民機機頭裝配廠房漫游系統關鍵技術研究

王焰 馮樂樂 馬志明 周普莉 李波

摘要：飛機機頭裝配廠房漫游系統的實現可為管理、技術人員或待培訓人員提供裝配工位布局最直觀的認知，為飛機制造企業的工人培訓活動帶來了便利。現利用CATIA對三維模型進行輕量化處理，然后將模型導入Unity3D，以第一人稱視角將整個裝配環境展現出來，實現各個工位裝配場景合理便捷的切換。

關鍵詞：漫游系統;三維模型簡化;Unity3D

0 ? ?引言

目前，廣泛應用于航空制造業的虛擬裝配仿真技術明顯加快了裝配工藝方案制定和實施的速度，有利于優化裝配工藝方案，從而有效保證裝配質量。在傳統的裝配過程中，經常會發生零部件間的干涉、裝配順序不合理或裝配工具工裝不方便等現象[1]。虛擬裝配仿真技術的應用，能在設計階段發現問題，有效減少設計錯誤、縮短研制周期、降低風險、節約成本[2]。基于實測模型進行數字化裝配，提取裝配件的實際關鍵尺寸，根據虛擬技術進行實測值的預裝配，從而提前發現干涉和不協調問題[3]，可以很大程度上提高裝配質量。Boeing777在研制的過程中，采用數字化、無紙化設計，并采用裝配仿真技術，使產品開發周期縮短了40%～60%，制造成本降低了30%～

40%[4]。而虛擬裝配廠房漫游系統以第一人稱的視角將整個裝配環境展現出來，能夠較逼真地讓人了解整個裝配工位布局及裝配流程，實現各個裝配場景之間合理便捷的切換。

本文以某型民機機頭為對象，重點研究該型民機機頭虛擬裝配廠房模型簡化與廠房漫游系統實現的關鍵技術，利用CATIA、3DSmax建模軟件和游戲開發引擎Unity3D，開發出了一套機頭虛擬裝配廠房漫游系統。

1 ? ?機頭虛擬裝配廠房漫游系統的實現流程

整個系統實現工作分為兩部分：一部分是三維模型的處理，另一部分是在Unity3D中的功能實現，具體流程如圖1所示。

首先在CATIA軟件中對飛機各個系統、零部件及場景模型進行輕量化處理，導入3DSMax軟件中進行模型優化、渲染和貼圖并導出FBX格式文件，然后將FBX格式文件導入Unity3D開發引擎中，使用開發工具和C#語言根據廠房漫游系統總體框架進行功能開發，包括系統UI及交互設計、漫游功能設計等，其中漫游功能設計包括虛擬環境展示、系統漫游及觀察、裝配工位信息展示等功能。

由于飛機機頭裝配廠房CATIA模型精度較高且存在大量的冗余數據，如直接用原有三維模型進行裝配仿真會對計算機硬件提出極高的要求[5]，所以為了后續裝配仿真工作能夠順利開展，首先要對原有機頭裝配場地三維模型進行輕量化處理。CATIA中的DMU優化器（DMU Optimizer）能夠通過豐富的計算工具，優化DMU模型數據的幾何表達方法，有效利用計算機資源，提高處理大型裝配的能力，有利于關聯和協同設計。

本文利用DMU優化器中的模型簡化（Simplification）功能對機頭裝配廠房模型進行輕量化處理，有效減少模型冗余數據，減小模型文件大小，同時可以保留選擇的模型精度。機頭裝配廠房部分模型輕量化后的結果如圖2所示。

從最終的簡化模型可以看出，相對于原模型，簡化模型會丟失一些面，但簡化后的模型經過優化，其精度對于后續的裝配仿真是足夠的。

2 ? ?某型民機機頭虛擬裝配廠房的漫游系統實現

2.1 ? ?整體功能介紹

根據實際需求，機頭虛擬裝配廠房漫游系統的整體功能分為三部分：

（1）整個虛擬裝配廠房分為上部、下部、零部件和系統填充4個區，用戶可以通過菜單選擇前往其中一個區進行裝配仿真。

（2）虛擬裝配環境展示功能。通過高還原度的三維模型來建立虛擬裝配廠房，整個裝配環境完全仿照現實，逼真度高，能呈現真實的裝配環境。

（3）漫游功能。用戶可通過按鈕按照設定的裝配路徑在不同的裝配工位之間進行切換，然后到達指定的工位進行仿真訓練。

2.2 ? ?漫游系統交互設計

用戶與系統的交互是用戶操作與體驗的部分，因此這部分設計對于整個系統至關重要。圖形用戶界面（Graphical User Interface）簡稱“GUI”，即采用圖形方式顯示的用戶操作界面，是交互系統設計最直接的成果。

當到達各個區域的起始工位后，用戶可以通過操作菜單選擇前后工位的切換，也可點擊“開始裝配”按鈕，進入裝配場景中進行裝配仿真，或者返回主菜單進行區域的重新選擇;同時，當前工位的信息也會通過Text文本簡要介紹，設計較為人性化。次級操作GUI界面如圖3所示。

2.3 ? ?漫游系統工位切換設計與實現

實現某型民機機頭虛擬裝配廠房漫游系統其中一個重要的目的是：為用戶提供合理的工位切換路徑以及便利的操作手段。與其他漫游系統最大的不同是：該漫游系統需要按照機頭裝配流程，沿著固定路徑進行漫游。為了能夠實現在眾多的裝配工位之間按照特定順序切換，該漫游系統引入有限狀態機，通過構建狀態機來控制漫游的位置。圖4為引入有限狀態機的工位切換狀態圖示意。

有限狀態機是一種概念性機器，它能采取某種操作來響應一個外部事件[6]。具體采取的操作不僅能取決于接收到的事件，還能取決于各個事件的相對發生順序。每個特定的工位對應一種狀態，裝配工位之間的切換就是狀態機中各個狀態的切換。有限狀態機的應用可以把多狀態間的轉換條件解耦，同時使得代碼更具有可讀性，維護起來更加容易。

3 ? ?結語

本文闡述了面向某型民機虛擬裝配的飛機機頭虛擬裝配廠房漫游系統的實現過程，重點介紹了虛擬廠房模型輕量化方法及漫游系統的功能設計。模型輕量化能夠降低后續裝配仿真系統對于計算機硬件的要求，使得虛擬仿真軟件開發效率大大提升。在漫游系統設計方面，為解決裝配工位較多，難以定位到特定工位這個問題，本系統將虛擬廠房劃分為多個區域，設計兩級菜單，提供合理的裝配路徑和工位切換方式。從最后實現的機頭虛擬裝配廠房漫游系統來看，整個系統虛擬環境非常逼真，GUI界面設計較為簡潔美觀，工位裝配場景切換方式合理便利，為后續虛擬仿真系統開發奠定了堅實的基礎。

[參考文獻]

[1] 張慶輝.虛擬裝配技術在飛機裝配中的應用[J].機電信息，2018（36）：97-98.

[2] 劉春，張洪瑞，史紅祥，等.裝配仿真技術及其在飛機裝配中的應用[J].航空制造技術，2015（15）：10-13.

[3] ZHANG H，FEI T M，GUAN W，et al.Research on visual 3D assembly process design and simulation for marine diesel engine[J].Cluster Computing，2019，22（2）：1-15.

[4] 謝振清.基于Unity3D的虛擬裝配技術研究與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2018.

[5] 姜麗萍，陳文亮，黃大興.基于輕量化模型的飛機裝配過程虛擬仿真方法[J].航空制造技術，2013（12）：26-29.

[6] 吳春波，蘇厚勤.基于有限狀態機模型的GUI設計及其應用[J].計算機應用與軟件，2010，27（11）：141-144.

收稿日期：2020-02-19

作者簡介：王焰（1979—），男，湖北鄂州人，高級工程師，研究方向：飛機制造、裝配信息化與自動化、飛機系統集成等。