加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳家照，廖斯宏，張玉祥

（1.第二炮兵工程學(xué)院，陜西西安710025;2.第二炮兵指揮學(xué)院，湖北武漢 430000）

0 引言

推進(jìn)劑加注設(shè)備是火箭發(fā)射系統(tǒng)的重要組成部分，操作、維修人員的業(yè)務(wù)水平對(duì)火箭發(fā)射活動(dòng)具有重要影響。操作失誤和維修不當(dāng)輕則造成設(shè)備故障，延誤發(fā)射，重則引起推進(jìn)劑泄漏事故，造成人員和裝備損失。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行加注設(shè)備裝配操作訓(xùn)練，有助于操作和維修人員熟練地掌握加注設(shè)備的操作和維修技能，避免利用實(shí)際加注設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練的種種限制。本文研究加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。

1 系統(tǒng)功能和技術(shù)框架

加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)具備以下三項(xiàng)主要功能:

1）加注設(shè)備基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)功能。以幫助文檔和虛擬場(chǎng)景相結(jié)合的形式講解加注設(shè)備的功用、結(jié)構(gòu)、原理、操作使用和維護(hù)修理等知識(shí)。設(shè)備知識(shí)包括系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)兩個(gè)層級(jí)。系統(tǒng)級(jí)知識(shí)的學(xué)習(xí)在完整的加注設(shè)備虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行，用戶進(jìn)入場(chǎng)景“實(shí)地”觀察系統(tǒng)構(gòu)成、設(shè)備功用與布置、管路走向等，并可通過(guò)彈出菜單項(xiàng)選擇進(jìn)入相關(guān)幫助文檔，學(xué)習(xí)系統(tǒng)工作流程、操作使用方法和維護(hù)修理知識(shí)。在系統(tǒng)級(jí)虛擬場(chǎng)景中可點(diǎn)選重要設(shè)備進(jìn)入部件級(jí)學(xué)習(xí)，部件級(jí)學(xué)習(xí)在單個(gè)設(shè)備虛擬場(chǎng)景中進(jìn)行，可觀察各設(shè)備的三維實(shí)體結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系，也可選擇進(jìn)入相應(yīng)幫助文檔，學(xué)習(xí)設(shè)備的工作原理和使用維護(hù)方法。操作、維修人員通過(guò)這些知識(shí)的學(xué)習(xí)，獲得加注設(shè)備工作原理和操作維護(hù)的基本知識(shí)。

2）加注設(shè)備裝配模擬訓(xùn)練功能。以動(dòng)畫演示和虛擬交互操作相結(jié)合的形式練習(xí)加注設(shè)備的拆卸和裝配工藝過(guò)程。在系統(tǒng)級(jí)虛擬場(chǎng)景中，可以選擇觀摩零部件更換和維護(hù)保養(yǎng)演示，這種演示為順序動(dòng)畫形式，用戶不能干預(yù)或參與裝配;也可選擇交互拆裝操作，用戶可通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤對(duì)設(shè)備進(jìn)行選擇、旋轉(zhuǎn)、拖動(dòng)和釋放，進(jìn)行零部件更換和維護(hù)保養(yǎng)的操作訓(xùn)練，此時(shí)用戶完全自主拆裝。用戶還可點(diǎn)選重要設(shè)備進(jìn)入單個(gè)設(shè)備的拆裝訓(xùn)練環(huán)境，同樣可選擇觀摩單個(gè)設(shè)備的拆裝演示或自主進(jìn)行設(shè)備的交互拆裝訓(xùn)練，此時(shí)可將設(shè)備完全拆卸成零部件。通過(guò)交互拆卸和裝配訓(xùn)練，用戶可熟悉設(shè)備拆裝的工藝流程。

3）加注設(shè)備裝配工藝規(guī)劃。以裝配工藝規(guī)劃算法［1］為基礎(chǔ)，提供拆裝序列規(guī)劃、路徑規(guī)劃和特定故障拆裝訓(xùn)練平臺(tái)。針對(duì)加注設(shè)備的特定故障，用戶可通過(guò)此平臺(tái)擬定維修方案并進(jìn)行維修訓(xùn)練。當(dāng)某設(shè)備發(fā)生故障后，維修人員初步確定拆卸的方案（通常只需拆卸少量零部件），再利用此平臺(tái)規(guī)劃拆卸序列和路徑，得出最優(yōu)的拆卸工藝方案。再以此拆卸工藝方案為基礎(chǔ)，生成操作、維修綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境，人員通過(guò)此環(huán)境，針對(duì)具體的故障和維修方案，采用最優(yōu)的裝配工藝進(jìn)行拆裝訓(xùn)練，有針對(duì)性地獲得特定故障的維修技能，提高維修的工作效率。

圖1所示是推進(jìn)劑加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的技術(shù)框架，分為界面層、應(yīng)用層和支撐層三部分。界面層是對(duì)仿真應(yīng)用的集成和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)用戶功能，并為用戶提供友好的操作界面。應(yīng)用層是面向特定需求的仿真實(shí)現(xiàn)，通過(guò)設(shè)備知識(shí)的搜索和綜合、裝配過(guò)程仿真和裝配工藝規(guī)劃三部分實(shí)現(xiàn)加注設(shè)備知識(shí)學(xué)習(xí)、拆裝過(guò)程演示和交互操作、拆裝工藝方案規(guī)劃和訓(xùn)練環(huán)境生成等核心功能。支撐層包括仿真應(yīng)用所需的三維模型和數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和運(yùn)行所需的支撐軟件等。

圖1 推進(jìn)劑加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)技術(shù)框架

2 建立三維實(shí)體模型

為實(shí)現(xiàn)裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，首先要建立加注設(shè)備的幾何模型，模型必須真實(shí)地表達(dá)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，即模型尺寸要準(zhǔn)確，配合間隙要精確，裝配關(guān)系要與實(shí)際相符，而且外觀必須逼真。本文選用Autodesk Inventor建立加注設(shè)備的幾何模型，它基于特征進(jìn)行參數(shù)化的實(shí)體造型，建立的模型既有直觀的外形，又有精確的尺寸配合。

加注設(shè)備包括各種管道、閥門、泵、推進(jìn)劑貯罐和操縱臺(tái)等，使用Inventor建模［2］，首先根據(jù)零件的尺寸參數(shù)，畫出零件的特征草圖，然后使用特征操作，如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、陣列等構(gòu)建出零件的幾何特征。當(dāng)建好設(shè)備的所有零件幾何模型以后，通過(guò)各種約束，如配合約束、角度約束、相切約束等約束零件間的相互位置關(guān)系，組成設(shè)備的整體模型。如圖2所示是的安全閥的幾何建模過(guò)程。

圖2 安全閥幾何建模過(guò)程

建立好各種分離設(shè)備的幾何模型后，根據(jù)加注設(shè)備真實(shí)連接關(guān)系組合成系統(tǒng)模型，利用Multigen Creator［3］進(jìn)行渲染，構(gòu)建加注系統(tǒng)各工作區(qū)域場(chǎng)景，如圖3所示為泵房和罐室場(chǎng)景。

圖3設(shè)備間場(chǎng)景

3 加注設(shè)備的裝配仿真

裝配仿真是加注設(shè)備虛擬裝配訓(xùn)練的核心功能，本文采用VP［4］進(jìn)行仿真開(kāi)發(fā)，在VP中通過(guò)對(duì)場(chǎng)景（scene）、觀察者（observer）、觀察通道（channel）、環(huán)境變量（environment）、運(yùn)動(dòng)方式（motion）等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)建推進(jìn)劑加注設(shè)備裝配仿真的虛擬環(huán)境。利用VP所提供的功能模塊和程序開(kāi)發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)加注設(shè)備的裝配過(guò)程演示和交互裝配操作。

給模型設(shè)定一系列的路徑控制點(diǎn)，通過(guò)路徑控制點(diǎn)控制模型在通過(guò)此路徑控制點(diǎn)時(shí)的位置、姿態(tài)，然后利用導(dǎo)航器Navigatror連接路線中的各個(gè)散布控制點(diǎn)，形成一條完整的運(yùn)動(dòng)路徑，模型可以自動(dòng)地按照指定的運(yùn)動(dòng)路徑在場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)PathNavigator中的setStartDelayTime，setKinematicstate等參數(shù)的設(shè)定，確定零件拆卸的先后順序和拆卸動(dòng)作的快慢。對(duì)點(diǎn)的位置或拆卸時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行修改，可以改變拆卸過(guò)程演示方案。圖4（a）所示是電磁閥的拆卸演示過(guò)程。

通過(guò)鼠標(biāo)的拖動(dòng)改變零件在場(chǎng)景中的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配的交互操作。首先獲取鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)屏幕上的位置坐標(biāo)（x，y）和零件的三維空間位置坐標(biāo)（x＇，y＇，z＇），并通過(guò)設(shè)置觀察者坐標(biāo)和姿態(tài)，獲得裝配場(chǎng)景的正視圖，用鼠標(biāo)的（x，y）坐標(biāo)來(lái)改變零件的（x＇，y＇）坐標(biāo)值，然后切換到裝配場(chǎng)景的側(cè)視圖，固定零件的x＇，y＇的值，利用鼠標(biāo)的x坐標(biāo)信息來(lái)改變零件的z＇坐標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)零件的拖動(dòng)。如圖4（b）所示是球閥的虛擬交互裝配的過(guò)程。

圖4 裝配仿真圖

4 裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃針對(duì)特定的加注設(shè)備出現(xiàn)的特定故障，分析修理過(guò)程中的拆卸和裝配方案，并通過(guò)對(duì)不同裝配方案的比較，得出最優(yōu)的裝配方案，為維修工作提供指導(dǎo)。裝配工藝規(guī)劃分為裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃。

4.1 裝配序列規(guī)劃

裝配序列規(guī)劃［6］即產(chǎn)生一個(gè)裝配順序，在經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的前提下，把分離的零件裝配在一起，形成目標(biāo)產(chǎn)品。

本文采用的裝配序列規(guī)劃原理為:采用聯(lián)結(jié)圖法建立加注設(shè)備的裝配模型，表達(dá)零件的裝配信息。采用子裝配體的概念對(duì)裝配模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。然后利用零件間的優(yōu)先約束關(guān)系分析拆卸模型，建立設(shè)備的優(yōu)先關(guān)系矩陣。通過(guò)對(duì)設(shè)備裝配模型和優(yōu)先約束關(guān)系矩陣的分析，生成設(shè)備可行的拆卸序列。采用遺傳算法對(duì)設(shè)備的拆卸序列進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)選出最佳的裝配序列。

對(duì)圖5所示的閘閥進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，得到一組最佳拆卸序列為:1，6，2，3，7，9，10，8，4，5，11。

圖5 閘閥零件爆炸圖

4.2 裝配路徑規(guī)劃

裝配路徑規(guī)劃［5］就是尋求一條裝配零件從裝配起點(diǎn)到裝配目標(biāo)點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)無(wú)碰路徑。本文采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃。圖6是在有三個(gè)障礙物的空間中，采用粒子群優(yōu)化算法從起點(diǎn)S到終點(diǎn)T尋找的一條最短無(wú)碰路徑，路徑長(zhǎng)度為205.945。

圖6 有三個(gè)障礙物的空間裝配路徑圖

5 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本文利用VC++2003.net編程實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)界面程序［6］，通過(guò)進(jìn)程調(diào)用的方式對(duì)各功能模塊進(jìn)行調(diào)度和集成，形成加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。圖7（a）所示是設(shè)備知識(shí)學(xué)習(xí)界面，圖7（b）所示是設(shè)備拆裝演示界面。

圖7 系統(tǒng)工作界面

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了推進(jìn)劑加注設(shè)備虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的功能和技術(shù)框架，建立了設(shè)備的幾何建模，開(kāi)發(fā)了加注設(shè)備的裝配演示、交互操作仿真以及工藝規(guī)劃模塊，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了集成。開(kāi)發(fā)的虛擬裝配仿真訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)加注設(shè)備操作和維修人員的業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)和技能訓(xùn)練有重要幫助。

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