面向虛擬維修的零件層次結構模型

倪福武

（中國石油大慶石化公司設備維修中心，黑龍江大慶 163000）

0 引言

產品的屬性是在設計時就擬定完成的，但只有在成品設備維修時才能發現產品的設計缺陷，這種“慣性作用”也導致產品的設計缺陷在設計階段無法被發現，而被帶入實際應用環節。產品的維修是一系列活動的總稱，包括維修準備、故障判斷、零件更換、設備調整、設備驗收等。在所有活動中又以零件的更換為主，設備拆卸與安裝也是設備維修的重點和難點，拆卸是為了滿足設備維修所做的必要工作，是從設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備之上，與其他部件一起組成完整的設備。為了提高設備維修的效率，降低維修成本，從模擬裝配的角度，分析設備裝配參數和人機交互要求等內容，以零件三維模型為基礎，在設備裝配環境中進行自由度約束、干涉檢查等環節的研究，建立一個虛擬的設備維修平臺，并與傳動軸總成作為案例進行過程演示與分析。結果顯示，本次研究所建立的虛擬裝配是非常成功的，為設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構模型

為了使模擬維修更加符合真實場景，零件的三維模型必須與實際環境相一致，將零件的幾何形狀、材料、光照、顏色等特征全部按照實際環境設置，使維修人員能夠獲得與真實場景相同的感官體驗，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、裝配特征和參數等信息的仿真能力。

為了解決虛擬維修中的信息協同問題，本文設計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行定義，以特征作為零件約束的基本元素，實現零件位置等的約束。采用分層設計，將三維零件模型分為零件層和特征層，并使其信息相互關聯，每步操作都會引起信息的聯動，以保障零件信息的協調和統一。在零件層中，以零件的物理屬性要素作為控制零件的節點，來表達維修時所需的公共數據，實現零件狀態的判斷，與操作者的交互，負責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點，儲存零件自身的信息，是以零件坐標系建立的特征管理，記錄著文件中各特征的參數，實現零件特征的編輯、修改、重建等功能，在這一層中主要以內部約束為主，也會與主要外部約束相關聯。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層中自由定義，但要遵循一定的邏輯，避免發生約束沖突，最終實現零件配合約束的定義和表達。

本文基于Unity 軟件實現，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信息和特征。

（1）零件干涉價差。基于上述兩個零件層的信息關聯，軟件首先檢查干涉的種類和位置，如零件外輪廓的某個部位存在干涉，軟件會進行凸體碰撞計算；如內輪廓的某部位存在干涉，軟件也會按照相應的法則進行碰撞計算；如鍵槽或孔發生干涉，軟件根據碰撞的位置檢查零件的幾何參數，從而判斷是否產生干涉。

（2）零件物理屬性。為了使虛擬裝配體更接近于現實，能夠表現出現實中的運動形式，使各零件之間的相互作用符合現實規律，需要對零件的物理特性進行詳細定義，使三維模型獲得真實環境中具有的物理屬性，設置零件的質量、彈性模量、摩擦因數等參數，本次研究設置零件的阻尼系數為10，摩擦因數等數值參考真實數據。

（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行檢測，實現實體間的相互作用。計算機技術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軸產生的多個六面體，采用無限逼近的方式生成實體，具有計算效率高的優點，但計算精度較差，對細小位置的干涉檢查效果不好。OBB包圍體類型是由基于坐標軸產生的多個長方體組成，逼近實體的效果更好，不僅能縮減所需包圍體的數量，以提高計算效率，還能實現復雜實體的生成，但計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生實體，能夠建成更加符合零件幾何形狀的實體，所構建的實體更接近于實際場景，計算精度很高，但需要較長的計算時間，對計算機系統也有較高的要求。根據本次研究的虛擬維修所需要的細節表現要求，選擇FDH 包圍盒作為實體創建的包圍體類型，以實現高精度的干涉檢查效果。此外，本次研究還將采用頂點集與外輪廓的形式建立實體模型。

2 基于特征的約束動態識別

在軟件中，零件的特征約束可以自動識別，判斷線線、線面、面面之間的約束關系，最終形成以外輪廓為基礎的碰撞檢測，使零件本身或與其他零件不會形成穿透關系，零件的6 個自由度如果存在一定數量的約束，則按照剩余自由度進行運動。零件在運動過程中與其他零件進行碰撞檢測，判斷是否有新的約束關系產生，若存在有效的約束關系，則通過特征約束的求解，計算零件的變換矩陣，實現零件的精確定位，完成零件的拆卸和裝配。

3 虛擬手交互及動作響應

虛擬手交互及動作響應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行操作，這里不同的零件是指形狀、重量有所區別的零件，通過手勢來改變零件的位置，使零件發生運動，來實現零件的拆卸和安裝。

虛擬手主要包含手指位置、方向等參數，這些參數也是判斷虛擬手手勢的依據，不同手勢與零件的操作是相對應的，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生交互。通過虛擬手各部位與零件的接觸狀態來判斷當前的抓取動作類型，當手指位置、手掌與零件接觸位置、零件的抓取狀態3 個參數均滿足抓取條件時，才能完成零件的抓取，否則會提示操作者重新進行拾取。

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行特定方向的移動，這也是虛擬維修與現實相統一的基礎。進行虛擬維修時，軟件會檢查零件的干涉，即尺寸參數、拓撲結構的檢查等，檢查零件是否能夠達到預定位置，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施相應的操作。

以某傳動軸總成上的隔環裝配為例（圖1）。在虛擬維修中，軟件首先進行外輪廓干涉檢查，當傳動軸總成中的隔環與軸產生碰撞，系統會按照碰撞約束對兩個零件進行狀態確定，使這兩個零件不發生穿透，再根據其他參數進行匹配，通過同軸約束確定隔環和軸的唯一位置。

圖1 隔環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，整個虛擬維修界面分為零件模型、維修區域、命令欄3 個部分（圖2）。在界面最左側為零件模型區域，在這一區域中有供選擇的零件模型；界面上方為命令欄顯示區域，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域，記錄操作者的維修動作和順序。虛擬手通過交互面板進行控制，操作者可以利用終端設備同步自身動作（圖3）。

圖2 虛擬維修環境場景

圖3 虛擬環境中的人機交互

在傳動軸總成的裝配中，以模擬現實場景進行裝配，驗證虛擬維修的可行性。為了簡化裝配過程，默認所有零件均處于自由狀態，通過零件的堆疊實現零件裝配。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移動，這時面面約束發生作用，表明軸承已安裝到指定位置。

6 結論

基于Unity3D 創建的虛擬維修平臺可以方便地實現零件的虛擬裝配，整個虛擬維修界面分為零件模型、維修區域、命令欄3 個部分。該軟件將三維零件模型分為零件層和特征層，并使其信息相互關聯，每步操作都會引起信息的聯動，通過虛擬手實現零件的裝配，在裝配過程中自動進行零件的干涉檢查。通過傳動軸總成的裝配驗證了虛擬維修平臺的功能，結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，進行零件的拆卸和裝配，為設備維修提供了廣泛的思路。