孟光韋，王 萌，顧浩卿，李 林，馮康軍（上海機(jī)電工程研究所，上海，201109）

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彈上電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)及虛擬裝配方法

孟光韋，王 萌，顧浩卿，李 林，馮康軍
（上海機(jī)電工程研究所，上海，201109）

摘要：為了提高彈上電纜網(wǎng)在總裝過(guò)程中的一次合格率，根據(jù)彈上電纜網(wǎng)的特點(diǎn)，選擇采用CHS及PRO/E軟件進(jìn)行三維數(shù)字化電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)，并在電纜網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開(kāi)展電纜網(wǎng)虛擬裝配工藝和仿真流程的研究，從而達(dá)到提高電纜網(wǎng)裝配可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：電纜網(wǎng)；三維；虛擬裝配；可靠性

0　前言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)趨于小型化、功能多樣化，加之導(dǎo)彈制導(dǎo)及引戰(zhàn)紛紛采用復(fù)合體制，帶來(lái)彈上電氣設(shè)備數(shù)量成倍數(shù)級(jí)增加，這導(dǎo)致彈上電纜網(wǎng)敷設(shè)空間大幅度縮小，布線的密集度大大增加。隨著電纜網(wǎng)設(shè)計(jì)及工藝難度的提升，電纜網(wǎng)裝配工藝不完善、電纜局部扭曲、對(duì)接力不均、擠壓等因素產(chǎn)生故障的情況在產(chǎn)品裝配過(guò)程中多次出現(xiàn)。本文基于以上實(shí)際情況并參考相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]，提出彈上電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)及虛擬裝配方法，用以提高彈上電纜網(wǎng)一次裝配的合格率。

1　彈上電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)方法

電纜網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的目的是以數(shù)字化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，應(yīng)用CHS及PRO/E軟件建模功能模擬電纜網(wǎng)在導(dǎo)彈艙段內(nèi)實(shí)際安裝敷設(shè)情況，用軟件設(shè)計(jì)出一套互不干涉、布線合理、利于導(dǎo)線轉(zhuǎn)接、線束變截面得當(dāng)?shù)碾娎|網(wǎng)模型。整個(gè)設(shè)計(jì)流程如下：

首先由電氣設(shè)計(jì)師使用CHS軟件完成電氣拓?fù)浼半姎饨泳€設(shè)計(jì)，并在完成電氣接線設(shè)計(jì)后提供.nwf文件給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師。

同時(shí)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師使用PRO/E軟件建立三維電纜網(wǎng)組件，創(chuàng)建電纜網(wǎng)骨架，選取三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，作為三維電纜網(wǎng)布線依據(jù)。其中電連接器使用坐標(biāo)系與電氣設(shè)備進(jìn)行裝配，并通過(guò)電纜模塊的“指定元件”將其轉(zhuǎn)化為電纜布線可識(shí)別的元件。指定元件時(shí)，同時(shí)指定電連接器的入口端，作為布線時(shí)的連接參照。

其次由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師根據(jù)Top-Down三維設(shè)計(jì)原則，規(guī)劃三維電纜網(wǎng)路徑，完成電纜網(wǎng)骨架的詳細(xì)設(shè)計(jì)；根據(jù)電氣拓?fù)鋱D進(jìn)行電連接器安裝；導(dǎo)入.nwf交換文件，進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)三維布線設(shè)計(jì)，完成詳細(xì)路徑設(shè)計(jì)及電纜長(zhǎng)度調(diào)整。

圖2　電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)效果圖

最后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在完成電纜網(wǎng)三維設(shè)計(jì)后，對(duì)重要信息進(jìn)行三維標(biāo)注，便于工藝部門開(kāi)展后續(xù)的工藝仿真及工裝三維設(shè)計(jì)工作。

2　彈上電纜網(wǎng)的虛擬裝配方法

2.1基于視覺(jué)的虛擬裝配原理

基于視覺(jué)的虛擬裝配是通過(guò)光學(xué)視覺(jué)成像設(shè)備，包括熱成像儀、紅外攝像機(jī)、可見(jiàn)光攝像機(jī)等設(shè)備，實(shí)時(shí)采集用戶的操作圖像，并通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法，將捕獲得到的操作圖像序列信息映射為用戶六自由度的動(dòng)作狀態(tài)信息，并以此信息作為輸入，取代傳統(tǒng)的鼠標(biāo)鍵盤方式，以更加具有沉浸感的方式完成虛擬裝配交互全過(guò)程。

基于視覺(jué)的虛擬裝配系統(tǒng)原理如圖3所示，主要包括基于可見(jiàn)光標(biāo)記的視覺(jué)交互、基于紅外標(biāo)記的視覺(jué)交互、定位信息融合和虛擬裝配集成演示設(shè)備等。

圖1　電氣接線圖

2.2基于可見(jiàn)光標(biāo)記的視覺(jué)交互方法

基于可見(jiàn)光標(biāo)記的視覺(jué)交互方法采用普通攝像機(jī)直接對(duì)粘附于手上的可見(jiàn)光標(biāo)記進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，并完成標(biāo)記在三維空間中的定位，最后還原人手的操作信息。為了將可見(jiàn)光標(biāo)記從背景環(huán)境以及人手中分離出來(lái)，需要選定合適的顏色空間；為了區(qū)分不同手指，需要設(shè)計(jì)不同顏色特征的可見(jiàn)光標(biāo)記?？梢?jiàn)光標(biāo)記的檢測(cè)分為兩個(gè)步驟進(jìn)行：（一）搜尋色度分量滿足閾值范圍內(nèi)的所有像素點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)心計(jì)算；（二）采用區(qū)域生長(zhǎng)法對(duì)檢測(cè)得到的可見(jiàn)光標(biāo)記質(zhì)心位置進(jìn)行優(yōu)化。

可見(jiàn)光標(biāo)記的定位采用攝像機(jī)正交的方式，通過(guò)位置迭代的方式計(jì)算可見(jiàn)光標(biāo)記在三維空間中的位置信息。正交攝像機(jī)的布置方式如圖4所示，攝像機(jī)的光軸分別沿X、Y、Z軸以正交的方式進(jìn)行布置，且攝像機(jī)光心與原點(diǎn)（光軸交點(diǎn)）的距離分別為。

圖4　正交攝像機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3基于紅外標(biāo)記的視覺(jué)交互方法

采用紅外動(dòng)作跟蹤系統(tǒng)，其主體設(shè)備為紅外攝像機(jī)發(fā)出880納米波長(zhǎng)的紅外光，在空間環(huán)境中被有特殊涂層的標(biāo)記點(diǎn)反射后，由攝像機(jī)回收，于是產(chǎn)生該標(biāo)記點(diǎn)六自由度的空間位置信息，通過(guò)工作站計(jì)算出標(biāo)記點(diǎn)的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴標(biāo)記點(diǎn)的人進(jìn)行動(dòng)作捕捉。紅外攝像機(jī)捕捉標(biāo)記設(shè)備位置這一過(guò)程的基本原理如圖5所示。

圖3　虛擬裝配的系統(tǒng)原理圖

圖5　攝像機(jī)捕捉標(biāo)記設(shè)備位置原理圖

根據(jù)雙目視覺(jué)原理，兩臺(tái)位于不同安裝點(diǎn)的攝像機(jī)同時(shí)對(duì)某一標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行捕捉，所得到的兩幅灰度圖，通過(guò)圖像處理算法的解析，能夠求取該標(biāo)記點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

2.4定位信息融合

由于基于可見(jiàn)光標(biāo)記的視覺(jué)交互和基于紅外標(biāo)記的視覺(jué)交互，分別產(chǎn)生目標(biāo)的三維位置信息。需要高效地完成兩個(gè)子系統(tǒng)的定位信息的融合，融合過(guò)程中，采用并行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分布式貝葉斯量化檢測(cè)方式，聯(lián)合設(shè)計(jì)最優(yōu)融合規(guī)則以及各個(gè)子系統(tǒng)的最優(yōu)量化規(guī)則，使定位信息融合軟件子系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。

3　研究結(jié)果與展望

電纜網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)及虛擬裝配方法的出現(xiàn)為解決電纜網(wǎng)電纜局部扭曲、對(duì)接力不均、擠壓等問(wèn)題提供實(shí)用化途徑，該方法通過(guò)對(duì)電纜網(wǎng)進(jìn)行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)并建立與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境高度相似的虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真環(huán)境，最終支持工藝師在虛擬環(huán)境下利用人機(jī)交互和虛擬裝配技術(shù)，直觀、優(yōu)質(zhì)、快速地完成復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計(jì)；同時(shí)通過(guò)面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的三維工藝應(yīng)用，提高裝配工人對(duì)裝配工藝的理解效率和準(zhǔn)確性。

圖6　數(shù)字化設(shè)計(jì)及虛擬裝配流程

目前彈上電纜網(wǎng)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)已成熟并得到項(xiàng)目的廣泛應(yīng)用；虛擬裝配技術(shù)目前僅在演示及交互簡(jiǎn)單的裝配過(guò)程中得到應(yīng)用，后期將在虛擬裝配集成算法方面加大研究，促進(jìn)整個(gè)虛擬裝配流程的推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]王志斌，劉檢華，劉佳順，寧汝新.面向電纜虛擬裝配仿真的多分支彈簧質(zhì)點(diǎn)模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（3）：174-183.

[2]刁常堃，劉剛，侯向陽(yáng)，王威.基于Pro/E 軟件的電纜三維設(shè)計(jì)及制造方法[J].信息化技術(shù)，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，F(xiàn)eng 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