝配仿真環(huán)境，實現(xiàn)諸如：平移、旋轉(zhuǎn)、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(guān)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(guān)系。裝配結(jié)構(gòu)樹顯示了零部件間的隸屬，反映了零部件的層次關(guān)系。當兩個零部件具有一種或多種聯(lián)系時，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)接件一般為標準件；運動關(guān)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(zhuǎn)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(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，極少存在運動關(guān)系。 

產(chǎn)品設(shè)計是裝配的基礎(chǔ)。面向裝配的設(shè)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(shè)計過程為：自底向上（Down-Up）的設(shè)計和自頂向下（Top-Down）的設(shè)計。設(shè)計出各種形狀的零件，輸入零件之間的幾何約束關(guān)系，再將設(shè)計好的零件裝配成產(chǎn)品，這是自底向上的設(shè)計過程；在零件設(shè)計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)計之后，再實現(xiàn)單個零件的詳細設(shè)計是自頂向下的設(shè)計過程。兩種設(shè)計各有特點，自頂向下能反映真實的設(shè)計過程，節(jié)省不必要的重復設(shè)計，提高設(shè)計效率，而自底向上設(shè)計的思路簡單，操作快捷方便，被大多數(shù)設(shè)計人員所理解和接受。固體繼電器虛擬裝配系統(tǒng)采用了自底向上的設(shè)計思路。