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        基于逆向工程的戰(zhàn)場搶修方法研究

        2020-03-20 07:18:42余子騰劉震磊王阿杜朱翰文李博遠(yuǎn)
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年2期
        關(guān)鍵詞:方艙戰(zhàn)場逆向

        余子騰 劉震磊 王阿杜 朱翰文 李博遠(yuǎn)

        (1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天信息技術(shù)協(xié)會,遼寧 沈陽 110136;2.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院,遼寧 沈陽 110136)

        基于逆向工程的戰(zhàn)場搶修方法是通過對物品損傷部位的三維掃描,使用逆向建模技術(shù)對其進(jìn)行損傷評價和有效修復(fù)等一系列活動,使其能在短時間再次投入戰(zhàn)場使用的技術(shù)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭空間立體化的大前提下,裝備的快速搶修在戰(zhàn)爭中的作用越來越突出,如何利用有限的資源對作戰(zhàn)裝備進(jìn)行維修,保證戰(zhàn)場補給,對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的勝利具有主導(dǎo)作用。

        1 基于逆向技術(shù)的戰(zhàn)場搶修

        1.1 戰(zhàn)場搶修目的

        戰(zhàn)場搶修的根本目的是使軍隊獲得持續(xù)的作戰(zhàn)能力并取得戰(zhàn)爭的勝利,21 世紀(jì)的戰(zhàn)場已經(jīng)發(fā)展為海陸空三位一體的立體化戰(zhàn)爭,戰(zhàn)時的敵我雙方會產(chǎn)生巨大的裝備損耗。如何高效地對裝備進(jìn)行搶修,使其能夠在短時間內(nèi)重新投入戰(zhàn)場,來恢復(fù)與保障軍隊的戰(zhàn)斗力,將成為取得最終戰(zhàn)斗勝利的關(guān)鍵因素。1973 年的第四次中東戰(zhàn)爭中,以色列及時地對損傷坦克進(jìn)行戰(zhàn)場搶修,憑借這一點最后使得其坦克數(shù)量與阿拉伯聯(lián)軍持平,此舉在國際上引起了極大的反響。自此,戰(zhàn)場搶修在各國引起高度重視。

        1.2 逆向技術(shù)

        隨著科技的快速發(fā)展,出現(xiàn)了大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機械零件。這些機械設(shè)備經(jīng)過一段時間使用或受外界因素的影響,會產(chǎn)生大量廢舊的零件,其中的大多數(shù)零件損壞是由局部破壞造成的,如果對破損部位進(jìn)行修復(fù),依然可以重新使用,直接丟棄會造成較大損失[1]。

        逆向工程的特性使其在航空維修領(lǐng)域受到了很大的重視。二代三代機修理過程中經(jīng)常會出現(xiàn)無數(shù)模、圖件缺失,或是需要更換一些按模線樣板制造的零件[2]。逆向工程受到重視的原因有3 個方面。1)獲得破損部位的數(shù)據(jù)。2)在缺少圖紙的情況下制造出與損壞零件的功能相同的零件。3)相比于傳統(tǒng)的針對損壞零件的掃描與修復(fù),逆向技術(shù)能夠有效改善零件精度與質(zhì)量。

        2 逆向工程戰(zhàn)場搶修技術(shù)分析

        逆向技術(shù)是在數(shù)據(jù)缺乏的情況下通過現(xiàn)有的設(shè)備以及重建CAD 模型來對零件進(jìn)行復(fù)制。

        要想修復(fù)零件,首先要建立精確的修復(fù)模型,模型重建可以分為以下3 部分。1)數(shù)據(jù)的獲取。2)點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。3)數(shù)據(jù)分割和曲面重建。最后是CAD 模型的構(gòu)建。逆向模型重建對測量、圖形學(xué)、計算幾何等領(lǐng)域都有涉及,常用的逆向軟件有 Imageware、Geomagic、RE-soft等[3]。

        現(xiàn)如今,破損面點云數(shù)據(jù)采集的方式主要分為接觸式和非接觸式兩大類,如圖1 所示。常見的接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要是使用三坐標(biāo)測量機(Coordinate Measuring Machine, CMM);非接觸式數(shù)據(jù)采集的發(fā)展更為多元化,例如采用光、聲和電磁等來獲取掃描點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

        圖1 點云數(shù)據(jù)采集方法分類

        數(shù)據(jù)采集技術(shù)分析:

        現(xiàn)如今,有許多的分析系統(tǒng)可以被用來對物體表面的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,由于區(qū)別于接觸式數(shù)據(jù)采集的特性,非接觸式采集更加地適用于戰(zhàn)場維修。為了突出逆向工程與非接觸式采集的便捷性,選擇了如下系統(tǒng)進(jìn)行分析。

        2.1 掃描系統(tǒng)分析

        三維激光掃描技術(shù)又稱實景復(fù)制技術(shù),現(xiàn)有的三維激光掃描儀種類多,根據(jù)戰(zhàn)場的適用性來選擇不同的工具。在使用設(shè)備對物體表面掃描時,通過發(fā)射某種形式的光現(xiàn)到被測物體的表面,測量照明位置,獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于,能夠?qū)@得的立體圖像信息轉(zhuǎn)換為二維的數(shù)字型號,便于計算機處理,為數(shù)值化提供了便捷,圖2 為激光測量系統(tǒng)原理。

        圖2 激光測量系統(tǒng)原理

        三維激光掃描系統(tǒng)又可以分為機載、車載、地面和手持幾類。為了適應(yīng)不同的環(huán)境,現(xiàn)在的很多交通工具都可搭載三維掃描系統(tǒng)來滿足人們的需求,這在很大程度上符合戰(zhàn)場的需要。

        2.2 快速成型(BP)系統(tǒng)分析

        恢復(fù)軍隊作戰(zhàn)能力是戰(zhàn)爭的必要因素,在戰(zhàn)場補給不能準(zhǔn)時到達(dá)以及大量軍事裝備破損的情況下,加快搶修尤為重要。

        圖3 快速原型開發(fā)步驟

        快速成型系統(tǒng)(BP)是從計算機數(shù)據(jù)庫掃描得到的二維數(shù)值信號,應(yīng)用CAD、CAM、CIMS 等技術(shù),快速生成設(shè)計的三維建模,在沒有任何工具、模具的條件下對應(yīng)用材料進(jìn)行疊加,快速制造出任意的原件。

        BP 系統(tǒng)制造的工藝手段如圖3 所示,是將物體CAD模型分層,每層都有它特定的大小和厚度,再一層層地導(dǎo)入打印機器中,按導(dǎo)入順序?qū)嵨锎蛴〕鰜怼?/p>

        3 逆向工程戰(zhàn)場搶修流程設(shè)計

        在研究逆向工程的過程中,我們用到了許多高精度的儀器設(shè)備,在考慮戰(zhàn)場復(fù)雜的搶修環(huán)境的情況下,兼顧物品搶修的質(zhì)量。在這些前提條件下開發(fā)一款戰(zhàn)場搶修工具箱是關(guān)鍵,要求能夠快速地獲得破損零件的表面數(shù)據(jù),運用逆向技術(shù)對破損部位進(jìn)行搶修。

        3.1 戰(zhàn)場環(huán)境

        現(xiàn)代戰(zhàn)爭的手段越來越復(fù)雜,從最初的陸軍兵種演變到了如今的陸、海、空、天、電磁等領(lǐng)域。將逆向技術(shù)應(yīng)用于戰(zhàn)場,首先需要檢驗其各種環(huán)境的適應(yīng)能力,在能夠盡量接近戰(zhàn)場環(huán)境的情況下反復(fù)測試,不斷增強逆向技術(shù)對戰(zhàn)場的適應(yīng)能力,為將來能夠?qū)⒛嫦蚬こ踢\用到實際戰(zhàn)場環(huán)境中提供依據(jù),而且能夠為戰(zhàn)場逆向技術(shù)維修工具箱的開發(fā)提供支持。當(dāng)前需要解決的問題是確認(rèn)對基于逆向工程的戰(zhàn)場維修的模擬的測試評價是可行的。

        軍隊交通運輸是作戰(zhàn)保障和后勤保障的中心環(huán)節(jié),在作戰(zhàn)中“首先登場、全程使用、最后謝幕”[4]。環(huán)境是影響戰(zhàn)場交通的主要因素之一,環(huán)境影響主要是軍隊的兵力以及作戰(zhàn)設(shè)備的移動方面,及時的戰(zhàn)場維修需要降低環(huán)境因素帶來的負(fù)面影響,減小維修設(shè)備轉(zhuǎn)移過程中軍隊因作戰(zhàn)設(shè)備無法使用導(dǎo)致的損失。

        3.2 戰(zhàn)地?fù)屝拊O(shè)備

        目前國際上主流的搶救裝備有2 種:裝甲搶救車和維修方艙。

        裝甲搶救車的底盤是裝有履帶式或輪式的裝甲車輛,機動性能優(yōu)越,按重量分為輕型、中型和重型。配備起重裝置、牽引裝置和緩沖裝置、并隨車攜帶維修工具,擁有一定的自保能力。但它不能對破損零部件進(jìn)行及時的搶救,只能將其拖拽出戰(zhàn)場后再補救。方艙是具有一定強度和壽命的獨立工作間,便于存放保養(yǎng),占地面積小,方艙主要分為電子類、機械類、電源類和其他類型。具有良好的修復(fù)能力,但由于自我防衛(wèi)能力低,容易成為敵軍的打擊目標(biāo)。

        3.3 基于逆向工程的搶修設(shè)備

        該項目提出了一種將逆向技術(shù)、戰(zhàn)場機動性能、自保能力和修復(fù)能力結(jié)合的搶修設(shè)備。采用六輪雙橋驅(qū)動的裝甲車,配備牽引裝置和起吊機械臂,將破損設(shè)備牽引和吊起。搶救車內(nèi)配備方艙,放艙內(nèi)攜帶小型掃描儀、可建模的電腦、3D 打印裝置、部分易損零部件以及維修所需的一般工具。由于這種設(shè)備的機動性能和自保能力的保障,通過搶救車的配置對設(shè)備起吊和牽引,再由搶救方艙對破損部位檢查定損,將破損部位導(dǎo)入計算機,利用打印機打印可更換零部件。要求對損傷設(shè)備進(jìn)行維修后能夠使其恢復(fù)以下能力:恢復(fù)到一般修復(fù)后的水平或是通過降低性能的方式使其恢復(fù)部分做戰(zhàn)能力,另外擁有一定的自我保護(hù)能力,能夠撤出作戰(zhàn)區(qū)域。

        4 逆向工程搶修方案設(shè)計

        戰(zhàn)場搶修通過運用戰(zhàn)場損傷評估和修復(fù)技術(shù),在戰(zhàn)場上快速修復(fù)損傷裝備;戰(zhàn)場搶修能夠為軍隊補充戰(zhàn)爭損耗、保持持續(xù)作戰(zhàn)能力提供重要的支撐[5]。該文研究的是基于逆向工程的戰(zhàn)場搶修的快速和高效,研究基于逆向技術(shù)的戰(zhàn)場搶修車和方艙在戰(zhàn)場搶修的可行性。

        通過對國內(nèi)外逆向技術(shù)的研究與調(diào)查,我們將戰(zhàn)場零部件的搶修分為有無零部件模型圖紙2 種,通過是否需要逆向建模來選擇合適的搶修方案,針對他們不同的特點進(jìn)行研究。

        4.1 搶修方案1(已有數(shù)學(xué)模型)

        作戰(zhàn)裝備總是由大量的零部件組成,這其中一部分零部件會由于磨損等因素而導(dǎo)致其易損,還有一部分零件容易成為敵軍的攻擊目標(biāo),例如郵箱、發(fā)動機等。我們可以提前將這些零部件的數(shù)學(xué)模型保存到逆向工程的工具箱中,在需要時就可以直接調(diào)出來使用,很大程度上節(jié)省了戰(zhàn)場搶修的時間,實施流程如圖4 所示。

        4.2 搶修方案2(無數(shù)學(xué)模型)

        逆向技術(shù)的目的是提高戰(zhàn)場搶修的高效性,針對那些不易受損的零件,就不需要預(yù)先在數(shù)據(jù)庫。作戰(zhàn)設(shè)備復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其中會有大量重復(fù)的零件,針對這種零件損傷,可以對其同類零件進(jìn)行掃描獲取數(shù)據(jù)實施修復(fù)。

        方案二流程如圖5 所示,這套方案還可以針對地方作戰(zhàn)設(shè)備進(jìn)行搶修。在缺少敵方軍事設(shè)備圖紙的情況下,可以對敵軍破損零件相同的零件掃描,通過逆向技術(shù)掃描、重構(gòu),生成零件的數(shù)學(xué)模型,導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫,尋找合適的修復(fù)方法,運用我方還原技術(shù)修復(fù)敵軍設(shè)備的零件為我軍所用。

        對搶修方案進(jìn)行研究,將逆向工程運用于戰(zhàn)場,合理地選擇搶修方案,能夠很好地達(dá)到戰(zhàn)場搶修的目的和要求,使戰(zhàn)場搶修更加快速、高效。

        圖4 方案一流程圖

        圖5 方案二流程圖

        5 結(jié)語

        基于逆向工程的戰(zhàn)場搶修方法是指在戰(zhàn)場上運用逆向技術(shù)的快速診斷與有效維修等工程技術(shù),保證戰(zhàn)時軍用裝備的作用能夠持續(xù)地發(fā)揮出來。將逆向工程投入到戰(zhàn)場復(fù)雜多變的情況下,憑借其高效的數(shù)據(jù)采集處理功能;對損壞零件進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集,獲取損傷情況;用逆向工程軟件反建模,導(dǎo)出修復(fù)CAD 模型;選擇合適的搶修方案。由于逆向技術(shù)的特殊性,能夠很大程度上節(jié)約戰(zhàn)場破損零部件的修復(fù)時間。戰(zhàn)場搶修是獲得戰(zhàn)爭勝利的主要因素之一,憑借逆向技術(shù)能夠持續(xù)地為我軍提供戰(zhàn)斗力的保障。

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