设计仿真系统模拟装配系统建立项目总结报告

设计仿真系统模拟装配系统建立项目总结报告拟制审核标审上海瑞比度信息科技有限公司1.范围本文件总结设计仿真系统模拟装配系统建立的工作情况。2.项目背景随着CAD/CAE/CAM/PDM等技术的迅速发展以及与制造业的相互促进，先进的数字化设计、制造和管理技术正逐步取代传统的手工方式，极大地提高了产品的创新设计能力。目前，以鼠标、键盘和二维屏幕为主要交互工具的人机界面以及在设计过程方面存在的局限性影响了数字化预装配技术的进一步发展，例如数字化预装配过程通过约束定位或者鼠标拖动将零部件直接装配到位，忽略了装配的中间过程，必然会遗漏很多装配细节，难以确定装配过程中是否有足够的人手以及装配工具的操作空间。于是将虚拟现实与产品设计相结合的虚拟装配技术就应运而生了，工作人员可以在沉浸式的环境中以更加逼真、自然的方式来模拟装配过程，进行可装配性设计。飞机设计是一个多学科协同、反复迭代、逐次逼近的过程。飞机设计中，论证和方案阶段虽然只占总研制工作量或费用的20%～30%，但对飞机设计方案的技术可行程度却占70%～80%。大型飞机构成复杂，除结构和动力装置外，还包括空调、自动飞行、通讯、电源、飞行操纵、燃油、液压、起落架、导航、气动、氧气等系统；组成零部件多，如C919大型客机由300万个零部件组成，这使得方案阶段的飞机总体布置不仅工作量大，而且受到结构空间的限制和多学科耦合的影响，在根据舒适性和经济性要求保证客舱和货舱空间后，系统/设备的布置空间十分紧张；同时，总体布置中还要考虑可装配性、维修性、测试性等要求。为避免设计缺陷向下游传递，尽早发现设计缺陷就显得十分重要和迫切。目前，上海飞机设计研究院在C919数字样机模型设计的过程中广泛应用数字化预装配技术，这样在设计阶段就能及时地发现产品装配、系统/设备布置等方面存在的问题，尽可能地避免设计缺陷从而达到缩短开发周期、提高设计质量和降低成本的目的。数字化预装配技术是在CAD平台产品数字化定义的基础上，利用计算机技术模拟产品的装配过程，达到在零件进行加工前就进行配合检查的目的，主要用于在研制过程中及时进行装配干涉检查、装配及拆卸工艺路径规划等。3.项目目标在大型客机的设计过程中构建一个全机数字样机仿真协调环境，进行实时交互，多地点和协同评审的数字化虚拟装配的研究。主要实现手段是在商业软件的基本架构之上，进行自定义开发，并研制出满足要求的接口软件。通过开发满足需求的软件环境，并配合所需的相关科研仪器和最新硬件技术包括数据手套，头盔，位置跟踪系统等，搭建大型客机的数字化仿真设计交互操作环境，提供具有沉浸感的虚拟样机可视化设计，分析，验证，展示的手段和环境，进行虚拟装配，在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动进行仿真分析，观察并试验各组成不见的相互运动情况，在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，直至获得最优设计方案。4.项目工作内容制定通过与设计部门的多次会议讨论协商，根据项目目标，针对设计仿真系统模拟装配系统建立项目制定了以下工作内容：①研究环境房间的搭建，装修；②虚拟仿真模拟装配系统搭建，调试；③虚拟仿真模拟装配系统二次开发研究，应用。5.项目实施5.1研究环境房间搭建实施项目实施前，组织召开了相关职能部门的项目协调会议，确认了研究环境的搭建要求：投影机龙门架设计载重3吨，实际载重要达到2吨以上；研究环境房间按甲方设计效果图及国家相关标准施工；研究环境房间按视听室的要求装修及系统集成，所有隐蔽工程及施工所用材料由甲方认可后方能开工，轻钢龙骨吸音吊顶，墙面做软包，地上铺地毯，具体规格以施工方案为准。同时，提交了研究环境房间的设计效果图。2011年3月～2011年4月，研究环境房间搭建和装修项目进行了实施。项目实施过程中，每周定期召开项目协调会议，通报项目进展的最新进度，就项目进行过程中出现的问题进行讨论，形成改进意见，应用于接下来的工作。2011年4月底，研究环境房间的搭建装修项目完成，完成效果如下图。研究环境房间宽13米，长18米，共有78个座位，用于显示图像的投影幕宽12米，高4米。演示厅环境达到了项目制定的要求。演示厅的建成，为C919大型客机项目的最新成果提供了一个三维立体展示的平台；同时，总体部可以协调多个设计部门在这里就C919大型客机数字样机的结构模型，动力装置，管路结构等方案进行评估，及时地发现产品装配、系统/设备布置等方面存在的问题，尽可能地避免设计缺陷从而达到缩短开发周期、提高设计质量和降低成本的目的。5.2虚拟仿真模拟装配系统建立在项目协调的过程中，总体部门提出了在设计的过程中可以在虚拟的环境中通过交互设备进行辅助设计的需求，四性与产品设计研究部也提出了希望可以在虚拟现实的环境中通过交互的方式进行实用性验证，以及维修维护工作。通过对需求的研究，现有设计平台的分析，经过反复的讨论，形成了一套虚拟仿真模拟装配系统方案，主要包括硬件平台和软件平台两个部分：虚拟仿真模拟装配系统系统简介：虚拟仿真模拟装配系统以PTC公司的DIVISIONMOCKUP软件为平台，结合数据头盔和数据手套搭建的模拟装配系统。装配系统数据来源：通过CATIA2PV转换器，将CATIA软件中已经设计好的数字样机模型经过轻量化转换成为DIVISIONMOCKUP可以读取的.VDI格式，导入DIVISIONMOCKUP软件。实现过程：模型数据导入Mockup软件后，使用者佩戴数据手套进行操作，数据手套的传感器对手指运动过程进行记录，MOCKUP软件通过TRACKD，RAPIDVRM数据接口对记录的数据进行读取，并将读取到的数据手套各关节的数据与二次开发的虚拟手各个关节点进行映射，使得虚拟手的运动与使用者手的运动同步，实现抓取功能，从而进行虚拟仿真模拟装配。系统主要包括了硬件系统，软件平台，和针对现有系统进行的二次开发：5.2.1硬件系统设计为了实现上述设计功能，设计了如下硬件环境：硬件环境包括了显示系统和交互定位系统两个部分：5.2.2交互定位系统本方案选用的是Intersense超声波定位系统。1.Intersense超声波定位系统简介IS-900系统是一个基于惯性和超声追踪混合技术的6自由度（6-DOF）追踪系统，它避免了金属的干扰，高精确，低延迟的即时数据输出，让您的画面动作更流畅，更准确。小巧的头部追踪可以很方便的放置在任何位置(如：眼镜框上方)。便利的无线模块(选配)可以让你摆脱线的束搏，感受更真实。2.Intersense超声波定位系统组成IS-900系统硬件由超声波发射条，追踪设备和处理器组成。本次项目中选用了IS-900SIMTracker处理器，12根超声波发射条，以及头部追踪器，交互追踪手柄，手部追踪器三个外设用于交互应用。3.Intersense超声波定位系统工作原理Intersense超声波定位系统主机和装有应用程序的工作站通过以太网或者串口连接进行数据通讯，超声波发射条按照地址位依次安装在跟踪区域的上方，发射超声波信号，在头部追踪器，手部追踪器等外设上有超声波接收装置，接收超声波发射条所发射出的超声波信号，接收到的信号通过外设中的无线传输装置传回至主机，主机将收集到的数据传输至工作站，从而完成一次数据的采集。Intersense超声波定位系统工作原理4.Intersense超声波定位系统的优势现有技术的追踪方式包括电磁追踪，光学追踪，以及超声波追踪，和其他两种追踪定位技术相比，超声波定位系统具有以下优势：不受金属环境、超声波噪音和光学干扰传感器在设计上摒弃超声源“视线（lineofsight）”封锁在整个追踪过程上保持一致的准确性应用于从小型座舱模拟器到大型广播室一次性系统标定在带超声源精确位置映射的初始安装期间完成出色的动作预测算法无线追踪设备追踪设备集成到OEM应用软件中Intersense超声波定位系统因为其使用的灵活，较高的数据精度，以及较强的抗干扰能力成为了这次选择的定位装置。5.2.3三维立体显示系统在这次项目中，设计了两种立体显示系统：数据头盔立体显示系统和立体投影显示系统。1.数据头盔立体显示系统在本次方案中，采用了NVISorSX60头戴式显示器作为立体显示设备。NVISorSX60头戴式显示器采用高分辨率彩色微显示屏和特制光学元件,是一款虚拟现实领域专用的数据头盔,，可显示宽视域格式图像，视觉清晰度极高。NVISorSX60符合人体工程学设计，用户可以对头盔显示器进行轻松调节，包括双眼间距离、眼睛间隙（针对戴眼镜人士设计）以及头部固定装置（用于平衡和调整数据头盔）。为使用者带来完全沉浸式的体验。NVISorSX60配有外部安装节点，能够安装大部分头部跟踪器，包括InterSense公司的IS-300和InertiaCube2以及Ascension公司的flockofbird位置追踪器和3D-Bird位置追踪器，也可与InterSense的IS-900六自由度动作跟踪器配合使用。在本次方案中，配合Intersense定位系统的头部追踪器一起使用，形成一个单人沉浸式的CAVE环境。2.立体投影显示系统在本次系统中，采用一台立体投影机作为立体显示设备。将Intersense定位系统的头部追踪器安装在立体眼镜上，这样，立体场景的模型会随着佩戴带有头部追踪器的人的视点移动而移动，与数据头盔不同，立体投影显示系统的立体图像是投在投影幕上，这样的话只要其他参与者也佩戴立体眼镜，同样可以看到立体图像，并且跟随着主视点人的视点一起移动。通过这种方式，可以进行多人的项目评估，讨论，从而得出最佳方案。3.项目照片5.2.4软件平台设计软件系统工作原理图通过与上海飞机设计研究院总体部门进行多次会议沟通，C919大型客机数字样机模型的设计是在CATIA软件中完成的。但是，对于数据信息完整的CATIA模型来说，模型的数据量特别大，并且，相当大的一部分信息在交互使用的过程中是不会用到的，因此，将原有的信息量庞大的数据模型进行轻量化，保留数据的关键信息，从而保证在交互过程中的流畅性和准确性。软件平台采用PTC公司的DIVISIONMOCKUP软件。PTC的DIVISIONMOCKUP是专业的数字样机应用软件，被许多业界领先的制造业公司所采用。从概念设计到设计综合和支持服务，它的使用惯穿于产品设计的整个生命周期中。DIVISIONMOCKUP在国内的用户中有着深厚的应用基础。因此，推荐用户使用基于PTCDIVISIONMOCKUP的系列解决方案。DIVISION提供了功能强大的可视化、共享、检查和理解虚拟设计的工具。使用它的个别配置的选项，制造商可以扩充丰富的核心功能，以完成建立仿真、研究人为因素和外观检查定型等特殊工作。另外，高效的数据准备过程支持频繁的设计检查，促进了更快速的问题确定和跟踪。通过硬件平台采集的数据，采用TRACKD和RapidVRM这两个软件读入DIVISIONMOCKUP软件中，并与软件中虚拟的人物模型进行绑定。在Trackd的工作状态下，应用软件本身并不直接访问外围设备，而是通过中间件Trackd来访问外围设备。也就是说外围设备中的感应数据首先被传输给Trackd，Trackd负责将收集到的数据发往指定的共享内存（ShareMemory），而应用软件所做的只是到指定的共享内存（ShareMemory）中去读取数据。事实上，这是一种相当先进的理念。应用软件的开发商从此可以将全部的精力集中到应用本身，而无需为种类繁多的外围设备而烦恼了。而Trackd从此将有机会成为3D接入设备的工业标准。RapidVRM是DIVISIONMockup2000i2和Trackd之间最新的增强型接口，主要负责对运动追踪系统和交互设备的信号收集。这一个解决方案可支持多达32个传感单元（sensors），31个按键（buttons）以及15个运动阻尼（valuators）同时工作。支持的平台有WINDOWS，IRIX，HPUX，和Solaris。RapidVRM支持和各类型（大型或小型）的沉浸式显示系统协同工作，并帮助应用程序（DIVI