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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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，
6、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
7、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
8、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 DIVISION MOCKUP 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 DIVISION MOCKUP 可以读取的.VDI格式，导入 DIVISION MOCKUP 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
9、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
10、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-900 SIMTracker 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
11、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（line of sight） ” 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
12、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 NVISor SX60 头戴式显示器作为立体显示设备。NVISor SX60 头戴式显示器采用高
13、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。NVISor SX60 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。NVISor SX60 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 flock of bird位置追踪器和 3D-Bird 位置追踪器，也可与 InterSense 的 IS-9
14、00 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
15、 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
16、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 DIVISION MOCKUP 软 件 。PTC 的 DIVISION MOCKUP 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。DIVISION MOCKUP 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 PTC DIVISION MOCKUP 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
