航天產(chǎn)品虛擬裝配平臺(tái)搭建研究

李飛 郭胤 孫世光

（四川航天技術(shù)研究院第七設(shè)計(jì)部，成都 610100）

示系統(tǒng)中的第一人稱(chēng)視點(diǎn)保持一致，也可以顯示第三方視角，以便于觀眾觀察和理解操作人員的匯報(bào)思路。

圖1 虛擬裝配仿真系統(tǒng)平面圖

圖2 L型投影空間顯示

CAVE系統(tǒng)是一種高度沉浸式的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，其通常由4個(gè)投影面組成，其中3個(gè)投影面置于觀察者面前，剩下的1個(gè)置于底部，與其余3個(gè)投影面兩兩垂直，共同構(gòu)成了一個(gè)相對(duì)封閉、無(wú)縫拼接的立體空間，如圖3所示。每個(gè)投影面具有單獨(dú)的投影通道，可以形成各自獨(dú)立的視圖變換，觀察者通過(guò)頭部跟蹤設(shè)備或者液晶立體眼鏡可實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)所產(chǎn)生的影像并進(jìn)行相關(guān)操作。

圖3 CAVE投影空間顯示

該應(yīng)用模式的創(chuàng)新之處在于其能夠?qū)⒍嗳藚f(xié)同式操作實(shí)現(xiàn)聯(lián)合顯示，突破了傳統(tǒng)匯報(bào)展示模式只能展示單一視點(diǎn)模式的弱點(diǎn)，其更加貼近實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝配、維修過(guò)程中多人合作的工作模式。

3 虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)搭建及應(yīng)用

3.1 虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)搭建

在制定虛擬裝配仿真系統(tǒng)方案之后，接下來(lái)重要的工作就是虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)的搭建。虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)是一個(gè)多系統(tǒng)復(fù)合應(yīng)用的一體化平臺(tái)，其系統(tǒng)搭建如圖4所示，主要由中控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、軟件及圖形工作站組成，其中中控系統(tǒng)包括中控主機(jī)、中控觸摸屏和帶有繼電器模塊功能的燈光及環(huán)境設(shè)備等；顯示系統(tǒng)即為L(zhǎng)型投影系統(tǒng)和CAVE投影空間顯示；音響系統(tǒng)包括音頻處理器、功放器和音箱等；軟件及圖形工作站則是由多臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組合而成。

虛擬裝配仿真系統(tǒng)中的輸出信號(hào)共有4種，分別是：計(jì)算機(jī)信號(hào)、音頻信號(hào)、控制信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。計(jì)算機(jī)信號(hào)連接顯示器和軟件及圖形工作站，并同時(shí)由移動(dòng)計(jì)算機(jī)終端向虛擬穿戴設(shè)備上輸出；音頻信號(hào)從軟件及圖形工作站連接音頻處理器和功放后到音箱輸出，實(shí)現(xiàn)視頻和音頻完全同步；控制信號(hào)由中控系統(tǒng)通過(guò)繼電器模塊來(lái)控制燈光和環(huán)境設(shè)備，通過(guò)交換機(jī)作為中轉(zhuǎn)站；網(wǎng)絡(luò)信號(hào)在移動(dòng)計(jì)算機(jī)終端和軟件及圖形工作站間交互，并可直接傳遞至4K投影機(jī)中來(lái)實(shí)現(xiàn)大屏幕全屏立體顯示及二維顯示。

圖4 虛擬裝配平臺(tái)系統(tǒng)連接圖

3.2 虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用

虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)目前在航天工程領(lǐng)域主要有兩方面的應(yīng)用，一個(gè)是航天產(chǎn)品的裝配干涉檢測(cè)，另一個(gè)是航天產(chǎn)品的裝配路徑規(guī)劃。這兩項(xiàng)應(yīng)用可極大提高裝配效率。

3.2.1 裝配干涉檢查

航天產(chǎn)品屬于典型的復(fù)雜產(chǎn)品，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣，多由幾個(gè)具有特定功能的艙段組成，單個(gè)獨(dú)立的艙段安裝及各艙段之間的對(duì)接安裝都是裝配過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。典型航天產(chǎn)品的裝配流程如下：針對(duì)單個(gè)艙段，先進(jìn)行剛性零件和柔性零件的分類(lèi)，剛性零件主要包括各類(lèi)支架等，柔性零件則主要包括電纜電線等。艙段的裝配也就是將各種剛性零件、柔性零件及各種單機(jī)等儀器設(shè)備逐步裝配至完整系統(tǒng)，然后再進(jìn)行艙段之間的對(duì)接安裝，從而最終形成一個(gè)完整的產(chǎn)品。過(guò)程中對(duì)裝配的技術(shù)和精度要求都較高，同時(shí)，隨著航天產(chǎn)品向著一體化和小型輕量化方向發(fā)展，艙段內(nèi)的操作空間越來(lái)越有限，這就對(duì)裝配工人及裝配工具提出了更高的要求，也增加了裝配過(guò)程中出錯(cuò)的概率。針對(duì)航天產(chǎn)品的這些特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行裝配干涉檢查是必須的。

虛擬裝配仿真系統(tǒng)所要達(dá)到的效果是給使用者呈現(xiàn)出“物理存在”的實(shí)物，這樣才可以形成與現(xiàn)實(shí)操作情況的高度統(tǒng)一。例如，當(dāng)操作者準(zhǔn)備將一個(gè)支架通過(guò)螺釘固定在艙段內(nèi)壁的筋條上時(shí)，系統(tǒng)必須檢查到支架與筋條之間有接觸后，才能進(jìn)一步觸發(fā)螺釘擰緊的動(dòng)作，而且在裝配的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻檢測(cè)零件間是否發(fā)生了接觸碰撞動(dòng)作，只有通過(guò)接觸碰撞檢測(cè)，后續(xù)的操作才會(huì)觸發(fā)，這樣的系統(tǒng)設(shè)置更接近展現(xiàn)出真實(shí)的情況。

實(shí)現(xiàn)虛擬裝配操作的基礎(chǔ)即是系統(tǒng)能夠識(shí)別出零件之間接觸、碰撞的相關(guān)作用，并能對(duì)其做出快速正確的響應(yīng)，干涉檢測(cè)是保證虛擬裝配正常合理運(yùn)作的重要步驟。

虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)搭載的Makereal 3D軟件具備專(zhuān)業(yè)物理引擎Unreal Engine 4(UE4)，可實(shí)現(xiàn)箱體、球體、凸多邊形和凹多邊形的物理碰撞檢測(cè)，其打開(kāi)界面如圖5所示，在主頁(yè)面可依次選擇檢測(cè)型號(hào)及檢測(cè)內(nèi)容，即可對(duì)裝配過(guò)程中的零件干涉情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

圖5 虛擬裝配系統(tǒng)干涉檢測(cè)軟件界面

3.2.2 裝配路徑規(guī)劃

由于航天產(chǎn)品裝配工藝的復(fù)雜性，通常需要物理模型來(lái)驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)的正確性。具體做法就是工廠根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙制造出試驗(yàn)件，然后設(shè)計(jì)人員和工藝人員一起對(duì)這些試驗(yàn)件進(jìn)行模裝試配，通過(guò)反復(fù)拆卸和重裝來(lái)得出最佳的裝配順序和路徑，最后將結(jié)果反饋到設(shè)計(jì)圖紙中進(jìn)行圖紙的定型，以達(dá)到裝配路徑優(yōu)化的目的。針對(duì)航天產(chǎn)品的這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃是必須的。

裝配路徑的定義即為連接裝配起點(diǎn)和裝配終點(diǎn)的序列點(diǎn)或者曲線。對(duì)裝配路徑優(yōu)劣的篩選則被稱(chēng)為裝配路徑的規(guī)劃。虛擬環(huán)境中要表現(xiàn)一個(gè)零件的裝配過(guò)程，就需要做出一條裝配的路徑，這是虛擬裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配路徑規(guī)劃，主要是指利用設(shè)計(jì)人員的主觀設(shè)計(jì)能力和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，通過(guò)人機(jī)間的交互，實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品的實(shí)際裝配過(guò)程，通過(guò)對(duì)裝配的步驟和路徑進(jìn)行有效記錄，以便后期通過(guò)查詢(xún)來(lái)進(jìn)行初始裝配路徑的優(yōu)化。實(shí)時(shí)的干涉檢測(cè)和精確的定位技術(shù)是保證裝配路徑有效性的關(guān)鍵。

需要注意的是在虛擬裝配過(guò)程中，對(duì)于較復(fù)雜艙段的裝配，其內(nèi)部零部件并不是一步就可以裝配到位，往往需要多個(gè)步驟同時(shí)進(jìn)行。例如，一根電纜線需在多個(gè)艙段間裝配時(shí)，一方面要注意電纜線和電纜支架的固定，另一方面也要注意電纜線和電纜卡箍的固定，同時(shí)還不能忽略電纜在艙段對(duì)接處的固定。總而言之，零件或線纜在裝配時(shí)，多個(gè)動(dòng)作可能是同時(shí)或是交錯(cuò)進(jìn)行的，這時(shí)就需要借助時(shí)序圖來(lái)準(zhǔn)確描述裝配時(shí)序這個(gè)過(guò)程，從而具體描述各種有可能發(fā)生的裝配情況。圖6所示的是UE4物理引擎特有的藍(lán)圖編輯器，從圖中可以清楚識(shí)別裝配的路徑順序及動(dòng)作觸發(fā)過(guò)程：當(dāng)螺栓與安裝面接觸時(shí)，會(huì)有一個(gè)Break Rotator的觸發(fā)，接著沿旋轉(zhuǎn)軸Z會(huì)有一個(gè)擰動(dòng)螺栓進(jìn)行裝配的動(dòng)作。而后續(xù)的螺栓分別向前方（Foward）和右側(cè)（Right）兩個(gè)方向的安裝面同時(shí)進(jìn)行裝配動(dòng)作。

圖6 虛擬裝配路徑規(guī)劃時(shí)序圖

從圖6中可以看出：在一段時(shí)間內(nèi)，單個(gè)零件有多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在其時(shí)間間隔內(nèi)，應(yīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)；單個(gè)零件只允許存在一條仿真路徑，其有多個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作應(yīng)按時(shí)序整合為一條；多個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)時(shí)間允許有重疊或交錯(cuò)，當(dāng)觸發(fā)仿真動(dòng)作時(shí)，則應(yīng)按時(shí)序并發(fā)執(zhí)行。

4 虛擬裝配物理樣機(jī)應(yīng)用

在虛擬裝配仿真系統(tǒng)平臺(tái)上的物理樣機(jī)應(yīng)用，其內(nèi)容包括使用CAD數(shù)據(jù)模型，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化整理和程序設(shè)計(jì)，完成航天產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)的檢測(cè)交互性?xún)?nèi)容，可以實(shí)現(xiàn)指定單機(jī)模塊的檢測(cè)，將檢測(cè)的信息反饋到界面中。

實(shí)際操作效果如圖7所示，將一個(gè)已經(jīng)裝配完整的航天產(chǎn)品三維模型導(dǎo)入Makereal 3D軟件中，具體檢測(cè)操作過(guò)程如下：在虛擬環(huán)境中將手柄移動(dòng)到產(chǎn)品附近，并用手柄發(fā)出來(lái)的射線指向產(chǎn)品的檢測(cè)插口位置，點(diǎn)擊手柄扳機(jī)鍵可打開(kāi)插口蓋。

圖7 檢測(cè)插口位置操作

進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部視角可以查看各零部件的裝配情況，在線檢測(cè)干涉區(qū)域，并將干涉狀態(tài)反饋回主機(jī)，進(jìn)行故障分析并設(shè)立故障點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)模型狀態(tài)樹(shù)可以清楚看到部件的裝配順序，也可以爆炸圖的模式將裝配部件分散開(kāi)，同時(shí)在主機(jī)仿真軟件中同步實(shí)現(xiàn)狀態(tài)展示，而在Makereal 3D軟件中進(jìn)行約束和物理屬性設(shè)計(jì)，可完成裝配交互文件制作，如圖8所示。

圖8 仿真軟件裝配制作顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

全數(shù)字虛擬裝配仿真系統(tǒng)旨在為航天設(shè)計(jì)及工藝人員提供一個(gè)良好的仿真環(huán)境，該系統(tǒng)應(yīng)具備使用全數(shù)字仿真、虛擬裝備，以及人機(jī)交互可能需要的各種功能，并可以通過(guò)該系統(tǒng)獲取從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)所需要的各種信息。通過(guò)該系統(tǒng)的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)展統(tǒng)籌能力建設(shè)并提升產(chǎn)品研制能力，借助該虛擬數(shù)字化技術(shù)，能夠構(gòu)建一個(gè)集產(chǎn)品預(yù)研、設(shè)計(jì)、裝配、工藝規(guī)劃及驗(yàn)證、生產(chǎn)、制造及產(chǎn)品性能演示等為一體的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真驗(yàn)證平臺(tái)等兩個(gè)主要目標(biāo)。