面向船舶管系平台校管的虚拟装配验证系统

吕建军， 张旭斌， 杨山林， 徐仁桐

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032；2.沪东中华造船集团高级技工学校，上海 200136)

0 引 言

船舶管系制作是船舶建造的重要组成部分[1]，管系的生产进度和整船的建造计划紧密关联。船舶管系主要包括管子、法兰、阀泵、通舱管件、支撑架等，分布于船体的各部位。船舶管路布置复杂，连接方式多样，需要结合周边实际环境确定管路走向。形状较规则的管路通常在放样阶段已确定布局，对于一些难以放样的管路，一般在现场采用校管机校管方式和平台校管方式解决问题。与校管机校管方式相比，平台校管方式具有适用范围广、测量准确、用时少等优点。

目前，三维仿真技术[2]在船舶行业应用越来越广泛，在研究中针对平台校管出现的装配误差问题，采用该技术对校管进行虚拟装配验证，为后续实际工作提供可操作性保障。Unity3D[3]作为专业的三维仿真引擎，自带路径动画、碰撞检测、物理引擎[4]等功能模块，可满足仿真验证功能开发。在研究中主要对校管模型进行三维数字化建模，采用Unity3D对工艺顺序进行路径规划[5]，实现校管零部件的动态交互行为，并对在运动模拟过程中出现的仿真干涉及时发现并处理。

1 校管装配验证总体功能设计

校管装配验证涉及管件三维模型、安装工艺、安装工具等内容。采用3Dmax软件进行管子、法兰、工具等三维建模并贴图[6]，将模型导入Unity3D三维仿真引擎。在引擎中定义管子、法兰的工艺属性，定义工具的安装机制，并设计合理的工艺路径。随后模拟运行虚拟装配过程，检查仿真干涉，查找模型穿插问题。主要包括如下功能：

(1)工具库。可从工具库中选择目标工具进行安装操作，在选择目标工具后，工具会加载至三维场景执行相应的安装动作仿真。

(2)工艺属性。对管子、法兰、工具等模型定义工艺属性，用户通过鼠标点击可查看模型的相关信息。

(3)工艺路径规划。可通过算法得出合理的安装工艺路径，节省安装时间。

(4)干涉检查。可对安装过程模型交叠等问题进行干涉检查。

整个仿真验证逻辑功能设计如图1所示。

图1 总体功能设计

2 工艺路径规划

在实际安装过程中，由于管系之间紧密连接，若不按照设定的工艺路径安装，则可能出现浪费时间、安装困难、无法安装等情况，因此需要事先进行工艺路径规划，确定管件安装路径和顺序。首先对装配零部件结构树绑定工艺组件，并设置零部件之间的关系。为得到合理的运动路径，设计路径优化算法，使零部件运动路径达到最优。

在Unity3D三维空间坐标系中，常见的仿射变换为平移、旋转、缩放等[7]。由于3×3矩阵不能表示三维空间的变换，因此需要将其扩展为四维空间，用4×4矩阵表示，即齐次坐标空间[8]。四维空间设定如下：

(1)

式中：M3×3为模型旋转和缩放操作；T1×3为模型平移操作；03×1为零矩阵；右下角为标量1。

仿射变换不涉及模型缩放，设平移矩阵为T，旋转矩阵为Rx、Ry、Rz，则公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

设定管件的初始位置为Pi，经过平移(a,b,c)，再绕x轴、y轴、z轴分别旋转θ1、θ2、θ3，变成Pe。考虑Unity3D的欧拉角万向节旋转自锁问题，需要按照绕z轴→x轴→y轴的旋转顺序，则表示路径变化的仿射复合变换公式为

Pe=TRy(θ2)Rx(θ1)Rz(θ3)Pi

(6)

在设定矩阵变换式后，需要算出路径最优值。在研究中采用有限空间网格分析算法得出最优路径。在确定初始位置和目标位置后，将三维空间抽象为有限单元网格，并定义一些无法越过的障碍物单元，然后通过迭代求得最小路径。每个单元称为1个节点，该节点会向周边8个节点移动，并约定该节点为周围8个节点的父节点。单元节点向相邻节点移动的距离为10个单位距离，向对角节点移动的距离为14个单位距离。采用公式F=G+H表示，其中：F为起始节点至目标节点的总单位距离；G为起始节点至当前节点的单位距离；H为当前节点至目标节点的单位距离。有限元网格划分路径计算如图2所示，其中：A为初始位置；B为目标位置；圆形为障碍物；三角形为最优路径。

图2 路径计算

设定2个单元列表：待检查列表、已检查列表。待检查列表保存待计算的单元节点，每次迭代函数均从开放列表中选取F值最小的节点作为当前节点，然后将当前节点的邻居节点添加至待检查列表中作为待计算节点。在选出新的当前节点后，原来的节点不再加入计算，为避免重复计算，将其移入已检查列表。在邻居节点循环时，若该节点不

在待检查列表中，则需要设置F、G、H和父节点并将其加入待检查列表。若当前节点为目标位置，则循环结束，根据当前节点的父节点进行追溯，得出最小路径。有限空间网格分析流程如图3所示。

图3 有限空间网格分析流程

在确定最优路径后，需要进行路径模拟运动，在研究中采用DOTween组件[9]对路径进行模拟仿真。DOTween是在Unity中常用的运动工具组件，通过设定过渡点、运动速度、运行时间等参数[10]，即可插值模拟整个运动流程。

3 仿真干涉检查

在管子实际安装过程中，有时由于考虑不周而出现模型无法安装的现象。为避免该问题，可在虚拟环境中进行碰撞检查[11]，提前查出干涉问题。Unity支持碰撞检测功能，常见的碰撞体组件为Box Collider、Capsule Collider等，由于这些组件只是在模型表面添加1个包围盒，因此精确程度不高。针对管件等形状不规则的物体，在研究中主要采用Mesh Collider碰撞组件，可精确表现外轮廓。模型在虚拟场景中运动时，可给碰撞体定义触发函数OnTriggerEnter(Collision cln)、OnTriggerStay(Collision cln)、OnTriggerExit(Collision cln)；在其他物体与其发生干涉时，触碰停止，同时受碰撞的模型突出显示。

4 校管装配可行性实例验证

为验证管件装配情况，对实际应用场景进行1∶1建模。首先，搭建虚拟三维场景，导入待校管的管件，设定管件装配顺序，绑定碰撞体组件，进行路径规划。然后，模拟整个过程运动，若在运动过程中出现干涉碰撞，则程序自动判断并算出发生碰撞的模型。仿真效果如图4所示。

图4 仿真效果

5 结 语

船舶管系平台校管是在主管上装配搭焊式法兰的一种方式，通过转动法兰确保管子和法兰的螺孔相对位置，在完成校管后，将管段搬至工程现场进行安装连接。在实际工程应用中，由于工人经验不足、螺孔转角计算错误或管子尺寸裕量不足等原因，使制作完成的管端累计误差过大，导致管段无法安装，浪费时间和成本。为提高平台校管的可靠性，可采用虚拟仿真技术对校管工艺进行虚拟装配可行性验证，及早发现装配问题，减少返工，提高生产效率。