民機(jī)機(jī)頭裝配廠房漫游系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

王焰 馮樂樂 馬志明 周普莉 李波

摘要：飛機(jī)機(jī)頭裝配廠房漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可為管理、技術(shù)人員或待培訓(xùn)人員提供裝配工位布局最直觀的認(rèn)知，為飛機(jī)制造企業(yè)的工人培訓(xùn)活動帶來了便利?，F(xiàn)利用CATIA對三維模型進(jìn)行輕量化處理，然后將模型導(dǎo)入Unity3D，以第一人稱視角將整個裝配環(huán)境展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)各個工位裝配場景合理便捷的切換。

關(guān)鍵詞：漫游系統(tǒng);三維模型簡化;Unity3D

0 ? ?引言

目前，廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)的虛擬裝配仿真技術(shù)明顯加快了裝配工藝方案制定和實(shí)施的速度，有利于優(yōu)化裝配工藝方案，從而有效保證裝配質(zhì)量。在傳統(tǒng)的裝配過程中，經(jīng)常會發(fā)生零部件間的干涉、裝配順序不合理或裝配工具工裝不方便等現(xiàn)象[1]。虛擬裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用，能在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題，有效減少設(shè)計錯誤、縮短研制周期、降低風(fēng)險、節(jié)約成本[2]?；趯?shí)測模型進(jìn)行數(shù)字化裝配，提取裝配件的實(shí)際關(guān)鍵尺寸，根據(jù)虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)測值的預(yù)裝配，從而提前發(fā)現(xiàn)干涉和不協(xié)調(diào)問題[3]，可以很大程度上提高裝配質(zhì)量。Boeing777在研制的過程中，采用數(shù)字化、無紙化設(shè)計，并采用裝配仿真技術(shù)，使產(chǎn)品開發(fā)周期縮短了40%～60%，制造成本降低了30%～

40%[4]。而虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)以第一人稱的視角將整個裝配環(huán)境展現(xiàn)出來，能夠較逼真地讓人了解整個裝配工位布局及裝配流程，實(shí)現(xiàn)各個裝配場景之間合理便捷的切換。

本文以某型民機(jī)機(jī)頭為對象，重點(diǎn)研究該型民機(jī)機(jī)頭虛擬裝配廠房模型簡化與廠房漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，利用CATIA、3DSmax建模軟件和游戲開發(fā)引擎Unity3D，開發(fā)出了一套機(jī)頭虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)。

1 ? ?機(jī)頭虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程

整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作分為兩部分：一部分是三維模型的處理，另一部分是在Unity3D中的功能實(shí)現(xiàn)，具體流程如圖1所示。

首先在CATIA軟件中對飛機(jī)各個系統(tǒng)、零部件及場景模型進(jìn)行輕量化處理，導(dǎo)入3DSMax軟件中進(jìn)行模型優(yōu)化、渲染和貼圖并導(dǎo)出FBX格式文件，然后將FBX格式文件導(dǎo)入Unity3D開發(fā)引擎中，使用開發(fā)工具和C#語言根據(jù)廠房漫游系統(tǒng)總體框架進(jìn)行功能開發(fā)，包括系統(tǒng)UI及交互設(shè)計、漫游功能設(shè)計等，其中漫游功能設(shè)計包括虛擬環(huán)境展示、系統(tǒng)漫游及觀察、裝配工位信息展示等功能。

由于飛機(jī)機(jī)頭裝配廠房CATIA模型精度較高且存在大量的冗余數(shù)據(jù)，如直接用原有三維模型進(jìn)行裝配仿真會對計算機(jī)硬件提出極高的要求[5]，所以為了后續(xù)裝配仿真工作能夠順利開展，首先要對原有機(jī)頭裝配場地三維模型進(jìn)行輕量化處理。CATIA中的DMU優(yōu)化器（DMU Optimizer）能夠通過豐富的計算工具，優(yōu)化DMU模型數(shù)據(jù)的幾何表達(dá)方法，有效利用計算機(jī)資源，提高處理大型裝配的能力，有利于關(guān)聯(lián)和協(xié)同設(shè)計。

本文利用DMU優(yōu)化器中的模型簡化（Simplification）功能對機(jī)頭裝配廠房模型進(jìn)行輕量化處理，有效減少模型冗余數(shù)據(jù)，減小模型文件大小，同時可以保留選擇的模型精度。機(jī)頭裝配廠房部分模型輕量化后的結(jié)果如圖2所示。

從最終的簡化模型可以看出，相對于原模型，簡化模型會丟失一些面，但簡化后的模型經(jīng)過優(yōu)化，其精度對于后續(xù)的裝配仿真是足夠的。

2 ? ?某型民機(jī)機(jī)頭虛擬裝配廠房的漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 ? ?整體功能介紹

根據(jù)實(shí)際需求，機(jī)頭虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)的整體功能分為三部分：

（1）整個虛擬裝配廠房分為上部、下部、零部件和系統(tǒng)填充4個區(qū)，用戶可以通過菜單選擇前往其中一個區(qū)進(jìn)行裝配仿真。

（2）虛擬裝配環(huán)境展示功能。通過高還原度的三維模型來建立虛擬裝配廠房，整個裝配環(huán)境完全仿照現(xiàn)實(shí)，逼真度高，能呈現(xiàn)真實(shí)的裝配環(huán)境。

（3）漫游功能。用戶可通過按鈕按照設(shè)定的裝配路徑在不同的裝配工位之間進(jìn)行切換，然后到達(dá)指定的工位進(jìn)行仿真訓(xùn)練。

2.2 ? ?漫游系統(tǒng)交互設(shè)計

用戶與系統(tǒng)的交互是用戶操作與體驗(yàn)的部分，因此這部分設(shè)計對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要。圖形用戶界面（Graphical User Interface）簡稱“GUI”，即采用圖形方式顯示的用戶操作界面，是交互系統(tǒng)設(shè)計最直接的成果。

當(dāng)?shù)竭_(dá)各個區(qū)域的起始工位后，用戶可以通過操作菜單選擇前后工位的切換，也可點(diǎn)擊“開始裝配”按鈕，進(jìn)入裝配場景中進(jìn)行裝配仿真，或者返回主菜單進(jìn)行區(qū)域的重新選擇;同時，當(dāng)前工位的信息也會通過Text文本簡要介紹，設(shè)計較為人性化。次級操作GUI界面如圖3所示。

2.3 ? ?漫游系統(tǒng)工位切換設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)某型民機(jī)機(jī)頭虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)其中一個重要的目的是：為用戶提供合理的工位切換路徑以及便利的操作手段。與其他漫游系統(tǒng)最大的不同是：該漫游系統(tǒng)需要按照機(jī)頭裝配流程，沿著固定路徑進(jìn)行漫游。為了能夠?qū)崿F(xiàn)在眾多的裝配工位之間按照特定順序切換，該漫游系統(tǒng)引入有限狀態(tài)機(jī)，通過構(gòu)建狀態(tài)機(jī)來控制漫游的位置。圖4為引入有限狀態(tài)機(jī)的工位切換狀態(tài)圖示意。

有限狀態(tài)機(jī)是一種概念性機(jī)器，它能采取某種操作來響應(yīng)一個外部事件[6]。具體采取的操作不僅能取決于接收到的事件，還能取決于各個事件的相對發(fā)生順序。每個特定的工位對應(yīng)一種狀態(tài)，裝配工位之間的切換就是狀態(tài)機(jī)中各個狀態(tài)的切換。有限狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用可以把多狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件解耦，同時使得代碼更具有可讀性，維護(hù)起來更加容易。

3 ? ?結(jié)語

本文闡述了面向某型民機(jī)虛擬裝配的飛機(jī)機(jī)頭虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，重點(diǎn)介紹了虛擬廠房模型輕量化方法及漫游系統(tǒng)的功能設(shè)計。模型輕量化能夠降低后續(xù)裝配仿真系統(tǒng)對于計算機(jī)硬件的要求，使得虛擬仿真軟件開發(fā)效率大大提升。在漫游系統(tǒng)設(shè)計方面，為解決裝配工位較多，難以定位到特定工位這個問題，本系統(tǒng)將虛擬廠房劃分為多個區(qū)域，設(shè)計兩級菜單，提供合理的裝配路徑和工位切換方式。從最后實(shí)現(xiàn)的機(jī)頭虛擬裝配廠房漫游系統(tǒng)來看，整個系統(tǒng)虛擬環(huán)境非常逼真，GUI界面設(shè)計較為簡潔美觀，工位裝配場景切換方式合理便利，為后續(xù)虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 張慶輝.虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2018（36）：97-98.

[2] 劉春，張洪瑞，史紅祥，等.裝配仿真技術(shù)及其在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2015（15）：10-13.

[3] ZHANG H，F(xiàn)EI T M，GUAN W，et al.Research on visual 3D assembly process design and simulation for marine diesel engine[J].Cluster Computing，2019，22（2）：1-15.

[4] 謝振清.基于Unity3D的虛擬裝配技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018.

[5] 姜麗萍，陳文亮，黃大興.基于輕量化模型的飛機(jī)裝配過程虛擬仿真方法[J].航空制造技術(shù)，2013（12）：26-29.

[6] 吳春波，蘇厚勤.基于有限狀態(tài)機(jī)模型的GUI設(shè)計及其應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010，27（11）：141-144.

收稿日期：2020-02-19

作者簡介：王焰（1979—），男，湖北鄂州人，高級工程師，研究方向：飛機(jī)制造、裝配信息化與自動化、飛機(jī)系統(tǒng)集成等。