彈上電纜網三維設計及虛擬裝配方法

孟光韋，王 萌，顧浩卿，李 林，馮康軍（上海機電工程研究所，上海，201109）

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彈上電纜網三維設計及虛擬裝配方法

孟光韋，王 萌，顧浩卿，李 林，馮康軍
（上海機電工程研究所，上海，201109）

摘要：為了提高彈上電纜網在總裝過程中的一次合格率，根據彈上電纜網的特點，選擇采用CHS及PRO/E軟件進行三維數字化電纜網設計，并在電纜網三維數字化設計的基礎上開展電纜網虛擬裝配工藝和仿真流程的研究，從而達到提高電纜網裝配可靠性的目的。

關鍵詞：電纜網；三維；虛擬裝配；可靠性

0　前言

隨著現代電子技術的發展，導彈結構趨于小型化、功能多樣化，加之導彈制導及引戰紛紛采用復合體制，帶來彈上電氣設備數量成倍數級增加，這導致彈上電纜網敷設空間大幅度縮小，布線的密集度大大增加。隨著電纜網設計及工藝難度的提升，電纜網裝配工藝不完善、電纜局部扭曲、對接力不均、擠壓等因素產生故障的情況在產品裝配過程中多次出現。本文基于以上實際情況并參考相關文獻[1-2]，提出彈上電纜網三維設計及虛擬裝配方法，用以提高彈上電纜網一次裝配的合格率。

1　彈上電纜網三維設計方法

電纜網三維數字化設計的目的是以數字化設計為基礎，應用CHS及PRO/E軟件建模功能模擬電纜網在導彈艙段內實際安裝敷設情況，用軟件設計出一套互不干涉、布線合理、利于導線轉接、線束變截面得當的電纜網模型。整個設計流程如下：

首先由電氣設計師使用CHS軟件完成電氣拓撲及電氣接線設計，并在完成電氣接線設計后提供.nwf文件給結構設計師。

同時由結構設計師使用PRO/E軟件建立三維電纜網組件，創建電纜網骨架，選取三維結構設計數據，作為三維電纜網布線依據。其中電連接器使用坐標系與電氣設備進行裝配，并通過電纜模塊的“指定元件”將其轉化為電纜布線可識別的元件。指定元件時，同時指定電連接器的入口端，作為布線時的連接參照。

其次由結構設計師根據Top-Down三維設計原則，規劃三維電纜網路徑，完成電纜網骨架的詳細設計；根據電氣拓撲圖進行電連接器安裝；導入.nwf交換文件，進行手動/自動三維布線設計，完成詳細路徑設計及電纜長度調整。

圖2　電纜網三維設計效果圖

最后結構設計師在完成電纜網三維設計后，對重要信息進行三維標注，便于工藝部門開展后續的工藝仿真及工裝三維設計工作。

2　彈上電纜網的虛擬裝配方法

2.1基于視覺的虛擬裝配原理

基于視覺的虛擬裝配是通過光學視覺成像設備，包括熱成像儀、紅外攝像機、可見光攝像機等設備，實時采集用戶的操作圖像，并通過相應的計算機視覺算法，將捕獲得到的操作圖像序列信息映射為用戶六自由度的動作狀態信息，并以此信息作為輸入，取代傳統的鼠標鍵盤方式，以更加具有沉浸感的方式完成虛擬裝配交互全過程。

基于視覺的虛擬裝配系統原理如圖3所示，主要包括基于可見光標記的視覺交互、基于紅外標記的視覺交互、定位信息融合和虛擬裝配集成演示設備等。

圖1　電氣接線圖

2.2基于可見光標記的視覺交互方法

基于可見光標記的視覺交互方法采用普通攝像機直接對粘附于手上的可見光標記進行檢測和跟蹤，并完成標記在三維空間中的定位，最后還原人手的操作信息。為了將可見光標記從背景環境以及人手中分離出來，需要選定合適的顏色空間；為了區分不同手指，需要設計不同顏色特征的可見光標記?？梢姽鈽擞浀臋z測分為兩個步驟進行：（一）搜尋色度分量滿足閾值范圍內的所有像素點進行質心計算；（二）采用區域生長法對檢測得到的可見光標記質心位置進行優化。

可見光標記的定位采用攝像機正交的方式，通過位置迭代的方式計算可見光標記在三維空間中的位置信息。正交攝像機的布置方式如圖4所示，攝像機的光軸分別沿X、Y、Z軸以正交的方式進行布置，且攝像機光心與原點（光軸交點）的距離分別為。

圖4　正交攝像機系統結構

2.3基于紅外標記的視覺交互方法

采用紅外動作跟蹤系統，其主體設備為紅外攝像機發出880納米波長的紅外光，在空間環境中被有特殊涂層的標記點反射后，由攝像機回收，于是產生該標記點六自由度的空間位置信息，通過工作站計算出標記點的位置和運動軌跡，從而實現對佩戴標記點的人進行動作捕捉。紅外攝像機捕捉標記設備位置這一過程的基本原理如圖5所示。

圖3　虛擬裝配的系統原理圖

圖5　攝像機捕捉標記設備位置原理圖

根據雙目視覺原理，兩臺位于不同安裝點的攝像機同時對某一標記點進行捕捉，所得到的兩幅灰度圖，通過圖像處理算法的解析，能夠求取該標記點在三維坐標系中的坐標值。

2.4定位信息融合

由于基于可見光標記的視覺交互和基于紅外標記的視覺交互，分別產生目標的三維位置信息。需要高效地完成兩個子系統的定位信息的融合，融合過程中，采用并行系統結構的分布式貝葉斯量化檢測方式，聯合設計最優融合規則以及各個子系統的最優量化規則，使定位信息融合軟件子系統的性能達到最優。

3　研究結果與展望

電纜網三維數字化設計及虛擬裝配方法的出現為解決電纜網電纜局部扭曲、對接力不均、擠壓等問題提供實用化途徑，該方法通過對電纜網進行三維數字化設計并建立與現場環境高度相似的虛擬裝配工藝設計與仿真環境，最終支持工藝師在虛擬環境下利用人機交互和虛擬裝配技術，直觀、優質、快速地完成復雜產品的裝配工藝設計；同時通過面向生產現場的三維工藝應用，提高裝配工人對裝配工藝的理解效率和準確性。

圖6　數字化設計及虛擬裝配流程

目前彈上電纜網三維數字化設計的相關技術已成熟并得到項目的廣泛應用；虛擬裝配技術目前僅在演示及交互簡單的裝配過程中得到應用，后期將在虛擬裝配集成算法方面加大研究，促進整個虛擬裝配流程的推廣。

參考文獻

[1]王志斌，劉檢華，劉佳順，寧汝新.面向電纜虛擬裝配仿真的多分支彈簧質點模型[J].機械工程學報，2014，50（3）：174-183.

[2]刁常堃，劉剛，侯向陽，王威.基于Pro/E 軟件的電纜三維設計及制造方法[J].信息化技術，2013，4（2）：46-53.

3-D Bunched Cable Net Design And Virtual Assembly Technology On Missiles

Meng Guangwei，Wang Meng，Gu Haoqing，Li Lin，Feng Kangjun
（Shanghai Electromechanical Engineering Institute，Shanghai，201109）

Abstract：In order to improve the qualified rate of bunched cable net during the missile assembling process，we adopt CHS and PRO/E software to digitalize the design of 3-D bunched cables， based on which we carry out the virtual assembly technology and simulation research， and finally improve the bunched cables assembly reliability。

Keywords：cable net；3-D；Virtual Assembly；reliability