專利名稱：基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)和虛擬裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)，其包括CAD建模模塊；用于設(shè)計(jì)零件及工裝工具，并且通過(guò)定義一系列配合約束關(guān)系，將這些零件組裝在一起，以得到產(chǎn)品的裝配模型；虛擬裝配規(guī)劃模塊用于建立基于幾何約束的虛擬環(huán)境，根據(jù)記錄的在虛擬環(huán)境中執(zhí)行的拆卸方向、拆卸工具以及優(yōu)先約束信息，規(guī)劃出優(yōu)化的裝配順序，并且對(duì)優(yōu)化的裝配順序進(jìn)行驗(yàn)證，再在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)；裝配工藝設(shè)計(jì)模塊；用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)以及工序目錄，對(duì)工序步驟進(jìn)行編排并且裝配工藝規(guī)程；其中通過(guò)所述的CAD建模接口將CAD建模模塊與虛擬裝配規(guī)劃模塊進(jìn)行連接，以便將CAD建模模塊中所產(chǎn)生的模型導(dǎo)入到虛擬裝配規(guī)劃模塊中；通過(guò)Mockup接口將虛擬裝配規(guī)劃模塊中的工藝規(guī)劃結(jié)果導(dǎo)入到裝配工藝設(shè)計(jì)模塊中。 —種基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配方法，其包括以下步驟首先，進(jìn)行CAD建模步驟，以設(shè)計(jì)零件及工裝工具，并且通過(guò)定義一系列配合約束關(guān)系，將這些零件組裝在一起，得到產(chǎn)品的裝配模型；其次，通過(guò)CAD建模接口將CAD建模步驟中所產(chǎn)生的模型傳送給下面的虛擬裝配規(guī)劃步驟；接著，在虛擬裝配規(guī)劃步驟中，建立基于幾何約束的虛擬環(huán)境，根據(jù)記錄的在虛擬環(huán)境中執(zhí)行的拆卸方向、拆卸工具以及優(yōu)先約束信息，規(guī)劃出優(yōu)化的裝配順序，并且對(duì)優(yōu)化的裝配順序進(jìn)行驗(yàn)證，再在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)；最后，裝配工藝設(shè)計(jì)步驟，用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)以及工序目錄，對(duì)工序步驟進(jìn)行編排并且裝配工藝規(guī)程，其中，通過(guò)Mockup接口將虛擬裝配規(guī)劃步驟中生成的工藝規(guī)劃結(jié)果傳送到裝配工藝設(shè)計(jì)步驟中。


圖1是本發(fā)明所述的軟件的體系結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是衛(wèi)星虛擬裝配軟件的總體結(jié)構(gòu)框架示意圖； 圖3是本發(fā)明所述的虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)軟件的技術(shù)流程及路線示意圖； 圖4是本發(fā)明所述的功能模型圖； 圖5是本發(fā)明所述的模型管理部分結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)流程圖； 圖6是本發(fā)明所述的工藝規(guī)劃功能模型； 圖7是本發(fā)明所述的工藝規(guī)劃總體流程； 圖8精測(cè)坐標(biāo)提取界面； 圖9位置精測(cè)界面； 圖10精測(cè)查詢界面； 圖11確定坐標(biāo)系和平面位置； 圖12平移后兩平面相交； 圖13兩平面在公垂面上投影； 圖14求解公垂面上投影長(zhǎng)度； 圖15調(diào)整過(guò)程簡(jiǎn)化模型。
具體實(shí)施例方式
以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明所述的基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行步驟進(jìn)行詳細(xì)描述。 如圖l所示，系統(tǒng)可分為三個(gè)模塊，以及兩個(gè)接口部分。在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)和CAD軟件(Pro/E)的支持下，采用面向?qū)ο蟮姆椒▉?lái)開(kāi)發(fā)衛(wèi)星虛擬裝配工藝軟件。整個(gè)軟件的體系結(jié)構(gòu)如下所示。
5
(l)CAD建模部分零件及工裝工具首先在CAD軟件中設(shè)計(jì)完成。通過(guò)定義一系列配合約束關(guān)系，這些零件被組裝在一起，得到產(chǎn)品的裝配模型。 (2)工藝規(guī)劃部分首先建立一個(gè)基于幾何約束的虛擬裝配環(huán)境。用戶根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)在該環(huán)境中進(jìn)行交互式拆卸，記錄拆卸方向、拆卸工具以及優(yōu)先約束信息。應(yīng)用蟻群算法規(guī)劃出初始優(yōu)化裝配順序，在虛擬環(huán)境下仿真評(píng)價(jià)該接近優(yōu)化裝配順序，考慮碰撞干涉和工具操作空間限制等因素，不斷識(shí)別新的優(yōu)先約束和評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，重新規(guī)劃出更優(yōu)的裝配順序，在虛擬中進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)。這是一個(gè)不斷反復(fù)、不斷完善的過(guò)程，直到得到滿意的最佳裝配順序?yàn)橹埂?(3)培訓(xùn)和示教部分對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品而言，其裝配過(guò)程需要一定操作技能和經(jīng)驗(yàn)。裝配人員掌握這些技能和經(jīng)驗(yàn)需要一個(gè)較長(zhǎng)過(guò)程，基于虛擬現(xiàn)實(shí)裝配過(guò)程仿真，為工程師提供了一種極好的培訓(xùn)手段。裝配人員在虛擬環(huán)境中進(jìn)行裝配任務(wù)培訓(xùn)，充分熟悉產(chǎn)品的裝配過(guò)程，然后再進(jìn)行產(chǎn)品的實(shí)際裝配。根據(jù)虛擬裝配規(guī)劃得到的最佳裝配方案，開(kāi)發(fā)多媒體示教軟件，仿真產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程，裝配工人一邊觀看產(chǎn)品裝配過(guò)程動(dòng)態(tài)演示，一邊進(jìn)行實(shí)際裝配。 (4)CAD接口部分虛擬現(xiàn)實(shí)軟件用多面片模型來(lái)顯示物體。CAD軟件設(shè)計(jì)的模型裝入虛擬環(huán)境后，一些有用的信息必須提取出來(lái)，包括零件的幾何信息、物理信息以及配合約束信息等。 (5)虛擬裝配(Mockup)接口部分根據(jù)最佳裝配順序，在虛擬環(huán)境下仿真產(chǎn)品的裝配過(guò)程，記錄裝配路徑、裝配時(shí)間等信息，這些裝配序列和裝配過(guò)程信息從虛擬環(huán)境中輸出，輸入培訓(xùn)和示教模塊， 一方面用來(lái)生成裝配動(dòng)畫(huà)文件指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配，另一方面生成裝配工藝卡片等文件。 圖2是衛(wèi)星虛擬裝配軟件的總體結(jié)構(gòu)框架示意圖，主要由三個(gè)部分組成虛擬裝配系統(tǒng)的支撐層；虛擬裝配系統(tǒng)軟件的應(yīng)用層；虛擬裝配系統(tǒng)服務(wù)層。支撐層由模型和數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)組成，它們?yōu)槟Ｐ偷慕⒑驮O(shè)計(jì)的協(xié)同提供底層信息支持，負(fù)責(zé)保存和管理
虛擬裝配過(guò)程中的全部模型信息。通過(guò)P匿實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)和裝配生產(chǎn)部門(mén)之間的協(xié)調(diào)和溝通，保證型號(hào)衛(wèi)星產(chǎn)品產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模型修改的一致性，實(shí)現(xiàn)各部門(mén)信息重用和共享。最終，裝配生產(chǎn)部門(mén)根據(jù)虛擬裝配結(jié)果將設(shè)計(jì)改進(jìn)建議再通過(guò)P匿反饋給設(shè)計(jì)部門(mén)。服務(wù)層主要是針對(duì)虛擬裝配的需求，研究和開(kāi)發(fā)支持虛擬裝配過(guò)程中若干關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬環(huán)境的建立、裝配約束關(guān)系定義和干涉檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)等。首先建立面向衛(wèi)星裝配的虛擬環(huán)境，包括虛擬車間、工作臺(tái)、零件架等，按照層次位置關(guān)系對(duì)虛擬場(chǎng)景中的各模型結(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃和管理。在干涉檢驗(yàn)算法的支持下，建立各零部件之間以及工裝工具之間的裝配定位關(guān)系，支持面向過(guò)程的裝配規(guī)劃和仿真。應(yīng)用層主要是針對(duì)生產(chǎn)車間衛(wèi)星裝配生產(chǎn)的實(shí)際情況，應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，為解決實(shí)際裝配中存在的難題提供技術(shù)支持。通過(guò)虛擬裝配過(guò)程中的順序規(guī)劃和路徑規(guī)劃，生產(chǎn)能指導(dǎo)實(shí)際裝配生產(chǎn)的工序目錄和可視化工藝，為制定正確的質(zhì)量安全促使提供依據(jù)，為工藝優(yōu)化和現(xiàn)場(chǎng)示教提供手段。 圖3是本發(fā)明所述的虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)軟件的技術(shù)流程及路線示意圖。在設(shè)計(jì)部門(mén)設(shè)計(jì)出航天器產(chǎn)品模型，經(jīng)過(guò)模型分析后進(jìn)行模型二次加工，包括規(guī)范模型命名、完善模型結(jié)構(gòu)和建立工裝工具標(biāo)準(zhǔn)件模型，將模型輸入到Pro/E系統(tǒng)中，包括加載工裝工具標(biāo)準(zhǔn)件、加載星上儀器設(shè)備、對(duì)Pro/E二次開(kāi)發(fā)、提取零部件信息和將零部件入庫(kù)，在虛擬裝配軟件(Division Mockup)中進(jìn)行交互式裝配規(guī)劃、生成工序目錄、規(guī)劃裝配路徑、仿真裝配 操作、檢驗(yàn)碰撞干涉和制作裝配動(dòng)畫(huà)，最后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)，包括提取 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)、提取工序目錄樹(shù)、規(guī)劃工序工步、仿真工序工步、生成配套信息、生成工藝規(guī)程 和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)示教。 圖4是本發(fā)明所述的功能模型圖。模型管理部分主要包括模型管理、模型手工導(dǎo) 入和PR0E中模型導(dǎo)入。此部分是對(duì)模型的一系列信息進(jìn)行輸入和管理，包括對(duì)模型的輸 入、查詢、修改、刪除、輸出等操作其中模型主要包括標(biāo)準(zhǔn)件、零部件及工裝工具。軟件根據(jù) 衛(wèi)星屬性和類型標(biāo)記自動(dòng)選擇要存入的數(shù)據(jù)庫(kù)表中，零部件、工裝工具、標(biāo)準(zhǔn)件模型信息在 PR0/E裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)基礎(chǔ)上通過(guò)PR0/E自動(dòng)導(dǎo)入或?qū)⒛Ｐ托畔⑹止ぽ斎氲綌?shù)據(jù)庫(kù)中，模型導(dǎo) 入的輸出作為模型管理的輸入，連同根據(jù)選擇的艙段或標(biāo)準(zhǔn)件名稱對(duì)相應(yīng)模型進(jìn)行管理， 對(duì)模型管理之后產(chǎn)生相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件信息，零部件信息，工裝工具信息，也可以將所關(guān)心的 PR0/E圖形文件進(jìn)行輸出察看。 圖5是本發(fā)明所述的模型管理部分結(jié)構(gòu)業(yè)務(wù)流程圖。第一步讀取軟件初始化生成 的文件，取得衛(wèi)星屬性信息；第二步在軟件的菜單下打開(kāi)PRO/E模型導(dǎo)入菜單，PR0/E自動(dòng) 運(yùn)行，并將基于PR0/E的二次開(kāi)發(fā)的菜單加進(jìn)PR0/E軟件的菜單中，在PR0/E中打開(kāi)一個(gè)零 件或裝配體；第三步如果打開(kāi)的是一個(gè)零件，通過(guò)提取零件信息將此零件的PR0/E模型名 以及相應(yīng)的衛(wèi)星信息加以顯示，用戶可以在顯示的界面上對(duì)零件信息進(jìn)行修改，否則打開(kāi) 的是裝配體，通過(guò)提取裝配體信息將裝配體內(nèi)模型名稱寫(xiě)進(jìn)一個(gè)文件中，讀取該文件，取得 模型名稱，通過(guò)模型名稱來(lái)判斷其類型標(biāo)記，并統(tǒng)計(jì)模型數(shù)量，在界面上顯示；第四步根據(jù) 類型標(biāo)記、衛(wèi)星屬性、PR0/E文件名將所提取的信息存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中；第五步在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中 讀取模型信息，通過(guò)判斷衛(wèi)星屬性將所關(guān)心模型信息進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；第六步根據(jù)衛(wèi)星屬性、 模型名稱(可選)、艙段(可選)來(lái)查詢所關(guān)心的模型數(shù)據(jù)；第七步可以將查詢出的模型信 息進(jìn)行修改，修改后保存，或者可以將選中的模型刪除，也可以將選中的模型的圖形信息輸 出到硬盤(pán)上(如果存在圖形信息)。 圖6是本發(fā)明所述的工藝規(guī)劃功能模型。裝配工藝規(guī)劃主要根據(jù)Mockup軟件中 生成的工序目錄來(lái)進(jìn)行工序工步的編排與仿真，最后生成產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)程。工藝設(shè)計(jì) 人員一邊觀看裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示，一邊編排工序工步。對(duì)每一個(gè)裝配工序，將圖形演示和工 序內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來(lái)，對(duì)輸入的質(zhì)量安全信息、輔料信息和配套信息等進(jìn)行管理，在使用過(guò)程中 由管理人員根據(jù)工廠的發(fā)展進(jìn)行擴(kuò)充維護(hù)，最終做到工藝人員容易掌握，使用簡(jiǎn)單、方便、 快捷。具體來(lái)講，工藝規(guī)劃部分主要實(shí)現(xiàn)以下功能a.導(dǎo)入Mockup模型生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)b.導(dǎo)入Mockup模型生成工序目錄樹(shù)c.裝配工序規(guī)劃d.工序技術(shù)文件信息e.工序質(zhì)量安全要求信息f.工序輔料信息g.工序需要的工裝/工具/設(shè)備列表h.裝配工步規(guī)劃i.裝配操作規(guī)劃
j.操作內(nèi)容文字描述
k.操作過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示
1.該操作裝配的零部件信息
m.該操作裝配零件的路徑信息
n.工藝信息的編輯、保存、查詢、修改 圖7是本發(fā)明所述的工藝規(guī)劃總體流程。工藝規(guī)劃部分可進(jìn)一步細(xì)分為工序工步 規(guī)劃與工序工步仿真兩個(gè)子模塊，工序工步規(guī)劃模塊主要根據(jù)工序目錄樹(shù)來(lái)編排產(chǎn)品的裝 配工序，每一裝配工序又劃分為許多工步，每一工步對(duì)應(yīng)多個(gè)裝配操作，工藝規(guī)劃的任務(wù)就 是把工序、工步、操作和裝配的零件、需要的工裝工具、零件的裝配過(guò)程仿真及其裝配路徑 等關(guān)聯(lián)起來(lái)。工序工步仿真就是將產(chǎn)品的裝配過(guò)程根據(jù)規(guī)劃好的工序、工步、操作一步步地 演示出來(lái)，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和修改。工藝規(guī)劃的總體流程如下所示，首先導(dǎo)入衛(wèi)星產(chǎn)品的 Mockup模型，生成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)與工序目錄樹(shù)，據(jù)此進(jìn)行裝配工序的規(guī)劃，裝配工序下面又分 為裝配工步，裝配工步又分為裝配操作，每一裝配操作對(duì)應(yīng)零部件、工裝工具、儀器設(shè)備、標(biāo) 準(zhǔn)件等配套信息，將裝配操作和裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)關(guān)聯(lián)起來(lái)，指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)人員一邊進(jìn)行觀看 裝配過(guò)程動(dòng)畫(huà)演示， 一邊進(jìn)行工藝編排。
精度測(cè)試部分 為解決衛(wèi)星裝配過(guò)程中精測(cè)效率較低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了精測(cè)分析模塊。具體要 實(shí)現(xiàn)的功能如下 提取衛(wèi)星精測(cè)過(guò)程中的有效數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，建立墊片厚度調(diào)整分析數(shù)學(xué)模型， 并提供實(shí)時(shí)圖形演示，為精測(cè)人員提供理論指導(dǎo)。詳細(xì)地說(shuō)，對(duì)衛(wèi)星上的各種姿態(tài)敏感元件 和儀器，如10N推力器、490N發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)量輪、陀螺組件、地球敏感器、太陽(yáng)敏感器組件等，建 立墊片厚度調(diào)整分析的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)儀器檢測(cè)立方鏡的理想位置法線光路與實(shí)際位置法 線光路之間的夾角，計(jì)算出相應(yīng)的需要調(diào)整的位置和調(diào)整墊片的厚度，在三維圖形環(huán)境下 給出姿態(tài)調(diào)整和管路變化的光路演示，并給出實(shí)時(shí)的角度變化。每次測(cè)量后結(jié)果都可以保 存在數(shù)據(jù)庫(kù)中以待日后查詢。 精測(cè)分析部分現(xiàn)階段主要分為下面圖示的三個(gè)功能模塊，利用的主要技術(shù)是VC 開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、VC三維動(dòng)畫(huà)OpenGel技術(shù)、VC對(duì)Pro/E的二次開(kāi)發(fā)對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取 的技術(shù)。 在精測(cè)調(diào)整過(guò)程中所有數(shù)據(jù)均為在整星坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的三個(gè)支點(diǎn) 或四個(gè)支點(diǎn)的坐標(biāo)利用Pro/E 二次開(kāi)發(fā)技術(shù)從Pro/E模型中提取出來(lái)，單個(gè)零件的中心坐 標(biāo)提取比較容易，但定位孔在零件表面上，具體坐標(biāo)的提取具有一定的困難，如何解決是一 個(gè)很重要的問(wèn)題。所以要通過(guò)提取出來(lái)的定位孔軸線中心的局部坐標(biāo)與零件在全局坐標(biāo)下 的位置矩陣叉乘得到定位孔軸線中心的全局坐標(biāo)，具體操作界面如圖8所示，為用戶使用 方便，添加了添加、查詢、刪除功能。 精測(cè)調(diào)整計(jì)算，通過(guò)對(duì)模型數(shù)據(jù)的提取并初始化獲取位置偏差計(jì)算的原始數(shù)據(jù)， 根據(jù)事先建好的數(shù)學(xué)模型，對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出實(shí)際狀態(tài)下需要調(diào)整的偏差值，并可 得到調(diào)整后的中心點(diǎn)坐標(biāo)。然后在由精測(cè)人員根據(jù)這個(gè)偏差值來(lái)決定添加墊片的厚度和數(shù) 量。這個(gè)偏差值為將儀器調(diào)整到規(guī)范狀態(tài)的最終結(jié)果，得到最終結(jié)果后，用戶還可以通過(guò)輸 入任意支點(diǎn)的調(diào)整量來(lái)看分步調(diào)整后的角度變化結(jié)果和中心點(diǎn)坐標(biāo)，其調(diào)整的變化過(guò)程在精測(cè)過(guò)程演示中會(huì)有一個(gè)詳細(xì)的體現(xiàn)。 圖9為設(shè)計(jì)的位置精測(cè)操作界面，測(cè)試信息在進(jìn)入系統(tǒng)后初始化得到，測(cè)試條件 由人工手動(dòng)選擇，坐標(biāo)提取調(diào)用精測(cè)坐標(biāo)提取模塊，自動(dòng)提取Pro/E中被測(cè)模型的坐標(biāo)值， 計(jì)算按鈕負(fù)責(zé)計(jì)算被調(diào)面調(diào)整到目標(biāo)狀態(tài)的偏差量，調(diào)整按鈕負(fù)責(zé)單步調(diào)整過(guò)程并產(chǎn)生相 應(yīng)數(shù)據(jù)，演示按鈕負(fù)責(zé)調(diào)整過(guò)程的三維動(dòng)畫(huà)演示，保存按鈕將所有得到數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù) 中。 精測(cè)查詢，利用查詢條件查詢以往測(cè)過(guò)的數(shù)據(jù)，被測(cè)儀器代號(hào)和測(cè)量日期為兩個(gè) 獨(dú)立的條件，可以單獨(dú)查詢也可以組合查詢，結(jié)果以列表形式顯示出來(lái)，如沒(méi)有符合條件記 錄，會(huì)自動(dòng)彈出提示信息。選擇結(jié)果列表中任意一行，被選中行以高亮顯示，操作者可以點(diǎn) 擊刪除按鈕刪除列表并將數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄也一并刪除，操作成功彈出提示信息，如圖10所 示。
精測(cè)計(jì)算過(guò)程
1.精測(cè)坐標(biāo)提取 在精測(cè)分析模塊中，若要進(jìn)行調(diào)整計(jì)算，被測(cè)面支點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)位置的坐標(biāo)必須作為已 知條件，然而實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)位置坐標(biāo)是未知的，為此，只能在Pro/E三維模型中提 取，這就利用到了 Pro/E的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在Pro/E中，可以提出零件在全局坐標(biāo)系中的位 置矩陣，還可以提取出支點(diǎn)孔軸線中心的局部坐標(biāo)，將此孔中心局部坐標(biāo)乘以零件全局坐 標(biāo)系中的位置矩陣，就可以得到支點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)位置坐標(biāo)，數(shù)學(xué)模型如下
支點(diǎn)孔中心位置矩陣T1 = [xl yl zl 1]
—all al2 al3 al4_ a21 a22 a23 a24 a31 a32 a33 a34 a41 a42 a43 a44 零件支點(diǎn)全局系坐標(biāo)T = T1XT2 = [xl' yl' zl']
所得零件支點(diǎn)全局系坐標(biāo)T即為計(jì)算偏差兩所需標(biāo)準(zhǔn)位置平面支點(diǎn)坐標(biāo)。通過(guò)調(diào) 整計(jì)算中坐標(biāo)提取按鈕添加到測(cè)試條件點(diǎn)坐標(biāo)編輯框中。
2.精測(cè)調(diào)整計(jì)算 計(jì)算過(guò)程利用VC編程實(shí)現(xiàn)，ABC(ABCD)三(四)點(diǎn)由Pro/E模型數(shù)據(jù)確定，即操 作界面編輯框中的顯示值，在由程序判斷最低點(diǎn)位置即可。 見(jiàn)圖11，面ABC和面A' B' C'分別為待調(diào)整儀器被測(cè)面的目標(biāo)位置平面和實(shí)際位 置平面，nl， n2分別為其法向量，通過(guò)對(duì)ABC三個(gè)支點(diǎn)添加墊片，使有偏移的實(shí)際位置面調(diào) 整到目標(biāo)位置，從而達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求。 假定相對(duì)于目標(biāo)位置平面，A點(diǎn)為最低點(diǎn)(以設(shè)計(jì)的目標(biāo)位置平面為基準(zhǔn))，將目 標(biāo)位置平面ABC平移至A點(diǎn)與A'點(diǎn)重合，并將兩平面法向量nl、 n2平移至A點(diǎn)處，則兩平 面交線為過(guò)A點(diǎn)并垂直于nl、 n2的一條直線L，如圖12所示，法向量nl、 n2構(gòu)成平面M，即 平面M為平面ABC和平面A' B' C'的公垂面。 設(shè)nl和n2均為單位法向量，與整星坐標(biāo)系各個(gè)坐標(biāo)軸的夾角分別為a 1， P 1， Yl ;a2， P2， Y2，則有 nl = {cos a 1， cos P 1， cos Y 1} ;n2 = {cos a 2， cos P 2， cos Y 2}。 零件全局坐標(biāo)位置T2^
矩陣
直線L的法向量
nl = nlXn2 = {cosP 1cosy2-cosP 2cosy 1， cosa 2cosy 1-cosy2cosa 1 cos a lcos P 2_cos a 2cos P 1} 設(shè)兩向量間夾角為a ，利用兩向量間夾角公式cosc^J^^，即可得出a 。
Inl|.|n2| 將兩個(gè)平面分別向平面M做投影，構(gòu)成圖13所示的三角形，針對(duì)實(shí)際調(diào)整過(guò)程中
只加不減原則，只需將A' 、 B'點(diǎn)抬高至與目標(biāo)位置平面投影線平行即可。 其中hl二sl.tga ;h2 = s2 tga ， sl， S2為AB， AC在公垂面上的投影長(zhǎng)度。 由此可知最低點(diǎn)A'點(diǎn)需墊高h(yuǎn)2， B'點(diǎn)需墊高h(yuǎn)2-hl，此為被測(cè)面調(diào)整值的最終
結(jié)果，圖14中AE、 AF即為目標(biāo)位置平面AB， AC的投影長(zhǎng)度sl、 s2。 sl = |AB|*sin 9 1 s2 = | AC | *sin 9 2 ; e 1， e 2由向量夾角公式得到，
「 ， n t^|ABxnl| ^ |ACxnl|cos 9 l二cos6*1 = ]~~T"r4cos(92
逸
l守向量
|AB|.|nl| i — |AC|.|nl|
AB， AC直線向量由各點(diǎn)坐標(biāo)求得，此處坐標(biāo)值為標(biāo)準(zhǔn)平面位置的坐標(biāo)，求解時(shí)注意 標(biāo)準(zhǔn)化，
—xa 力一，—
ab向量{^^r,^7^,~r^};
|圳，I, , |asAC向量:{^^,"^,^~}; 根據(jù)這些條件就可以計(jì)算出三點(diǎn)的調(diào)整量
A點(diǎn)調(diào)整量dl = h2 = s2 X tg a ;
B點(diǎn)調(diào)整量d2 = h2-hl = (s2_sl) Xtga ;
C點(diǎn)調(diào)整量d3 = 0 (最高點(diǎn)，不用調(diào)整)；
四點(diǎn)型與三點(diǎn)型原理一致。 為使數(shù)學(xué)模型具有通用性，我們確定程序中三點(diǎn)或四點(diǎn)與操作界面的三點(diǎn)或四點(diǎn) 一一對(duì)應(yīng)，這樣最低點(diǎn)的判斷是程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)學(xué)算法的一個(gè)重要步驟。以三點(diǎn)型為例，以輸入 或讀取的a點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，ab為z軸，abxac的方向向量為x軸建立坐標(biāo)系，首先判斷c點(diǎn) 的位置，在由平面的法向量在此坐標(biāo)系中的投影位置確定最低或最高點(diǎn)，分四個(gè)象限和四 個(gè)坐標(biāo)軸八種情況討論。
3.調(diào)整過(guò)程計(jì)算分析 根據(jù)實(shí)際中只加不減的原則，忽略標(biāo)準(zhǔn)位置平面與實(shí)際位置平面可能存在的平移
量，假定兩平面必有一點(diǎn)相交，且調(diào)整變化始終在標(biāo)準(zhǔn)平面法向量的方向上。 根據(jù)圖15，標(biāo)準(zhǔn)位置三點(diǎn)(四點(diǎn))坐標(biāo)已知，則平移后目標(biāo)位置(虛線)三點(diǎn)(四
點(diǎn))坐標(biāo)只需將標(biāo)準(zhǔn)位置X、Y、Z坐標(biāo)加上最大調(diào)整量dl在三坐標(biāo)軸上投影即可，這樣任何
位置的每點(diǎn)坐標(biāo)都可以通過(guò)在目標(biāo)位置坐標(biāo)上減去每點(diǎn)的最終調(diào)整量d與分步調(diào)整量h的
差值在三坐標(biāo)軸的分量即可。以A點(diǎn)被墊高h(yuǎn)后為例 墊高后A點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為(xal， yal， zal)，
其中xal = xa+dlcos a _(dl_h)cos a ; yal = ya+dlcosP _(dl_h)cosP ; zal = za+dlcos Y _ (dl_h) cos Y ; (dl = h2) 以平移后目標(biāo)位置平面(虛線)為基準(zhǔn)進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算是為了實(shí)現(xiàn)在單步調(diào)整時(shí)每 次得到的實(shí)際坐標(biāo)值不會(huì)產(chǎn)生誤差累積。 此時(shí)位置的法向量由任意兩邊的差乘可以得到。注意的問(wèn)題是，實(shí)際情況被測(cè) 平面的法向量一定是朝向星體儀器外部的，由坐標(biāo)確定的法向量方向通過(guò)右手定則確定， 朝向有兩種可能，單純利用數(shù)學(xué)來(lái)進(jìn)行判斷很困難，為與實(shí)際相適應(yīng)，在程序中加入判斷語(yǔ) 句，將調(diào)整后所得夾角與標(biāo)準(zhǔn)位置夾角比較，確保兩者符號(hào)一致即可。
總裝工藝路線的虛擬驗(yàn)證 虛擬裝配工藝規(guī)劃是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一個(gè)典型的應(yīng)用，隨著虛
擬裝配工藝規(guī)劃技術(shù)的逐步發(fā)展和推廣，其應(yīng)用價(jià)值引起了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。通過(guò)在三
維空間中實(shí)時(shí)操縱零部件對(duì)飛機(jī)裝配中的裝配策略、工具應(yīng)用等進(jìn)行驗(yàn)證，完成了裝配工
藝規(guī)劃、實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)、零件穿透預(yù)防、裝配件的三維配合等，取得了非常好的效果。 本發(fā)明在如下方面進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新 (1)初步建立衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)的工藝可行性驗(yàn)證平臺(tái) 現(xiàn)在總體設(shè)計(jì)和總裝環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)無(wú)法有效利用，實(shí)現(xiàn)信息合理共享，還 存在著許多信息孤島，對(duì)生產(chǎn)信息化帶來(lái)了障礙。通過(guò)本發(fā)明，可以從總裝工藝的角度查找 設(shè)計(jì)中存在的一些工藝問(wèn)題，打通總體設(shè)計(jì)和總裝之間的信息鏈路，加強(qiáng)信息共享，形成總 裝工藝提前介入總體設(shè)計(jì)、及時(shí)反饋設(shè)計(jì)問(wèn)題、提高工藝水平和現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題及時(shí)有效處理反 饋的良性循環(huán)，為衛(wèi)星研制的信息化、一體化探索有效途徑。
(2)初步實(shí)現(xiàn)對(duì)總裝工藝路線設(shè)計(jì)可行性的數(shù)字化驗(yàn)證 在總裝實(shí)際操作過(guò)程中，由于一些客觀原因，需要將原計(jì)劃中的工藝步驟順序進(jìn) 行更換，對(duì)變更的工藝路線是否可行，主要依靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，這樣不僅浪費(fèi)大量的時(shí) 間，尤其是對(duì)一些沒(méi)有借鑒經(jīng)驗(yàn)的工序變動(dòng)，存在很大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)這種三維數(shù)字工藝 規(guī)劃仿真，可以非常直觀的驗(yàn)證工藝路線的可行性，為上層決策提供有效支持，減少總裝過(guò) 程反復(fù)，提高了總裝效率。
(3)建立衛(wèi)星精測(cè)的分析模型，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員的測(cè)量與調(diào)整 衛(wèi)星精測(cè)在衛(wèi)星總裝中占據(jù)著舉足輕重的地位，然而現(xiàn)階段的精度測(cè)量調(diào)整的大
部分工作都靠精測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)估測(cè)試湊完成，這對(duì)精測(cè)人員的熟練程度、經(jīng)驗(yàn)值要求比較
高，往往半天的時(shí)間只能測(cè)一兩個(gè)簡(jiǎn)單的部件，復(fù)雜的要求時(shí)間更多，效率較低，本系統(tǒng)中
的精測(cè)分析模塊建立了精度分析墊片厚度調(diào)整的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)理論計(jì)算，得出調(diào)整的方
向，調(diào)整厚度，并能在虛擬環(huán)境下進(jìn)行單步的調(diào)整分析演示，得出每次調(diào)整后變化趨勢(shì)，給
精測(cè)人員以理論指導(dǎo)和形象直觀的過(guò)程演示，減少了測(cè)量時(shí)試湊的時(shí)間，提高了精測(cè)的效
率，經(jīng)驗(yàn)比重降低，使精測(cè)人員測(cè)量難度降低，操作起來(lái)更加容易方便。
(4)初步實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵工序的可視化 現(xiàn)階段，指導(dǎo)工人進(jìn)行航天器裝配操作的都是二維圖紙和技術(shù)文件，理解起來(lái)不 直觀，并且容易發(fā)生錯(cuò)誤，需要操作工人具有較高的技能和操作經(jīng)驗(yàn)，形成了衛(wèi)星研制要依 賴于工人操作水平的不利格局，因而低層次質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，這導(dǎo)致航天器裝配質(zhì)量難
11以有效保障，研制周期較長(zhǎng)。本發(fā)明中的現(xiàn)場(chǎng)示教模塊，將把關(guān)鍵工序裝配的全過(guò)程進(jìn)行虛 擬仿真，然后錄制成視頻文件，在客戶端以動(dòng)畫(huà)的形式播放出來(lái)，使工人能夠直觀地看到整 個(gè)操作過(guò)程和裝配路徑，避免錯(cuò)裝和漏裝，降低返工率，為工藝可視化技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)指導(dǎo) 探索出 一條更加便利的變革途徑。
權(quán)利要求
一種基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)，其包括CAD建模模塊用于設(shè)計(jì)零件及工裝工具，并且通過(guò)定義一系列配合約束關(guān)系，將這些零件組裝在一起，以得到產(chǎn)品的裝配模型；虛擬裝配規(guī)劃模塊用于建立基于幾何約束的虛擬環(huán)境，根據(jù)記錄的在虛擬環(huán)境中執(zhí)行的拆卸方向、拆卸工具以及優(yōu)先約束信息，規(guī)劃出優(yōu)化的裝配順序，并且對(duì)優(yōu)化的裝配順序進(jìn)行驗(yàn)證，再在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)；裝配工藝設(shè)計(jì)模塊用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)以及工序目錄，對(duì)工序步驟進(jìn)行編排并且裝配工藝規(guī)程；其中通過(guò)所述的CAD建模接口將CAD建模模塊與虛擬裝配規(guī)劃模塊進(jìn)行連接，以便將CAD建模模塊中所產(chǎn)生的模型導(dǎo)入到虛擬裝配規(guī)劃模塊中；通過(guò)Mockup接口將虛擬裝配規(guī)劃模塊中的工藝規(guī)劃結(jié)果導(dǎo)入到裝配工藝設(shè)計(jì)模塊中。
2. 如權(quán)利要求1所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于虛擬裝配規(guī)劃模塊中還包括工藝 規(guī)劃模塊，用來(lái)導(dǎo)入虛擬裝配系統(tǒng)生成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)和工序目錄樹(shù)，進(jìn)行裝配工序規(guī)劃、工 步規(guī)劃，操作裝配零件、工裝信息的自動(dòng)提取，操作動(dòng)畫(huà)的演示。
3. 如權(quán)利要求l所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于在虛擬裝配規(guī)劃模塊中，還包括模型管理模塊，其用于模型管理、模型手工導(dǎo)入和Pro/E模型自動(dòng)導(dǎo)入。
4. 如權(quán)利要求3所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)模型輸入方式為手工導(dǎo)入時(shí)，其 目標(biāo)是將模型有關(guān)信息入庫(kù)，這些信息包括航天器的基本相關(guān)信息、Pro/E模型名稱和模型 類型標(biāo)記。
5. 如權(quán)利要求3所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于當(dāng)模型輸入方式為自動(dòng)導(dǎo)入時(shí)，其 目標(biāo)是將模型有關(guān)信息自動(dòng)導(dǎo)入，這些信息包括航天器的基本相關(guān)信息、Pro/E模型名稱、 模型類型標(biāo)記和Pro/E裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)。
6. 如權(quán)利要求3所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于模型管理模塊還用于管理標(biāo)準(zhǔn)件 信息、零部件信息和工裝工具信息。
7. 如權(quán)利要求6所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)件信息包括航天器的基本相 關(guān)信息、標(biāo)準(zhǔn)件名稱和標(biāo)準(zhǔn)件所屬艙段。
8. 如權(quán)利要求6所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于零部件信息包括航天器的基本相 關(guān)信息、零部件名稱和零部件所屬艙段。
9. 如權(quán)利要求8所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于工裝工具信息包括航天器的基本相關(guān)信息、工裝工具名稱和工裝工具所屬艙段。
10. 如權(quán)利要求l所述的虛擬裝配系統(tǒng)，其特征在于在虛擬裝配規(guī)劃模塊中還包括衛(wèi)星精測(cè)精調(diào)模塊，其用于在模擬仿真環(huán)境下對(duì)被測(cè)模型提取數(shù)據(jù)信息，建立墊片厚度調(diào)整 分析的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)儀器檢測(cè)立方鏡的理想位置法線光路與實(shí)際位置法線光路之間的夾 角，計(jì)算出相應(yīng)的需要調(diào)整的位置和調(diào)整墊片的厚度，并在三維圖形環(huán)境下給出姿態(tài)調(diào)整 和管路變化的實(shí)時(shí)演示。
11. 一種基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配方法，其包括以下步驟首先，進(jìn)行CAD建模步驟，以設(shè)計(jì)零件及工裝工具，并且通過(guò)定義一系列配合約束關(guān) 系，將這些零件組裝在一起，得到產(chǎn)品的裝配模型；其次，通過(guò)CAD建模接口將CAD建模步驟中所產(chǎn)生的模型傳送給下面的虛擬裝配規(guī)劃步驟；接著，在虛擬裝配規(guī)劃步驟中，建立基于幾何約束的虛擬環(huán)境，根據(jù)記錄的在虛擬環(huán)境 中執(zhí)行的拆卸方向、拆卸工具以及優(yōu)先約束信息，規(guī)劃出優(yōu)化的裝配順序，并且對(duì)優(yōu)化的裝 配順序進(jìn)行驗(yàn)證，再在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)；最后，裝配工藝設(shè)計(jì)步驟，用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)以及工序目錄，對(duì)工序步驟進(jìn)行編排并 且裝配工藝規(guī)程，其中，通過(guò)Mockup接口將虛擬裝配規(guī)劃步驟中生成的工藝規(guī)劃結(jié)果傳送 到裝配工藝設(shè)計(jì)步驟中。
12. 如權(quán)利要求12所述的虛擬裝配方法，其特征在于在虛擬裝配規(guī)劃步驟中還包括 工藝規(guī)劃步驟，用來(lái)導(dǎo)入虛擬裝配系統(tǒng)生成的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)和工序目錄樹(shù)，進(jìn)行裝配工序規(guī) 劃、工步規(guī)劃，操作裝配零件、工裝信息的自動(dòng)提取，操作動(dòng)畫(huà)的演示。
13. 如權(quán)利要求12所述的虛擬裝配方法，其特征在于在虛擬裝配規(guī)劃步驟中，還包括 模型管理步驟，其用于模型管理、模型手工導(dǎo)入和Pro/E模型自動(dòng)導(dǎo)入。
14. 如權(quán)利要求14所述的虛擬裝配方法，其特征在于當(dāng)模型輸入方式為手工導(dǎo)入時(shí)， 其目標(biāo)是將模型有關(guān)信息入庫(kù)，這些信息包括航天器的基本相關(guān)信息、Pro/E模型名稱和模 型類型標(biāo)記。
15. 如權(quán)利要求14所述的虛擬裝配方法，其特征在于當(dāng)模型輸入方式為自動(dòng)導(dǎo)入時(shí)， 其目標(biāo)是將模型有關(guān)信息自動(dòng)導(dǎo)入，這些信息包括航天器的基本相關(guān)信息、Pro/E模型名 稱、模型類型標(biāo)記和Pro/E裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)。
16. 如權(quán)利要求14所述的虛擬裝配方法，其特征在于在模型管理步驟中還用于管理 標(biāo)準(zhǔn)件信息、零部件信息和工裝工具信息。
17. 如權(quán)利要求17所述的虛擬裝配方法，其特征在于標(biāo)準(zhǔn)件信息包括航天器的基本 相關(guān)信息、標(biāo)準(zhǔn)件名稱和標(biāo)準(zhǔn)件所屬艙段。
18. 如權(quán)利要求17所述的虛擬裝配方法，其特征在于零部件信息包括航天器的基本 相關(guān)信息、零部件名稱和零部件所屬艙段。
19. 如權(quán)利要求17所述的虛擬裝配方法，其特征在于工裝工具信息包括航天器的基本相關(guān)信息、工裝工具名稱和工裝工具所屬艙段。
20. 如權(quán)利要求12所述的虛擬裝配方法，其特征在于在虛擬裝配規(guī)劃步驟中還包括衛(wèi)星精測(cè)精調(diào)模塊，其用于在模擬仿真環(huán)境下對(duì)被測(cè)模型提取數(shù)據(jù)信息，建立墊片厚度調(diào) 整分析的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)儀器檢測(cè)立方鏡的理想位置法線光路與實(shí)際位置法線光路之間的 夾角，計(jì)算出相應(yīng)的需要調(diào)整的位置和調(diào)整墊片的厚度，并在三維圖形環(huán)境下給出姿態(tài)調(diào) 整和管路變化的實(shí)時(shí)演示。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于航天器裝配仿真技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)，其中該虛擬裝配系統(tǒng)CAD建模模塊；用于設(shè)計(jì)零件及工裝工具，并且通過(guò)定義一系列配合約束關(guān)系，將這些零件組裝在一起，以得到產(chǎn)品的裝配模型；虛擬裝配規(guī)劃模塊用于建立基于幾何約束的虛擬環(huán)境，根據(jù)記錄的在虛擬環(huán)境中執(zhí)行的拆卸方向、拆卸工具以及優(yōu)先約束信息，規(guī)劃出優(yōu)化的裝配順序，并且對(duì)優(yōu)化的裝配順序進(jìn)行驗(yàn)證，再在虛擬環(huán)境下進(jìn)行仿真評(píng)價(jià)；裝配工藝設(shè)計(jì)模塊；用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)以及工序目錄，對(duì)工序步驟進(jìn)行編排并且裝配工藝規(guī)程。其中通過(guò)所述的CAD建模接口將CAD建模模塊與虛擬裝配規(guī)劃模塊進(jìn)行連接，以便將CAD建模模塊中所產(chǎn)生的模型導(dǎo)入到虛擬裝配規(guī)劃模塊中；通過(guò)Mockup接口將虛擬裝配規(guī)劃模塊中的工藝規(guī)劃結(jié)果導(dǎo)入到裝配工藝設(shè)計(jì)模塊中。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101739478SQ20081018060
公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月17日
發(fā)明者呂景輝, 孫剛, 易旺民, 熊濤, 符浩, 賀文興, 鄭圣余, 黃磊 申請(qǐng)人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所