面向虛擬維修的零件層次結(jié)構(gòu)模型

倪福武

（中國石油大慶石化公司設(shè)備維修中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

產(chǎn)品的屬性是在設(shè)計(jì)時(shí)就擬定完成的，但只有在成品設(shè)備維修時(shí)才能發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷，這種“慣性作用”也導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷在設(shè)計(jì)階段無法被發(fā)現(xiàn)，而被帶入實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)。產(chǎn)品的維修是一系列活動的總稱，包括維修準(zhǔn)備、故障判斷、零件更換、設(shè)備調(diào)整、設(shè)備驗(yàn)收等。在所有活動中又以零件的更換為主，設(shè)備拆卸與安裝也是設(shè)備維修的重點(diǎn)和難點(diǎn)，拆卸是為了滿足設(shè)備維修所做的必要工作，是從設(shè)備上將安裝好的零件拆卸下來，安裝是將新的部件安裝到原有設(shè)備之上，與其他部件一起組成完整的設(shè)備。為了提高設(shè)備維修的效率，降低維修成本，從模擬裝配的角度，分析設(shè)備裝配參數(shù)和人機(jī)交互要求等內(nèi)容，以零件三維模型為基礎(chǔ)，在設(shè)備裝配環(huán)境中進(jìn)行自由度約束、干涉檢查等環(huán)節(jié)的研究，建立一個(gè)虛擬的設(shè)備維修平臺，并與傳動軸總成作為案例進(jìn)行過程演示與分析。結(jié)果顯示，本次研究所建立的虛擬裝配是非常成功的，為設(shè)備的虛擬維修起到了很好的借鑒作用。

1 面向維修的零件層次結(jié)構(gòu)模型

為了使模擬維修更加符合真實(shí)場景，零件的三維模型必須與實(shí)際環(huán)境相一致，將零件的幾何形狀、材料、光照、顏色等特征全部按照實(shí)際環(huán)境設(shè)置，使維修人員能夠獲得與真實(shí)場景相同的感官體驗(yàn)，這就要求虛擬維修平臺必須具備精確的幾何外形、物理屬性、碰撞包圍體、裝配特征和參數(shù)等信息的仿真能力。

為了解決虛擬維修中的信息協(xié)同問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于零件特征的模型，這種模型使用零件不同的特征信息對零件進(jìn)行定義，以特征作為零件約束的基本元素，實(shí)現(xiàn)零件位置等的約束。采用分層設(shè)計(jì)，將三維零件模型分為零件層和特征層，并使其信息相互關(guān)聯(lián)，每步操作都會引起信息的聯(lián)動，以保障零件信息的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。在零件層中，以零件的物理屬性要素作為控制零件的節(jié)點(diǎn)，來表達(dá)維修時(shí)所需的公共數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)零件狀態(tài)的判斷，與操作者的交互，負(fù)責(zé)管理零件的外形渲染、外輪廓碰撞等功能。在特征層中，以零件的特征要素作為控制節(jié)點(diǎn)，儲存零件自身的信息，是以零件坐標(biāo)系建立的特征管理，記錄著文件中各特征的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)零件特征的編輯、修改、重建等功能，在這一層中主要以內(nèi)部約束為主，也會與主要外部約束相關(guān)聯(lián)。零件上的面面、面線、線線約束和零件之間的位置約束都可以在兩個(gè)層中自由定義，但要遵循一定的邏輯，避免發(fā)生約束沖突，最終實(shí)現(xiàn)零件配合約束的定義和表達(dá)。

本文基于Unity 軟件實(shí)現(xiàn)，采用C#語言編寫了軟件界面和零件的定義功能，能夠完整顯示零件的各項(xiàng)信息和特征。

（1）零件干涉價(jià)差。基于上述兩個(gè)零件層的信息關(guān)聯(lián)，軟件首先檢查干涉的種類和位置，如零件外輪廓的某個(gè)部位存在干涉，軟件會進(jìn)行凸體碰撞計(jì)算；如內(nèi)輪廓的某部位存在干涉，軟件也會按照相應(yīng)的法則進(jìn)行碰撞計(jì)算；如鍵槽或孔發(fā)生干涉，軟件根據(jù)碰撞的位置檢查零件的幾何參數(shù)，從而判斷是否產(chǎn)生干涉。

（2）零件物理屬性。為了使虛擬裝配體更接近于現(xiàn)實(shí)，能夠表現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)中的運(yùn)動形式，使各零件之間的相互作用符合現(xiàn)實(shí)規(guī)律，需要對零件的物理特性進(jìn)行詳細(xì)定義，使三維模型獲得真實(shí)環(huán)境中具有的物理屬性，設(shè)置零件的質(zhì)量、彈性模量、摩擦因數(shù)等參數(shù)，本次研究設(shè)置零件的阻尼系數(shù)為10，摩擦因數(shù)等數(shù)值參考真實(shí)數(shù)據(jù)。

（3）零件外輪廓包圍體。在軟件中采用一定的算法對零件的物理特征進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)實(shí)體間的相互作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)中可以通過包圍體來確定物體的體積和位置，包圍體的種類很多，常見的有AABB（Axis-Aligned Bounding Box，軸對齊包圍盒）、OBB（Oriented Bounding Box，有向包圍盒）與FDH（Fixed Directions Hulls，固定有向凸包）等類型，AABB 包圍體類型是基于坐標(biāo)軸產(chǎn)生的多個(gè)六面體，采用無限逼近的方式生成實(shí)體，具有計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，但計(jì)算精度較差，對細(xì)小位置的干涉檢查效果不好。OBB包圍體類型是由基于坐標(biāo)軸產(chǎn)生的多個(gè)長方體組成，逼近實(shí)體的效果更好，不僅能縮減所需包圍體的數(shù)量，以提高計(jì)算效率，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜實(shí)體的生成，但計(jì)算精度仍無法滿足本次研究的需求。FDH 包圍盒基于軸向突體產(chǎn)生實(shí)體，能夠建成更加符合零件幾何形狀的實(shí)體，所構(gòu)建的實(shí)體更接近于實(shí)際場景，計(jì)算精度很高，但需要較長的計(jì)算時(shí)間，對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也有較高的要求。根據(jù)本次研究的虛擬維修所需要的細(xì)節(jié)表現(xiàn)要求，選擇FDH 包圍盒作為實(shí)體創(chuàng)建的包圍體類型，以實(shí)現(xiàn)高精度的干涉檢查效果。此外，本次研究還將采用頂點(diǎn)集與外輪廓的形式建立實(shí)體模型。

2 基于特征的約束動態(tài)識別

在軟件中，零件的特征約束可以自動識別，判斷線線、線面、面面之間的約束關(guān)系，最終形成以外輪廓為基礎(chǔ)的碰撞檢測，使零件本身或與其他零件不會形成穿透關(guān)系，零件的6 個(gè)自由度如果存在一定數(shù)量的約束，則按照剩余自由度進(jìn)行運(yùn)動。零件在運(yùn)動過程中與其他零件進(jìn)行碰撞檢測，判斷是否有新的約束關(guān)系產(chǎn)生，若存在有效的約束關(guān)系，則通過特征約束的求解，計(jì)算零件的變換矩陣，實(shí)現(xiàn)零件的精確定位，完成零件的拆卸和裝配。

3 虛擬手交互及動作響應(yīng)

虛擬手交互及動作響應(yīng)是虛擬維修中操作零件的重要方式，通過不同的手勢來對不同的零件進(jìn)行操作，這里不同的零件是指形狀、重量有所區(qū)別的零件，通過手勢來改變零件的位置，使零件發(fā)生運(yùn)動，來實(shí)現(xiàn)零件的拆卸和安裝。

虛擬手主要包含手指位置、方向等參數(shù)，這些參數(shù)也是判斷虛擬手手勢的依據(jù)，不同手勢與零件的操作是相對應(yīng)的，軟件會自動判斷零件是否能夠被抓取，避免虛擬手與場景中的背景物體發(fā)生交互。通過虛擬手各部位與零件的接觸狀態(tài)來判斷當(dāng)前的抓取動作類型，當(dāng)手指位置、手掌與零件接觸位置、零件的抓取狀態(tài)3 個(gè)參數(shù)均滿足抓取條件時(shí)，才能完成零件的抓取，否則會提示操作者重新進(jìn)行拾取。

4 非凸體零件干涉檢查

零件干涉是指零件輪廓的相互接觸和觸碰對零件自由度的影響，使零件無法按照操作者的要求進(jìn)行特定方向的移動，這也是虛擬維修與現(xiàn)實(shí)相統(tǒng)一的基礎(chǔ)。進(jìn)行虛擬維修時(shí)，軟件會檢查零件的干涉，即尺寸參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢查等，檢查零件是否能夠達(dá)到預(yù)定位置，檢查空間是否滿足操作要求，手或工具能否具有足夠的空間實(shí)施相應(yīng)的操作。

以某傳動軸總成上的隔環(huán)裝配為例（圖1）。在虛擬維修中，軟件首先進(jìn)行外輪廓干涉檢查，當(dāng)傳動軸總成中的隔環(huán)與軸產(chǎn)生碰撞，系統(tǒng)會按照碰撞約束對兩個(gè)零件進(jìn)行狀態(tài)確定，使這兩個(gè)零件不發(fā)生穿透，再根據(jù)其他參數(shù)進(jìn)行匹配，通過同軸約束確定隔環(huán)和軸的唯一位置。

圖1 隔環(huán)在虛擬裝配中的干涉檢查及裝配

5 軸系零件維修過程的裝配

本文使用Unity3D 渲染引擎作為零件三維模型的基礎(chǔ)，整個(gè)虛擬維修界面分為零件模型、維修區(qū)域、命令欄3 個(gè)部分（圖2）。在界面最左側(cè)為零件模型區(qū)域，在這一區(qū)域中有供選擇的零件模型；界面上方為命令欄顯示區(qū)域，顯示電子手冊和零件的基本信息，羅列所需的交互命令；界面的中間為維修區(qū)域，記錄操作者的維修動作和順序。虛擬手通過交互面板進(jìn)行控制，操作者可以利用終端設(shè)備同步自身動作（圖3）。

圖2 虛擬維修環(huán)境場景

圖3 虛擬環(huán)境中的人機(jī)交互

在傳動軸總成的裝配中，以模擬現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行裝配，驗(yàn)證虛擬維修的可行性。為了簡化裝配過程，默認(rèn)所有零件均處于自由狀態(tài)，通過零件的堆疊實(shí)現(xiàn)零件裝配。主界面中僅顯示主要零件，緊固件等次要零件被隱藏。裝配步驟如下：垂直放置傳動軸，從上至下安裝軸承。在圖4a）可以看到傳動軸被垂直放于地面；圖4b）中顯示了軸承的安裝過程，軸承與傳動軸之間建立軸孔約束，使軸承只能沿著柱面滑動；滑動到圖4c）所示位置后，軸承與軸肩碰撞而無法繼續(xù)移動，這時(shí)面面約束發(fā)生作用，表明軸承已安裝到指定位置。

6 結(jié)論

基于Unity3D 創(chuàng)建的虛擬維修平臺可以方便地實(shí)現(xiàn)零件的虛擬裝配，整個(gè)虛擬維修界面分為零件模型、維修區(qū)域、命令欄3 個(gè)部分。該軟件將三維零件模型分為零件層和特征層，并使其信息相互關(guān)聯(lián)，每步操作都會引起信息的聯(lián)動，通過虛擬手實(shí)現(xiàn)零件的裝配，在裝配過程中自動進(jìn)行零件的干涉檢查。通過傳動軸總成的裝配驗(yàn)證了虛擬維修平臺的功能，結(jié)果表明該平臺具備完善的碰撞、干涉檢查算法，操作者可以自由定義零件間的約束，進(jìn)行零件的拆卸和裝配，為設(shè)備維修提供了廣泛的思路。