航天產品虛擬裝配平臺搭建研究

李飛 郭胤 孫世光

（四川航天技術研究院第七設計部，成都 610100）

示系統中的第一人稱視點保持一致，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思路。

圖1 虛擬裝配仿真系統平面圖

圖2 L型投影空間顯示

CAVE系統是一種高度沉浸式的虛擬現實系統，其通常由4個投影面組成，其中3個投影面置于觀察者面前，剩下的1個置于底部，與其余3個投影面兩兩垂直，共同構成了一個相對封閉、無縫拼接的立體空間，如圖3所示。每個投影面具有單獨的投影通道，可以形成各自獨立的視圖變換，觀察者通過頭部跟蹤設備或者液晶立體眼鏡可實時跟蹤系統所產生的影像并進行相關操作。

圖3 CAVE投影空間顯示

該應用模式的創新之處在于其能夠將多人協同式操作實現聯合顯示，突破了傳統匯報展示模式只能展示單一視點模式的弱點，其更加貼近實際產品設計、裝配、維修過程中多人合作的工作模式。

3 虛擬裝配仿真系統平臺搭建及應用

3.1 虛擬裝配仿真系統平臺搭建

在制定虛擬裝配仿真系統方案之后，接下來重要的工作就是虛擬裝配仿真系統平臺的搭建。虛擬裝配仿真系統平臺是一個多系統復合應用的一體化平臺，其系統搭建如圖4所示，主要由中控系統、顯示系統、音響系統、軟件及圖形工作站組成，其中中控系統包括中控主機、中控觸摸屏和帶有繼電器模塊功能的燈光及環境設備等；顯示系統即為L型投影系統和CAVE投影空間顯示；音響系統包括音頻處理器、功放器和音箱等；軟件及圖形工作站則是由多臺高性能計算機組合而成。

虛擬裝配仿真系統中的輸出信號共有4種，分別是：計算機信號、音頻信號、控制信號、網絡信號。計算機信號連接顯示器和軟件及圖形工作站，并同時由移動計算機終端向虛擬穿戴設備上輸出；音頻信號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，實現視頻和音頻完全同步；控制信號由中控系統通過繼電器模塊來控制燈光和環境設備，通過交換機作為中轉站；網絡信號在移動計算機終端和軟件及圖形工作站間交互，并可直接傳遞至4K投影機中來實現大屏幕全屏立體顯示及二維顯示。

圖4 虛擬裝配平臺系統連接圖

3.2 虛擬裝配仿真系統平臺應用

虛擬裝配仿真系統平臺目前在航天工程領域主要有兩方面的應用，一個是航天產品的裝配干涉檢測，另一個是航天產品的裝配路徑規劃。這兩項應用可極大提高裝配效率。

3.2.1 裝配干涉檢查

航天產品屬于典型的復雜產品，其產品結構多樣，多由幾個具有特定功能的艙段組成，單個獨立的艙段安裝及各艙段之間的對接安裝都是裝配過程中的重點和難點。典型航天產品的裝配流程如下：針對單個艙段，先進行剛性零件和柔性零件的分類，剛性零件主要包括各類支架等，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等儀器設備逐步裝配至完整系統，然后再進行艙段之間的對接安裝，從而最終形成一個完整的產品。過程中對裝配的技術和精度要求都較高，同時，隨著航天產品向著一體化和小型輕量化方向發展，艙段內的操作空間越來越有限，這就對裝配工人及裝配工具提出了更高的要求，也增加了裝配過程中出錯的概率。針對航天產品的這些特點，對其進行裝配干涉檢查是必須的。

虛擬裝配仿真系統所要達到的效果是給使用者呈現出“物理存在”的實物，這樣才可以形成與現實操作情況的高度統一。例如，當操作者準備將一個支架通過螺釘固定在艙段內壁的筋條上時，系統必須檢查到支架與筋條之間有接觸后，才能進一步觸發螺釘擰緊的動作，而且在裝配的過程中，系統會時刻檢測零件間是否發生了接觸碰撞動作，只有通過接觸碰撞檢測，后續的操作才會觸發，這樣的系統設置更接近展現出真實的情況。

實現虛擬裝配操作的基礎即是系統能夠識別出零件之間接觸、碰撞的相關作用，并能對其做出快速正確的響應，干涉檢測是保證虛擬裝配正常合理運作的重要步驟。

虛擬裝配仿真系統平臺搭載的Makereal 3D軟件具備專業物理引擎Unreal Engine 4(UE4)，可實現箱體、球體、凸多邊形和凹多邊形的物理碰撞檢測，其打開界面如圖5所示，在主頁面可依次選擇檢測型號及檢測內容，即可對裝配過程中的零件干涉情況進行實時動態檢測。

圖5 虛擬裝配系統干涉檢測軟件界面

3.2.2 裝配路徑規劃

由于航天產品裝配工藝的復雜性，通常需要物理模型來驗證工藝設計的正確性。具體做法就是工廠根據設計圖紙制造出試驗件，然后設計人員和工藝人員一起對這些試驗件進行模裝試配，通過反復拆卸和重裝來得出最佳的裝配順序和路徑，最后將結果反饋到設計圖紙中進行圖紙的定型，以達到裝配路徑優化的目的。針對航天產品的這個特點，對其進行裝配路徑規劃是必須的。

裝配路徑的定義即為連接裝配起點和裝配終點的序列點或者曲線。對裝配路徑優劣的篩選則被稱為裝配路徑的規劃。虛擬環境中要表現一個零件的裝配過程，就需要做出一條裝配的路徑，這是虛擬裝配系統實現自動裝配運動的基礎。

基于虛擬現實的裝配路徑規劃，主要是指利用設計人員的主觀設計能力和計算機的計算能力，通過人機間的交互，實現虛擬產品的實際裝配過程，通過對裝配的步驟和路徑進行有效記錄，以便后期通過查詢來進行初始裝配路徑的優化。實時的干涉檢測和精確的定位技術是保證裝配路徑有效性的關鍵。

需要注意的是在虛擬裝配過程中，對于較復雜艙段的裝配，其內部零部件并不是一步就可以裝配到位，往往需要多個步驟同時進行。例如，一根電纜線需在多個艙段間裝配時，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，同時還不能忽略電纜在艙段對接處的固定。總而言之，零件或線纜在裝配時，多個動作可能是同時或是交錯進行的，這時就需要借助時序圖來準確描述裝配時序這個過程，從而具體描述各種有可能發生的裝配情況。圖6所示的是UE4物理引擎特有的藍圖編輯器，從圖中可以清楚識別裝配的路徑順序及動作觸發過程：當螺栓與安裝面接觸時，會有一個Break Rotator的觸發，接著沿旋轉軸Z會有一個擰動螺栓進行裝配的動作。而后續的螺栓分別向前方（Foward）和右側（Right）兩個方向的安裝面同時進行裝配動作。

圖6 虛擬裝配路徑規劃時序圖

從圖6中可以看出：在一段時間內，單個零件有多種運動狀態時，在其時間間隔內，應處于靜止狀態；單個零件只允許存在一條仿真路徑，其有多個運動動作應按時序整合為一條；多個零件的運動時間允許有重疊或交錯，當觸發仿真動作時，則應按時序并發執行。

4 虛擬裝配物理樣機應用

在虛擬裝配仿真系統平臺上的物理樣機應用，其內容包括使用CAD數據模型，對模型進行優化整理和程序設計，完成航天產品數字樣機的檢測交互性內容，可以實現指定單機模塊的檢測，將檢測的信息反饋到界面中。

實際操作效果如圖7所示，將一個已經裝配完整的航天產品三維模型導入Makereal 3D軟件中，具體檢測操作過程如下：在虛擬環境中將手柄移動到產品附近，并用手柄發出來的射線指向產品的檢測插口位置，點擊手柄扳機鍵可打開插口蓋。

圖7 檢測插口位置操作

進入產品內部視角可以查看各零部件的裝配情況，在線檢測干涉區域，并將干涉狀態反饋回主機，進行故障分析并設立故障點。同時通過模型狀態樹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，同時在主機仿真軟件中同步實現狀態展示，而在Makereal 3D軟件中進行約束和物理屬性設計，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 結束語

全數字虛擬裝配仿真系統旨在為航天設計及工藝人員提供一個良好的仿真環境，該系統應具備使用全數字仿真、虛擬裝備，以及人機交互可能需要的各種功能，并可以通過該系統獲取從設計到生產所需要的各種信息。通過該系統的建設，可實現開展統籌能力建設并提升產品研制能力，借助該虛擬數字化技術，能夠構建一個集產品預研、設計、裝配、工藝規劃及驗證、生產、制造及產品性能演示等為一體的虛擬現實仿真驗證平臺等兩個主要目標。