基于虛擬裝配技術的船舶制造現場可視化

富威，鄭志軍，龔軍軍，徐蕓潔

哈爾濱工程大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

如今的中國已從昔日的有海無防，躋身到海上強國。中國船舶工業用了30 多年的時間，在一窮二白的基礎上，建立了比較完整的船舶工業體系，又用了20 多年的時間，發展成為世界第三造船大國，2010 年以后，中國的造船總量開始超過韓國，成為世界第一造船大國。但是造船大國與造船強國之間仍然存在一定的差距，中國若要成為造船強國，就必須在船舶的設計與制造階段突破傳統的造船方式，學習先進的造船技術，提高造船質量，降低生產成本，縮短制造周期。與其他應用數字化程度較高的制造行業相比，船舶行業仍然具有較高的勞動密集型特點。若要完整地制造出一艘輪船，所涉及到的構件數量應在千萬級別以上，船體分段的大部分裝配工作，都是通過生產現場的裝配人員完成[1]。

據調研顯示，日韓等國家在船舶產品的生產過程中，會安排30%左右的人力從事與船體裝配有關的工作；船體裝配所需要的工時占船舶制造過程總工時的50%左右，裝配成本占生產成本的40%左右。由此可見，船體分段的裝配過程在船舶制造過程中占據著十分重要的環節，船體分段裝配過程的改進和完善對于提高造船質量、縮短制造周期、降低生產成本具有重大的意義。

目前，我國造船廠針對船體分段制造過程所使用的設計工具和設計方法仍然比較落后，主要是通過設計人員根據自身的經驗，對船體分段的制造過程進行設計。由于船體分段在制造過程中，涉及到的構件數量十分龐大、裝配過程非常復雜，設計人員僅憑自己的工作經驗和所學知識，很難在船體分段的設計階段準確把握裝配序列的可行性、施工過程的復雜性和施工空間的開闊性等影響生產進度的因素，從而使很多潛在的問題不能在設計階段顯現出來，只能在真實的制造過程中暴露出來，導致制造成本和制造時間具有不確定性[2-3]。在國外Murali 等[4]通過分析產品中各個零部件之間的約束方向，提出了基于約束分析理論的裝配序列規劃方法，該方法能夠求出產品中各個零部件的裝配優先關系，從而生成裝配序列；Deepak 等[5]通過對產品的層次關系圖進行研究，提出了運用軟件計算的方法，解決了產品的裝配序列規劃問題；Kumar 等[6]在對多模型裝配系統進行研究時，將可行的裝配序列進行了重構，使用戶能夠指出干涉零件子集，從而設計出多模型重構裝配系統，便于產品生成可行的裝配序列。

國外對于虛擬裝配技術的裝配路徑規劃問題研究較早，如Soran 等[7]通過研究零部件拆卸方向時的角度，確定出產品零部件的裝配路徑；Ghandi 等[8]通過對零部件的拆卸類型進行分類研究，得出了根據拆卸類型生成的優化拆卸路徑；Pan 等[9]提出的位姿空間法，實際上就是用空間中的一個點來代替運動部件的位姿，從而實現無碰撞的路徑規劃；Wei 等[10]提出的復雜環境下裝配路徑的輔助方法，能夠得出零部件在簡單結構中的平移運動路徑規劃；Samir 等[11]通過提出虛擬現實的近似捕捉概念，研發出了一種虛擬裝配規劃系統，當產品模型在該系統內進行裝配時，零部件在靠近預設位置時，能夠通過交互操作自動完成裝配；Han 等[12]通過采用虛擬原型技術，設計出的虛擬原型飛機，包括了三百多萬個基本的零部件，使設計人員和施工人員能夠在該場景中自由穿行，查看任意零部件的裝配路徑及裝配信息。

為了解決制造過程中所暴露的問題，施工人員不得不對問題產品進行返工處理，這樣不僅會增加生產成本、降低工作效率，甚至會影響船體分段的整體質量。

1 船體分段的虛擬裝配流程

虛擬裝配過程主要是對裝配過程中的每一步操作進行細化和分析，從而明確裝配方案。將裝配方案導入到虛擬環境內，模擬裝配過程中所涉及到的零部件、裝配工具和施工人員的運動情況，對零部件的裝配序列進行規劃，并對各個零部件之間或者零部件與裝配工具之間是否存在干涉現象進行檢測，從而評估裝配方案的可行性。

虛擬裝配是通過對裝配過程中的每一步操作進行分析與驗證，從而對裝配方案的可行性進行評估的過程。本文主要是基于DELMIA 仿真軟件對虛擬裝配技術進行研究的，船體分段的虛擬裝配流程如圖1 所示。

圖1 船體分段的虛擬裝配流程

1)創建裝配模型

本文所研究的船體分段模型是使用CATIA三維設計軟件建立的。在船體分段的設計階段，設計人員會根據船體分段的特點進行待裝配構件的建模，完成建模后，將其裝配成船體分段模型，完成船體分段的三維模型建立[13]。

2)創建虛擬裝配環境

創建虛擬裝配環境的前提是要先完成對現場裝配資源三維模型庫的構建。現場裝配資源的三維模型庫主要包括廠房模型、產線模型、設備模型和夾具模型等。通過對船體分段三維模型和現場裝配資源三維模型庫的建立，可以在DELMIA仿真軟件中將其導入，并創建出虛擬裝配環境。

3)裝配工藝規劃

船體分段的裝配工藝規劃是虛擬裝配過程中重要的部分之一，其任務主要是制定合理的船體分段裝配流程。主要研究內容包括劃分裝配單元、確定裝配序列、創建裝配動作、確定焊接形式和確定約束關系等。

4)人機工程分析

目前船體分段的裝配過程仍以手工裝配為主，因此應考慮到裝配過程的可達性、可視性和舒適性等因素對施工人員的影響。

5)裝配工藝分析

船體分段在進行虛擬裝配仿真的過程中，應通過裝配工藝分析找出裝配過程中存在的缺陷，及時對其進行修改，保證裝配方案的可行性。常用的分析方法有干涉檢測、約束分析和自由度分析等。

通過在DELMIA 仿真軟件中對船體分段的裝配過程進行虛擬裝配分析，可以在船體分段進行真實裝配前發現裝配方案的漏洞，從而減少了因設計不合理等因素導致的返工現象，使裝配效率顯著提高。

2 現場可視化系統內容

分段裝配圖紙是在滿足船東設計要求和船廠生產水平的前提下，設計出來的指導性工藝文件，其主要作用是指導生產現場的施工人員完成裝配任務。通過對船體分段生產現場的實地調研，發現這種傳統的分段裝配圖紙已經不能夠滿足現場施工人員的需求，主要體現在以下幾方面:

1)傳統的分段裝配圖紙只能對構件的主要尺寸進行標注，現場施工人員無法得知其他的尺寸信息，只能根據自身經驗進行猜測或者與設計人員進行溝通獲得，使裝配工作的準確性和裝配效率明顯降低；

2)傳統的分段裝配圖紙不能夠清晰地表達出具體的裝配過程要求，只能表達出裝配結果的要求，對施工人員的指導性作用差；

3)傳統的分段裝配圖紙所表達的裝配信息比較混亂，直接表達出了整個分段的裝配信息，沒有按照具體的工位進行分類；

4)傳統的分段裝配圖紙在進行修改時，會涉及到修改周期長、工作量大等問題，不便于操作。

針對上述不足，本文提出了基于虛擬裝配技術的現場可視化系統，將設計部門與生產現場之間的信息進行無縫連接，使生產現場能夠共享三維設計成果，指導施工人員完成生產工作。

現場可視化系統采用二維圖紙、文字信息和虛擬動畫3 種不同的信息形式對船體分段的制造過程進行表述，并指導生產工作。其中二維圖紙主要表達構件尺寸、裝配關系和連接形式等信息；文字信息主要對工藝信息進行闡述說明，并對裝配過程進行輔助說明；虛擬動畫主要為施工人員展示船體分段的制造過程、所需設備和操作方式等信息，指導具體的操作步驟。

本文所提出的現場可視化系統的內容如圖2所示，其中主要包括系統的登錄界面和系統的主界面2 個部分。系統的登錄界面應具有限制訪問權限的作用，登錄現場可視化系統時需要出示賬號和密碼，賬號和密碼只有生產現場的施工人員才能擁有，其他人員無法登錄現場可視化系統進行操作。系統的主界面主要包括船體分段的基本信息、導航瀏覽窗口和模型圖紙等內容。導航瀏覽窗口內主要包括生產設計信息、構件詳細信息和裝配工藝信息3 個部分，點擊相應的名稱即可進入相應的界面內部。其中生產設計信息界面內主要包括船體分段的裝配圖紙、制造過程的虛擬動畫和典型工位的示范應用，典型工位的示范應用指的是組立加工工位、拼板焊接工位、底板焊接工位、底板檢測工位、對口焊接工位和分段吊裝工位等過程的工藝信息、裝配圖紙和虛擬動畫，可以為施工人員展示具體的裝配序列、裝配路徑和施工方式，使施工人員全面地了解制造任務，減少操作失誤，提高生產效率。構件詳細信息界面內可以根據船體分段的分解視圖，在導航瀏覽窗口內進行查看相應構件的設計圖紙及輔助說明文字等信息。裝配工藝信息界面內可以查看船體分段的裝配序列和各個構件在制造過程中的基本參數，并且還可以對這些基本參數進行修改和保存。施工人員能夠在這種現場可視化系統內快速查看裝配信息，提高工作效率。

圖2 現場可視化系統內容

3 現場可視化系統的特點

現場可視化系統能夠將復雜的船體分段制造過程清晰直觀地展示出來，指導施工人員進行制造工作。現場可視化系統包含很多船體分段的制造信息，如分段構件的設計圖紙、裝配過程的構件順序、制造過程的工藝信息、吊裝過程的基本信息和虛擬動畫等。現場可視化系統是連接設計人員與施工人員之間的重要工具，也是向生產現場傳遞信息的重要路徑。現場可視化系統與傳統的施工圖紙相比，具有如下特點:

1)現場可視化系統是采用文字說明和虛擬動畫相結合的方式，對裝配工藝信息進行描述，能夠使施工人員更直觀、更易懂地了解制造過程，不會與設計人員的設計思想產生偏差；

2)現場可視化系統對典型的工位添加了裝配資源列表和示范應用案例，向施工人員更直觀地展示了制造過程中所用到的裝配資源；

3)現場可視化系統是采用編制程序的方式提取裝配信息，減少了重復輸入的過程，提高了工作效率；

4)現場可視化系統是通過網絡進行傳輸的，更新速度比傳統方式快，減少了因信息更新不及時產生的裝配錯誤情況。

4 現場可視化系統的實現過程

4.1 系統的編制流程

現場可視化系統的編制流程如圖3 所示，首先應對系統的初始界面進行創建，初始界面主要采用HTML 語言進行編制。本文所研究的虛擬裝配技術是在DELMIA 仿真軟件內進行的，所以應在DELMIA 仿真軟件內對制造過程中所涉及到的工藝信息進行提取，并按照系統界面的布局形式對其進行分類處理。根據制造過程中所涉及到的工位信息，在DELMIA 仿真軟件內進行虛擬動畫的制作。再將完成分類的工藝信息和虛擬動畫嵌入到系統的初始界面后，對系統界面進行渲染處理，以滿足施工人員的視覺要求。

圖3 現場可視化系統的編制流程示意

4.2 工藝信息的提取

工藝信息是現場可視化系統內的重要內容，它能夠對虛擬動畫和施工圖紙進行輔助的文字說明，幫助施工人員全面地理解船體分段的制造過程。本文所涉及到的工藝信息主要是在DELMIA仿真軟件內的裝配模型的產品結構樹、工藝結構樹和資源結構樹等進行提取的。其中產品結構樹可以提取出船體分段的基本信息，主要包括分段編號、分段名稱等；工藝結構樹可以提取出船體分段的工序信息，主要包括構件的裝配順序和裝配方法等；資源結構樹可以提取出船體分段制造過程中所涉及到的裝配步驟和資源列表等信息。

4.3 虛擬動畫的嵌入

虛擬動畫能夠清晰簡潔地展現出分段模型和設備模型的裝配順序和運動路徑，以動態直觀的方式，向施工人員展示標準的制造過程及操作步驟，從而對生產現場的施工人員具有指導作用。船體分段的制造過程涉及到很多工位的協同配合才能完成，所以本文所提出的虛擬動畫是精確到工位級別的，這能夠詳細地展示出各個工位內構件和設備的運動情況。

本文的虛擬動畫是由裝配信息模型在DELMIA仿真軟件內，以裝配序列和運動路徑為依據，通過虛擬裝配技術對船體分段的制造過程進行驗證后，生成的制造仿真視頻文件。將虛擬動畫嵌入到現場可視化系統內時，采用html 語言中的object 標簽進行編制，這樣施工人員就能夠根據工位的劃分，查看到各個工位的虛擬動畫，如圖4所示。

圖4 嵌入虛擬動畫的流程示意

5 現場可視化系統的應用

現場可視化系統的主要作用是將船體分段制造過程中所涉及到的全部信息，按照一種層次分明、邏輯清晰的結構形式展示給施工人員，從而指導他們的工作。現場可視化系統可以通過造船廠的內部網絡，將船體分段在制造過程中所涉及到的全部信息傳送到生產現場，施工人員可以在生產現場通過使用終端設備，在現場可視化系統內查詢船體分段的生產設計信息、構件詳細信息、裝配工藝信息、施工圖紙和虛擬動畫等，全面直觀地了解船體分段的制造過程，從而減少了施工人員因理解偏差而產生的操作錯誤，提高了船體分段在制造過程中的工作效率，縮短了船體分段的建造周期，實現了生產現場的無紙化辦公[14-16]。本文以船體分段的雙層底結構為例，簡述現場可視化系統的應用實例。

現場可視化系統的登錄界面作為系統的首個界面，應能夠充分展示系統的使用領域。其主要包含系統名稱、編制單位、制作時間、登錄賬號和密碼等信息，如圖5 所示。

圖5 現場可視化系統登錄界面

現場可視化系統的主界面布局簡潔，便于操作人員使用，符合人機工程學的要求。其組成主要包括船體分段的基本信息、導航瀏覽窗口和船體分段模型等內容，其具體的布局形式如圖6 所示。

圖6 現場可視化系統主界面

生產設計信息界面的組成主要包括船體分段的施工圖紙、制造過程的虛擬動畫和典型工位的示范應用等內容。其中施工圖紙可以進行下載、打印、旋轉和縮放等操作；虛擬動畫可以進行全屏播放、快進、暫停和后退等操作；典型工位的示范應用內設置有瀏覽窗口，點擊瀏覽窗口內的相應工位，系統會轉換到相應的子界面，子界面的組成主要包括該工位所涉及到的施工圖紙、工藝卡片和虛擬動畫等內容，其具體的布局形式如圖7所示。

圖7 生產設計信息界面

圖8 組立加工工位界面

圖9 拼板焊接工位界面

圖10 底板裝焊工位界面

圖11 底板檢測工位界面

圖12 對口焊接工位界面

圖13 分段吊裝工位界面

其中典型工位示范中主要包括組立加工工位、拼板焊接工位、底板裝焊工位、底板檢測工位、對口焊接工位和分段吊裝工位。其內容有相應工位的施工圖紙和虛擬動畫，如圖8～13 所示。構件詳細信息界面內主要是根據船體分段的分解視圖，在導航瀏覽窗口內確定構件個數，然后在導航瀏覽窗口內點擊構件所對應的編號，系統會轉換到相應的子界面，在子界面內能夠查看該構件的加工圖紙和詳細信息，可以對加工圖紙進行下載、打印、旋轉和縮放等操作，如圖14所示。

圖14 構件詳細信息界面

裝配工藝信息界面的組成主要包括的內容有各個構件的裝配順序和各個構件的裝配工藝信息。其中各個構件的裝配工藝信息是通過表格的形式進行展現的，若要對其中的工藝信息進行修改，可以直接在其原有基礎上進行；若要對修改后的信息進行保存，可直接點擊保存按鈕實現存儲；若要查看船體分段的裝配序列，點擊裝配序列窗口內的查看按鈕，系統就會轉換到相應的子界面展現各個構件的裝配順序，如圖15 所示。

圖15 裝配工藝信息界面

6 結論

1)基于虛擬裝配技術，在DELMIA 仿真軟件內，對船體分段的制造流程進行分析，并完成了裝配工藝規劃、人機工程分析和碰撞干涉檢測等工作；

2)通過使用HTML 編程語言，設計并創建出了現場可視化系統；該系統能夠將船體分段制造過程的二維圖紙、文字信息和虛擬動畫等信息，按照加工工位的劃分集成在一起，并將現場可視化系統應用于生產車間。

在船體分段的實際制造過程中，對于線纜等柔性對象的安裝還不能通過虛擬裝配技術進行有效的模擬。因此需要對虛擬裝配技術進行深入研究，實現對柔性對象的安裝模擬；現場可視化系統只能對施工人員進行工作指導，管理人員不能通過現場可視化系統把握船體分段的制造進度。因此需要對現場可視化系統進行二次開發，添加信息反饋功能，實現管理人員對船體分段制造進度的實時掌控。