弹上电缆网三维设计及虚拟装配方法

孟光韦，王 萌，顾浩卿，李 林，冯康军（上海机电工程研究所，上海，201109）



弹上电缆网三维设计及虚拟装配方法

孟光韦，王 萌，顾浩卿，李 林，冯康军
（上海机电工程研究所，上海，201109）

摘要：为了提高弹上电缆网在总装过程中的一次合格率，根据弹上电缆网的特点，选择采用CHS及PRO/E软件进行三维数字化电缆网设计，并在电缆网三维数字化设计的基础上开展电缆网虚拟装配工艺和仿真流程的研究，从而达到提高电缆网装配可靠性的目的。

关键词：电缆网；三维；虚拟装配；可靠性

0　前言

随着现代电子技术的发展，导弹结构趋于小型化、功能多样化，加之导弹制导及引战纷纷采用复合体制，带来弹上电气设备数量成倍数级增加，这导致弹上电缆网敷设空间大幅度缩小，布线的密集度大大增加。随着电缆网设计及工艺难度的提升，电缆网装配工艺不完善、电缆局部扭曲、对接力不均、挤压等因素产生故障的情况在产品装配过程中多次出现。本文基于以上实际情况并参考相关文献[1-2]，提出弹上电缆网三维设计及虚拟装配方法，用以提高弹上电缆网一次装配的合格率。

1　弹上电缆网三维设计方法

电缆网三维数字化设计的目的是以数字化设计为基础，应用CHS及PRO/E软件建模功能模拟电缆网在导弹舱段内实际安装敷设情况，用软件设计出一套互不干涉、布线合理、利于导线转接、线束变截面得当的电缆网模型。整个设计流程如下：

首先由电气设计师使用CHS软件完成电气拓扑及电气接线设计，并在完成电气接线设计后提供.nwf文件给结构设计师。

同时由结构设计师使用PRO/E软件建立三维电缆网组件，创建电缆网骨架，选取三维结构设计数据，作为三维电缆网布线依据。其中电连接器使用坐标系与电气设备进行装配，并通过电缆模块的“指定元件”将其转化为电缆布线可识别的元件。指定元件时，同时指定电连接器的入口端，作为布线时的连接参照。

其次由结构设计师根据Top-Down三维设计原则，规划三维电缆网路径，完成电缆网骨架的详细设计；根据电气拓扑图进行电连接器安装；导入.nwf交换文件，进行手动/自动三维布线设计，完成详细路径设计及电缆长度调整。

图2　电缆网三维设计效果图

最后结构设计师在完成电缆网三维设计后，对重要信息进行三维标注，便于工艺部门开展后续的工艺仿真及工装三维设计工作。

2　弹上电缆网的虚拟装配方法

2.1基于视觉的虚拟装配原理

基于视觉的虚拟装配是通过光学视觉成像设备，包括热成像仪、红外摄像机、可见光摄像机等设备，实时采集用户的操作图像，并通过相应的计算机视觉算法，将捕获得到的操作图像序列信息映射为用户六自由度的动作状态信息，并以此信息作为输入，取代传统的鼠标键盘方式，以更加具有沉浸感的方式完成虚拟装配交互全过程。

基于视觉的虚拟装配系统原理如图3所示，主要包括基于可见光标记的视觉交互、基于红外标记的视觉交互、定位信息融合和虚拟装配集成演示设备等。

图1　电气接线图

2.2基于可见光标记的视觉交互方法

基于可见光标记的视觉交互方法采用普通摄像机直接对粘附于手上的可见光标记进行检测和跟踪，并完成标记在三维空间中的定位，最后还原人手的操作信息。为了将可见光标记从背景环境以及人手中分离出来，需要选定合适的颜色空间；为了区分不同手指，需要设计不同颜色特征的可见光标记。可见光标记的检测分为两个步骤进行：（一）搜寻色度分量满足阈值范围内的所有像素点进行质心计算；（二）采用区域生长法对检测得到的可见光标记质心位置进行优化。

可见光标记的定位采用摄像机正交的方式，通过位置迭代的方式计算可见光标记在三维空间中的位置信息。正交摄像机的布置方式如图4所示，摄像机的光轴分别沿X、Y、Z轴以正交的方式进行布置，且摄像机光心与原点（光轴交点）的距离分别为。

图4　正交摄像机系统结构

2.3基于红外标记的视觉交互方法

采用红外动作跟踪系统，其主体设备为红外摄像机发出880纳米波长的红外光，在空间环境中被有特殊涂层的标记点反射后，由摄像机回收，于是产生该标记点六自由度的空间位置信息，通过工作站计算出标记点的位置和运动轨迹，从而实现对佩戴标记点的人进行动作捕捉。红外摄像机捕捉标记设备位置这一过程的基本原理如图5所示。

图3　虚拟装配的系统原理图

图5　摄像机捕捉标记设备位置原理图

根据双目视觉原理，两台位于不同安装点的摄像机同时对某一标记点进行捕捉，所得到的两幅灰度图，通过图像处理算法的解析，能够求取该标记点在三维坐标系中的坐标值。

2.4定位信息融合

由于基于可见光标记的视觉交互和基于红外标记的视觉交互，分别产生目标的三维位置信息。需要高效地完成两个子系统的定位信息的融合，融合过程中，采用并行系统结构的分布式贝叶斯量化检测方式，联合设计最优融合规则以及各个子系统的最优量化规则，使定位信息融合软件子系统的性能达到最优。

3　研究结果与展望

电缆网三维数字化设计及虚拟装配方法的出现为解决电缆网电缆局部扭曲、对接力不均、挤压等问题提供实用化途径，该方法通过对电缆网进行三维数字化设计并建立与现场环境高度相似的虚拟装配工艺设计与仿真环境，最终支持工艺师在虚拟环境下利用人机交互和虚拟装配技术，直观、优质、快速地完成复杂产品的装配工艺设计；同时通过面向生产现场的三维工艺应用，提高装配工人对装配工艺的理解效率和准确性。

图6　数字化设计及虚拟装配流程

目前弹上电缆网三维数字化设计的相关技术已成熟并得到项目的广泛应用；虚拟装配技术目前仅在演示及交互简单的装配过程中得到应用，后期将在虚拟装配集成算法方面加大研究，促进整个虚拟装配流程的推广。

参考文献

[1]王志斌，刘检华，刘佳顺，宁汝新.面向电缆虚拟装配仿真的多分支弹簧质点模型[J].机械工程学报，2014，50（3）：174-183.

[2]刁常堃，刘刚，侯向阳，王威.基于Pro/E 软件的电缆三维设计及制造方法[J].信息化技术，2013，4（2）：46-53.

3-D Bunched Cable Net Design And Virtual Assembly Technology On Missiles

Meng Guangwei，Wang Meng，Gu Haoqing，Li Lin，Feng Kangjun
（Shanghai Electromechanical Engineering Institute，Shanghai，201109）

Abstract：In order to improve the qualified rate of bunched cable net during the missile assembling process，we adopt CHS and PRO/E software to digitalize the design of 3-D bunched cables， based on which we carry out the virtual assembly technology and simulation research， and finally improve the bunched cables assembly reliability。

Keywords：cable net；3-D；Virtual Assembly；reliability