面向船舶產(chǎn)品的裝配工藝仿真技術(shù)

甄希金，楊潤黨，韋乃琨，楊安海

(1.上海船舶工藝研究所，上海200032;2.數(shù)字化造船國家工程實驗室，上海200032)

0 引言

船舶構(gòu)件裝配是船舶建造過程的重要組成部分之一。船舶裝配工藝仿真是通過計算機中的虛擬環(huán)境完成船舶零件、單元、組立結(jié)構(gòu)等裝配和工藝評估分析的過程，以此發(fā)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計、組立劃分、裝配順序等方面潛在的問題，減少真實裝配建造過程中的修改和返工，降低施工難度，是提高船舶建造效率的有效手段［1-2］。

目前，部分船廠引進商業(yè)化虛擬仿真軟件如Mockup，Delmia等［3-4］或者直接應(yīng)用設(shè)計軟件提供的仿真功能［5］進行裝配工藝仿真和優(yōu)化。這些仿真功能大都支持裝配路徑和順序的交互式定義，而自動化和智能化程度不足［6］。船舶系統(tǒng)模型量巨大，要完成整船所有重要裝配工藝的設(shè)計和定義，需要大量手動交互操作，花費很大的工作量;另一方面，虛擬仿真的結(jié)果主要用于可視化——仿真完即結(jié)束，既無法優(yōu)化前端的設(shè)計，也難以指導(dǎo)后端的現(xiàn)場作業(yè)，減弱了工藝仿真的作用，因此大多船企雖然引入并應(yīng)用了虛擬仿真系統(tǒng)，但效果不明顯。

針對船舶虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用過程中存在的問題以及船舶行業(yè)的特點，自主開發(fā)了一套船舶虛擬裝配仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備通用虛擬裝配仿真系統(tǒng)的功能，同時突破智能化、交互技術(shù)以及集成技術(shù)等，可支持從單元制作到總段合攏等船舶建造各個階段的裝配仿真。特別是對于裝配路徑和順序復(fù)雜的部分船體結(jié)構(gòu)、舾裝件等，難以完全通過智能程序自動生成可行的動態(tài)裝配過程，應(yīng)用交互式功能進行修改和優(yōu)化。

1 船舶裝配工藝快速仿真的基本思路

目前，大部分船舶設(shè)計軟件如Tribon、Catia等都支持裝配設(shè)計，如 Tribon自帶的裝配模塊——Assembly Planning能夠建立船舶組立結(jié)構(gòu)樹，組立節(jié)點對應(yīng)的工藝數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫文件格式分別保存。組立結(jié)構(gòu)樹及節(jié)點對應(yīng)的工藝信息是裝配工藝仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。

船舶裝配工藝快速仿真環(huán)境主要分為數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口、動態(tài)裝配過程自動生成、交互式裝配、裝配場景管理和仿真結(jié)果輸出等5個模塊。其中，動態(tài)裝配過程自動生成是首先將幾何模型、組立結(jié)構(gòu)樹與裝配工藝信息建立關(guān)聯(lián)，根據(jù)建造基準(zhǔn)、建造方法、對稱性等計算各個層次幾何節(jié)點在仿真每個時刻對應(yīng)的位姿信息，形成系列的動態(tài)裝配過程;部分船體結(jié)構(gòu)、舾裝件、設(shè)備等裝配路徑和順序比較復(fù)雜，難以自動生成可行的動態(tài)裝配過程，需要通過交互操作進行修改，如路徑的關(guān)鍵點、裝配順序及組立層次等;裝配場景管理是將動態(tài)裝配過程和交互裝配過程產(chǎn)生的效果進行實施更新和管理，結(jié)合碰撞與干涉檢測等對裝配過程進行干涉檢查，驗證裝配順序和路徑的可行性，并通過高亮、聲音、路徑軌跡等方式表達。通過裝配過程自動生成、交互定義修改和優(yōu)化，能夠快速實現(xiàn)裝配工藝仿真。仿真結(jié)果包括裝配作業(yè)三維工藝文件、裝配過程視頻和裝配工藝修改信息等，其中三維工藝文件和視頻可以用于現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)以及工人培訓(xùn)，裝配工藝修改信息可以作為裝配工藝設(shè)計方案修改和優(yōu)化的參考。

船舶裝配工藝快速仿真的基本思路如圖1所示。系統(tǒng)基本應(yīng)用流程如下:先將待仿真的船舶裝配工藝對應(yīng)的幾何模型和裝配工藝文件通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入仿真環(huán)境，系統(tǒng)根據(jù)裝配工藝信息自動計算裝配順序和路徑，通過三維可視化仿真和干涉檢查判斷裝配過程的可行性，對存在問題的工藝過程進行交互式修改，直至獲得合理的工藝過程。

相對于傳統(tǒng)的船舶裝配設(shè)計及仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點:

1)充分利用船企現(xiàn)階段的船舶設(shè)計資源，且可以不改變設(shè)計流程和模式;

2)高效的裝配過程自動生成，減少用戶大量的交互定義工作量;

3)直觀的裝配工藝交互修改模式。用戶可以便捷地通過三維動態(tài)裝配過程發(fā)現(xiàn)問題，通過拖拽、點擊等簡單操作完成工藝的修改。

圖1 船舶裝配工藝快速仿真基本思路Fig.1 Basic idea of shipbuilding assembly process rapid simulation

2 裝配工藝快速仿真設(shè)計

2.1 基于組立樹的動態(tài)裝配過程生成

2.1.1 組立樹及其信息獲取

船舶設(shè)計時常用組立結(jié)構(gòu)表達船舶零部件之間的層次關(guān)系。組立樹為1個樹狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠表達船舶從小組立、中組立、大組立、總組及整船數(shù)據(jù)，每個樹節(jié)點具有對應(yīng)結(jié)構(gòu)的名稱、位姿關(guān)系等基本屬性，以及裝配基面、建造方法等工藝信息。圖2為某船舶分段組立樹。

圖2 設(shè)計系統(tǒng)中的組立樹及導(dǎo)出的工藝信息Fig.2 Assembly tree and process info from design system

船舶組立樹結(jié)構(gòu)及對應(yīng)工藝信息可以從船舶設(shè)計軟件直接導(dǎo)出。例如在Tribon系統(tǒng)中，應(yīng)用Assembly Planning功能定義的組立結(jié)構(gòu)樹，可通過COM對象輸出為xml文件。這種結(jié)構(gòu)樹及工藝信息獲取過程，不需增加設(shè)計人員的工作量或者改變設(shè)計者的設(shè)計模式，操作簡單。對于在設(shè)計時，沒有確定裝配層次的模型，裝配仿真系統(tǒng)支持動態(tài)構(gòu)建組立結(jié)構(gòu)樹。

2.1.2 不同建造策略下零部件位姿描述

在詳細設(shè)計后，根據(jù)船廠的起吊能力及裝配場地等因素，要確定單元和分段等結(jié)構(gòu)的建造策略，包括定義建造基面和確定建造方法等內(nèi)容。建造方法一般有正造、反造及側(cè)造等幾種。船舶結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入虛擬環(huán)境中，所有零部件都處于同一船體坐標(biāo)系下，設(shè)其在船體坐標(biāo)系下的位姿為Toriginal，繞自身坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)變換矩陣分別為 Tx(θ)，Ty(θ)，Tz(θ)，從初始位置到仿真路徑初始位置的平移矩陣為ΔTt，如式(1)～式(4)所示。

對不同建造策略，仿真過程中裝配對象(單元、分段等)的初始位姿描述如下:

正造

反造

側(cè)造(左右)

同樣，其他建造策略的初始位姿可以根據(jù)上述位姿矩陣進行組合計算。

2.1.3 裝配順序/路徑自動建立

船舶裝配工藝組立樹結(jié)構(gòu)中，一個節(jié)點的子節(jié)點表述該節(jié)點的所有裝配對象。在實際工藝實施時，同層次節(jié)點對象可能在不同工位和不同階段完成裝配，但裝配工藝快速仿真針對同層次節(jié)點的裝配順序和路徑進行計算，從產(chǎn)品本身裝配流程的角度進行優(yōu)化。

在工藝仿真系統(tǒng)中，將組立樹節(jié)點的排列順序作為節(jié)點的基本裝配順序。船舶結(jié)構(gòu)的裝配有自己的規(guī)則如由內(nèi)到外、由上到下等以保證施工方便、節(jié)省工時。在確定好裝配基準(zhǔn)對象后，自動按裝配規(guī)則完成所有對象的裝配順序計算，對于無法自動計算的特殊節(jié)點，可以通過交互操作完成順序定義(見第2.3節(jié)內(nèi)容)。

1個節(jié)點對象確定好裝配順序后，需計算裝配路徑的初始點、關(guān)鍵點和終點。整個裝配路徑一般選擇為場景的中間位置，初始點的位姿根據(jù)第2.2節(jié)中的方法計算，每個關(guān)鍵點及終點的位姿根據(jù)其建造策略、建造場景等信息計算，節(jié)點包圍球大小作為自動計算過程的尺寸參考，并可通過快捷鍵進行調(diào)整。

2.2 船舶裝配工藝的交互式操作仿真

船舶裝配工藝仿真中，對于裝配路徑和順序相對復(fù)雜的部分船體結(jié)構(gòu)、舾裝件及設(shè)備等關(guān)鍵工藝，難以通過智能程序自動生成合理的順序和路徑，需要在自動生成的基礎(chǔ)上進行交互修改或者直接通過交互操作完成定義。

2.2.1 虛擬環(huán)境中零部件的交互式操作

虛擬環(huán)境中船舶零部件對象的操作有2種方式，如圖3所示。一種是加載虛擬手對象模型，通過虛擬手與操作零部件對象的位姿綁定、跟隨移動、裝配位置識別和確認、位姿分離等過程直觀地反應(yīng)操作者的抓取、移動、裝配、釋放等操作意圖，對于接入數(shù)據(jù)手套/位姿跟蹤器的虛擬現(xiàn)實外設(shè)的環(huán)境，常常采用該方式;另一種是六自由度軌跡球模式，用鼠標(biāo)點選操作零部件，以該零部件的包圍球中心為中心生成六自由度軌跡球，操作者通過這個球的移動和旋轉(zhuǎn)完成零部件的抓取、移動及路徑關(guān)鍵點記錄等過程。這2種方式都可以實現(xiàn)復(fù)雜裝配工藝過程定義，通過操作過程的“反向”，實現(xiàn)裝配工藝的仿真。

圖3 船舶裝配工藝的交互操作Fig.3 Interactive assembly operation in virtual environment

2.2.2 裝配工藝的交互式修改

裝配工藝修改包括對產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)、裝配順序以及裝配路徑的修改。通過新建和刪除組立節(jié)點等功能修改組立樹結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用鼠標(biāo)選擇組立節(jié)點拖動到指定節(jié)點，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配層次的快速修改，如圖4所示為將選中的107 p節(jié)點進行重組。通過改變1個節(jié)點在父節(jié)點中的排列順序?qū)崿F(xiàn)裝配順序的修改和優(yōu)化，如圖5所示。通過改變路徑關(guān)鍵點的產(chǎn)生時刻、位姿坐標(biāo)等屬性實現(xiàn)裝配路徑修改和優(yōu)化，如圖6所示。

圖4 組立層次的快速交互式修改Fig.4 Interactive modification of assembly tree

3 裝配工藝仿真原型系統(tǒng)開發(fā)及實例驗證

以VC++9.0為開發(fā)工具，使用OpenSceneGraph 2.9.6圖形引擎，按面向?qū)ο蟮姆椒?(組件)開發(fā)了船舶裝配工藝快速仿真原型系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括裝配工藝文件導(dǎo)入、動態(tài)裝配過程自動生成、基于虛擬現(xiàn)實外設(shè)的裝配操作、裝配順序和裝配路徑的交互式修改和優(yōu)化、三維動態(tài)裝配過程的輸出等功能，能夠支持船舶裝配工藝的快速仿真和優(yōu)化。

以某散貨船總段裝配工藝仿真為例對系統(tǒng)進行了驗證，圖7為分段總組工藝過程。系統(tǒng)首先讀入設(shè)計系統(tǒng)輸出的裝配工藝，對于結(jié)構(gòu)樹層次中的“ShipHull”節(jié)點，根據(jù)其對應(yīng)的屬性及建造策略信息，自動計算總組順序，并通過動態(tài)的裝配過程進行模擬。分段建造過程的模型同總組過程類似，以501分段為例，在結(jié)構(gòu)樹上選擇501節(jié)點，右鍵選擇裝配過程生成，彈出如圖5所示對話框，可以在該窗口中對裝配順序進行修改，確定后即生成動態(tài)裝配過程;對于裝配過程復(fù)雜的零件，其裝配路徑通過交互定義生成。

4 結(jié)語

本文針對船舶裝配工藝的特點和存在的問題，提出一種裝配工藝快速仿真和優(yōu)化方法，從技術(shù)角度介紹了基本思路、方法設(shè)計，自主開發(fā)了船舶裝配工藝快速仿真原型系統(tǒng)，以散貨船總段裝配工藝仿真和優(yōu)化為例驗證方法的正確性和系統(tǒng)的有效性。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，正在逐步改變船舶行業(yè)傳統(tǒng)設(shè)計建造流程，基于虛擬仿真技術(shù)的裝配工藝仿真和優(yōu)化也逐漸成為連接設(shè)計和建造過程的重要環(huán)節(jié)。目前系統(tǒng)仍然存在很多不足，僅實現(xiàn)了船舶裝配工藝的流程仿真，而對涉及設(shè)備、場地等資源的過程考慮不足，后續(xù)工作將致力于此。

［1］SU Nan，ZHAO Yan-wei，XING Li，et al.A variant module division method on extension logic for assembly process［A］.2008 Proceedings of ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition［C］，2009.99-108.

［2］LEE K，SHIN J G，RYU C.Development of simulationbased production execution system in a shipyard:a case study for a panel block assembly shop［J］.Production Planning ＆ Control，2009，20(8):750-768.

［3］戰(zhàn)翌婷，劉玉君，鄧燕萍.船體結(jié)構(gòu)分段裝配研究［J］.造船技術(shù)，2009(6):22-24.ZHAN Yi-ting，LIU Yu-jun，DENG Yan-ping.Hull block assembly research［J］.Marine Technology，2009(6):22-24.

［4］張丹，左敦穩(wěn)，焦光明，等.面向虛擬裝配操作的交互輔助技術(shù)［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，38(5):127-132.ZHANG Dan，ZUO Dun-wen，JIAO Guang-ming，et al.Interactive aid technology for virtual assembly manipulation［J］，Journal of Huanan University of Technology，2010，38(5):127-132.

［5］巫影，胡大斌，劉金林.CATIA環(huán)境下船舶機艙虛擬環(huán)境的構(gòu)建［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報，2007，29(5):101-103.WU Ying，HU Da-bin，LIU Jin-lin.Building the virtual environment of the engine room using CATIA［J］.Journal of WUHAN University of Technology(In Chinese)，2007，29(5):101-103.

［6］彭飛，趙耀.基于約束通道的船舶裝配拆卸雙向RRT路徑規(guī)劃［J］.中國造船，2010，51(4):32-35.PENG Fei，ZHAO Yao.Bidirectionalrapidly-exploring random tree algorithm of ship assembly/disassembly path planning based on motion constraintchannels［J］.Shipbuilding of China，2010，51(4):32-35.