民机机头装配厂房漫游系统关键技术研究
2020-07-04王焰冯乐乐马志明周普莉李波
王焰 冯乐乐 马志明 周普莉 李波
摘要:飞机机头装配厂房漫游系统的实现可为管理、技术人员或待培训人员提供装配工位布局最直观的认知,为飞机制造企业的工人培训活动带来了便利。现利用CATIA对三维模型进行轻量化处理,然后将模型导入Unity3D,以第一人称视角将整个装配环境展现出来,实现各个工位装配场景合理便捷的切换。
关键词:漫游系统;三维模型简化;Unity3D
0 引言
目前,广泛应用于航空制造业的虚拟装配仿真技术明显加快了装配工艺方案制定和实施的速度,有利于优化装配工艺方案,从而有效保证装配质量。在传统的装配过程中,经常会发生零部件间的干涉、装配顺序不合理或装配工具工装不方便等现象[1]。虚拟装配仿真技术的应用,能在设计阶段发现问题,有效减少设计错误、缩短研制周期、降低风险、节约成本[2]。基于实测模型进行数字化装配,提取装配件的实际关键尺寸,根据虚拟技术进行实测值的预装配,从而提前发现干涉和不协调问题[3],可以很大程度上提高装配质量。Boeing777在研制的过程中,采用数字化、无纸化设计,并采用装配仿真技术,使产品开发周期缩短了40%~60%,制造成本降低了30%~
40%[4]。而虚拟装配厂房漫游系统以第一人称的视角将整个装配环境展现出来,能够较逼真地让人了解整个装配工位布局及装配流程,实现各个装配场景之间合理便捷的切换。
本文以某型民机机头为对象,重点研究该型民机机头虚拟装配厂房模型简化与厂房漫游系统实现的关键技术,利用CATIA、3DSmax建模软件和游戏开发引擎Unity3D,开发出了一套机头虚拟装配厂房漫游系统。
1 机头虚拟装配厂房漫游系统的实现流程
整个系统实现工作分为两部分:一部分是三维模型的处理,另一部分是在Unity3D中的功能实现,具体流程如图1所示。
首先在CATIA软件中对飞机各个系统、零部件及场景模型进行轻量化处理,导入3DSMax软件中进行模型优化、渲染和贴图并导出FBX格式文件,然后将FBX格式文件导入Unity3D开发引擎中,使用开发工具和C#语言根据厂房漫游系统总体框架进行功能开发,包括系统UI及交互设计、漫游功能设计等,其中漫游功能设计包括虚拟环境展示、系统漫游及观察、装配工位信息展示等功能。
由于飞机机头装配厂房CATIA模型精度较高且存在大量的冗余数据,如直接用原有三维模型进行装配仿真会对计算机硬件提出极高的要求[5],所以为了后续装配仿真工作能够顺利开展,首先要对原有机头装配场地三维模型进行轻量化处理。CATIA中的DMU优化器(DMU Optimizer)能够通过丰富的计算工具,优化DMU模型数据的几何表达方法,有效利用计算机资源,提高处理大型装配的能力,有利于关联和协同设计。
本文利用DMU优化器中的模型简化(Simplification)功能对机头装配厂房模型进行轻量化处理,有效减少模型冗余数据,减小模型文件大小,同时可以保留选择的模型精度。机头装配厂房部分模型轻量化后的结果如图2所示。
从最终的简化模型可以看出,相对于原模型,简化模型会丢失一些面,但简化后的模型经过优化,其精度对于后续的装配仿真是足够的。
2 某型民机机头虚拟装配厂房的漫游系统实现
2.1 整体功能介绍
根据实际需求,机头虚拟装配厂房漫游系统的整体功能分为三部分:
(1)整个虚拟装配厂房分为上部、下部、零部件和系统填充4个区,用户可以通过菜单选择前往其中一个区进行装配仿真。
(2)虚拟装配环境展示功能。通过高还原度的三维模型来建立虚拟装配厂房,整个装配环境完全仿照现实,逼真度高,能呈现真实的装配环境。
(3)漫游功能。用户可通过按钮按照设定的装配路径在不同的装配工位之间进行切换,然后到达指定的工位进行仿真训练。
2.2 漫游系统交互设计
用户与系统的交互是用户操作与体验的部分,因此这部分设计对于整个系统至关重要。图形用户界面(Graphical User Interface)简称“GUI”,即采用图形方式显示的用户操作界面,是交互系统设计最直接的成果。
当到达各个区域的起始工位后,用户可以通过操作菜单选择前后工位的切换,也可点击“开始装配”按钮,进入装配场景中进行装配仿真,或者返回主菜单进行区域的重新选择;同时,当前工位的信息也会通过Text文本简要介绍,设计较为人性化。次级操作GUI界面如图3所示。
2.3 漫游系统工位切换设计与实现
实现某型民机机头虚拟装配厂房漫游系统其中一个重要的目的是:为用户提供合理的工位切换路径以及便利的操作手段。与其他漫游系统最大的不同是:该漫游系统需要按照机头装配流程,沿着固定路径进行漫游。为了能够实现在众多的装配工位之间按照特定顺序切换,该漫游系统引入有限状态机,通过构建状态机来控制漫游的位置。图4为引入有限状态机的工位切换状态图示意。
有限状态机是一种概念性机器,它能采取某种操作来响应一个外部事件[6]。具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件,还能取决于各个事件的相对发生顺序。每个特定的工位对应一种状态,装配工位之间的切换就是状态机中各个状态的切换。有限状态机的应用可以把多状态间的转换条件解耦,同时使得代码更具有可读性,维护起来更加容易。
3 结语
本文阐述了面向某型民机虚拟装配的飞机机头虚拟装配厂房漫游系统的实现过程,重点介绍了虚拟厂房模型轻量化方法及漫游系统的功能设计。模型轻量化能够降低后续装配仿真系统对于计算机硬件的要求,使得虚拟仿真软件开发效率大大提升。在漫游系统设计方面,为解决装配工位较多,难以定位到特定工位这个问题,本系统将虚拟厂房划分为多个区域,设计两级菜单,提供合理的装配路径和工位切换方式。从最后实现的机头虚拟装配厂房漫游系统来看,整个系统虚拟环境非常逼真,GUI界面设计较为简洁美观,工位装配场景切换方式合理便利,为后续虚拟仿真系统开发奠定了坚实的基础。
[参考文献]
[1] 张庆辉.虚拟装配技术在飞机装配中的应用[J].机电信息,2018(36):97-98.
[2] 刘春,张洪瑞,史红祥,等.装配仿真技术及其在飞机装配中的应用[J].航空制造技术,2015(15):10-13.
[3] ZHANG H,FEI 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的虚拟装配技术研究与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.
[5] 姜丽萍,陈文亮,黄大兴.基于轻量化模型的飞机装配过程虚拟仿真方法[J].航空制造技术,2013(12):26-29.
[6] 吴春波,苏厚勤.基于有限状态机模型的GUI设计及其应用[J].计算机应用与软件,2010,27(11):141-144.
收稿日期:2020-02-19
作者简介:王焰(1979—),男,湖北鄂州人,高级工程师,研究方向:飞机制造、装配信息化与自动化、飞机系统集成等。