CN104008256A - 一种基于delmia的电缆维修仿真的工程实践方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法。本方法包括：确定电缆信息及空间关系；到DELMIA仿真平台中建立虚拟维修环境；设计电缆接头的拆卸路径，建立电缆接头的运动动作；沿着电缆接头的拆卸路径，在电缆模型上设置不同的控制点实现电缆的柔性活动；规划手部抓取接头的运动轨迹，建立人体手部的维修动作；将仿真分段处理，实现电缆接头、电缆和人体模型这三个仿真对象的时空同步。本发明突破了以往的虚拟装配中柔性部件当作刚体考虑，无法表现电缆的柔性体，更无法进行柔性体交互式操作仿真的局限性，模拟实现了电缆的复杂运动，可发现电缆在维修中存在的问题，以改进电缆的维修性设计。

Description

一种基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法

技术领域

本发明属于虚拟现实技术辅助系统维修的技术领域，具体涉及一种基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法。

背景技术

电缆是飞机、导弹、舰船、汽车等机电系统中最重要的一类部件，据统计，电缆类零件的故障率占到总故障率的20％。在实际工程中，很多产品都包含大量的电缆组件，例如在一些电气设备舱内，能见到大量的电缆，这些电缆布线非常复杂，其设计的优劣直接影响到整个产品的质量。特别是复杂的装备系统，有必要在研制阶段早期就将电气布线设计纳入其设计考虑的范畴，但一直以来缺少有效的辅助设计手段。

目前常用的电缆设计方法是模装法和模板法，这两类方法均不利于开展复杂机电系统布局的总体规划，有发现问题晚不便修改，开发周期长，成本大的缺点。将虚拟现实技术应用于电缆的设计中，在产品数字模型里建立电缆的三维模型，可以在产品设计早期就考虑电缆的布局问题，同时利用虚拟维修仿真技术可以模拟电缆的复杂运动，发现电缆在维修中存在的问题，以改进电缆的维修性设计。

而柔性电缆在虚拟环境下的仿真比刚体更为复杂，运动也具有极大的不确定性。目前在虚拟仿真环境下，数字样机往往只有刚形体的三维模型，而无法表现电缆等柔性体，更无法进行电缆等柔性体交互式仿真操作。这样，得到的仿真结果往往不能对实际操作产生较好的指导效果。

DELMIA是一款数字化企业的互动制造应用软件。DELMIA向随需应变(on-demand)和准时生产(just-in-time)的制造流程提供完整的数字解决方案，令制造厂商缩短产品上市时间，同时降低生产成本、促进创新。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法，主要是从设备电缆布线的规范或原则出发，在对DELMIA二次开发的基础上对电缆进行静态建模和动态仿真，实现电缆插拔、整理、拖拽同步运动仿真，以达到在研制阶段早期就能尽早发现电缆维修性设计中的问题。

本发明一种基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法，通过如下步骤实现：

步骤一、确定电缆信息及空间关系，包括：待拆卸电缆、电缆连接的电气组件、电缆与电气组件之间的空间关系、电缆接插件与电气组件插接件之间的连接关系；

步骤二、建立虚拟维修环境，具体是：将产品虚拟样机、人体模型、保障设施和设备以及周围环境的三维模型导入到DELMIA仿真平台中，并设定各三维模型之间的空间位置关系；

步骤三、设计电缆接头的拆卸路径，仿真电缆接头的运动；

步骤四、仿真电缆的柔性活动，具体是：在电缆模型上选择合适的位置设置多个控制点，沿着电缆接头的拆卸路径，按距离电缆接头从后往前的顺序逐步地移动控制点，来完成电缆的位置移动，并保存电缆运动的关键帧；

步骤五、规划手部抓取接头的运动轨迹，仿真人体手部的维修动作；

步骤六、将仿真分段处理，实现电缆接头、电缆和人体三个仿真对象的时空同步，具体是：

首先，确定电缆接头移动的总距离，并将电缆接头的拆卸路径进行合理的分段；

然后，对每一段路径进行时空同步处理，并生成动画帧，具体是：对每一段路径建立一个process节点，在该process节点下添加三个并列的activity子节点，将步骤三～五中生成的对应路径分段中的电缆接头的运动、电缆的运动和人体的运动添加到相应的activity子节点下，并使三种运动持续的时间保持一致。

本发明的优点和积极效果在于：本发明通过采用对DELMIA软件中的模块进行二次开发，通过设置控制点，实现了电缆柔性活动，在此基础上，根据电缆铺设规范和电气需求及约束，分别完成电缆接头刚性运动，电缆柔性运动以及人体运动的仿真，再通过对电缆接头运动路径的合理划分，以其为引导，实现了人体模型控制电缆接头带动电缆的同步运动。本发明突破了以往的虚拟装配中柔性部件被当作刚体考虑，无法表现电缆的柔性体，更无法进行柔性体交互式操作仿真的局限性，并且采用通过对路径的分段控制的方法，实现了人体拆卸电缆的时空同步运动，保证了虚拟仿真的精确性和真实性。利用电缆的维修性仿真可以模拟电缆的复杂运动，发现电缆在维修中存在的问题，以改进电缆的维修性设计。

附图说明

图1为电子样机数据转换过程；

图2中，A和B为电缆接头运动路径设置的示意图；

图3中，A和B为电缆柔性运动的示意图；

图4为人体维修动作生成流程的示意图；

图5为每一段路径中人体拆卸电缆同步仿真生成流程示意图；

图6中，A和B为人体手部通过接头移动电缆同步仿真的示意图；

图7为本发明实施例中电缆连接的示意图；

图8为本发明实施例设备舱虚拟仿真环境示意图；

图9中，A、B和C为人体拧拔电缆时空同步运动的仿真截图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明从设备电缆布线的规范或原则出发，以DELMIA为仿真平台，对柔性电缆仿真模块进行二次开发，深入研究DELMIA中的不同仿真模块的同步配合，实现了电缆的柔性运动，在此基础上，通过合理规划电缆接头的运动路径，首先完成电缆接头的仿真动作，然后在电缆接头的导引下，规划电缆及人体跟随电缆接头的运动轨迹，完成电缆接头刚性运动、电缆的柔性活动以及人体的运动，并实现三者的协同统一。

研究电缆虚拟维修仿真技术，着重解决电缆的柔性动态行为以及电缆仿真的精确性和真实性，可以对电气组件的维修可达性、电缆动态干涉、维修人员的姿态等进行分析，发现电缆维修性设计中的问题，为提出装配设计的优化策略提供技术支持。

本发明首先根据电缆铺设规范和电气需求及约束，细化分解维修任务，明确待拆电缆的电气连接，以确定电缆的拆卸次序。然后通过规划电缆接头的运动轨迹，利用DELMIA的仿真模块，完成电缆接头运动，接着以电缆接头为引导，在电缆接头的运动轨迹基础上，规划柔性电缆和人体的运动轨迹，完成电缆和人体的建模与运动仿真，并在此过程中通过将电缆接头运动轨迹合理划分，分段完成电缆接头，柔性电缆和人体运动的同步运动，以达到人体模型精确而真实地控制电缆接头带动柔性电缆运动。

本发明是基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法，具体实施步骤如下：

步骤一、分析电缆的电气性能，明确电缆信息及空间关系。确定的信息包括：待拆卸电缆、电缆连接的电气组件、电缆与电气组件之间的空间关系、电缆接插件与电气组件插接件之间的连接关系等。

首先检测故障点，明确待拆件，检查与待拆件连接的电缆情况，确定待拆卸的电缆或电缆束，以及电缆另一端的连接情况。然后根据电缆装配序列反推出电缆拆卸的次序。

步骤二、建立虚拟维修环境。在计算机中导入并显示产品虚拟样机、人体模型、保障设施和设备以及周围环境等三维模型，然后通过设定它们之间的空间位置关系，从而建立虚拟维修的仿真环境。

本发明采用的DELMIA软件要求要以DELMIA为标准格式，所以这些软件生成的三维模型格式需要通过中间格式互相转换。具体的样机生成过程如图1所示。由SolidWorks软件或UG软件建立的产品模型，应首先转换成STEP214格式的中间文件，然后由CATIA软件打开并保存为Product格式的文件，最后结合维修仿真任务需求，将模型简化成几块并对有关操作的对象颜色等属性进行更改。然后将处理好的Product格式文件的产品虚拟样机、人体模型、保障设施和设备以及周围环境等三维模型导入到DELMIA仿真平台中，并通过设定它们之间的空间位置关系，从而建立虚拟维修的仿真环境。

步骤三、设计电缆接头的拆卸路径，建立电缆接头的运动动作。整个电缆的维修仿真过程的动态路径都是在电缆接头的引导下生成的，因此需要首先设计电缆接头的拆卸路径。电缆接头拆卸路径的设置应在避免干涉的前提下使其路径最短。

电缆接头的拧、拔、放置等仿真动作通过DELMIA仿真平台中DPM模块下的AssemblyProcess Simulation(APS)子模块来实现。

首先根据需求设置电缆接头的拆卸的运动路径；然后根据设置的拆卸路径建立接头的运动动作；最后根据需要调整修改电缆接头的路径生成新的动作，如图2的A和B所示，是生成电缆接头拆卸仿真的两个示意图，图中白色的线表示电缆接头拆卸的运动路径。

步骤四、在电缆模型上设置控制点，实现电缆的柔性活动。

规划电缆跟随接头运动的轨迹，然后在电缆模型上选择合适的位置，设置多个不同位置的控制点，按距离电缆接头从后往前的顺序沿轨迹逐步移动控制点，完成电缆的位置移动，并保存电缆运动的关键帧，将它们串联起来，通过部分刚性整体柔性的方法来实现电缆从刚性到柔性运动的仿真，如图3所示的A和B所示，为电缆位置移动的示意图。

步骤五、规划手部抓取接头的运动轨迹，建立人体手部的维修动作。在实际设备维修中，维修人员对电缆进行维修操作时，需要体现人体手部的精细动作，本发明通过合理规划手部抓取接头的运动轨迹，来实现人体维修电缆的手部动作。

人体的维修动作通过DELMIA仿真平台中Human Task Simulation模块来实现。

首先规划手部抓取接头的运动轨迹，然后将人体模型行走至维修部位，保证手部能在舒适范围内触及电缆接头，再根据接头的形状，以正确的姿势抓住接头并转动手腕，将接头拧下，最后拔下电缆，如图4所示，当接头有紧固件时，先使用工具拆卸紧固件，然后拧松接头。仿真动作有Walk Activity(行走)、MoveToPosture(姿势调整)、Pick Activity(拾取)等。

步骤六、实现步骤三、四和五的三个仿真对象的时空同步。

步骤三、四和五分别说明了电缆接头、电缆和人体模型这三者动作的生成方法，它们在DELMIA不同的子模块下创建的，为了实现实际虚拟维修仿真中人体操作接头带动电缆运动的目标，需要将仿真分段处理，来实现三个仿真对象的时空同步，如图5所示。图5中表明，先规划拆卸电缆接头的运动路径，建立电缆接头运动动画，如步骤三所示；然后规划电缆跟随电缆接头运动的轨迹，建立电缆运动变形动画，如步骤四所示；规划人体手部抓取电缆接头运动轨迹，建立人体手部及相关肢体运动动画；最后通过合理的分段处理将三者结合，实现柔性电缆虚拟维修仿真动画。

分段处理首先要确定电缆接头移动的总距离，然后根据距离的长短将电缆接头的拆卸路径划分每段的长度，长度划分的越精细，同步程度就越高，但是所要编辑的帧数就相应地多了起来，因此选择一个合理的长度划分很重要，长度划分是根据电缆的实际长度以及电缆移动的距离来确定，可由用户自己定义或者根据经验值设置。

划分完仿真阶段后，就要为每个阶段生成动画帧，方法是往process节点下添加activity节点。然后按照前面的方法为每段生成接头、电缆、手部的运动，并将它们放在activity节点下面，并进行调整使三者持续的时间保持一致。完成了上一段的仿真，下一段的仿真就按照相同的方法实现，实际仿真效果如图6所示，图6的A和B是人手拿取接头牵引电缆运动的仿真示意图。

实施例

以一种航空飞行器设备舱中的电气控制装置为例说明，该电气控制装置用来为其他用电设备提供电源。该装置位于设备舱靠近战斗部的前段，与它相连的其它设备分布不一，而这些用电设备有各自的电气接口，通过电连接器(电缆接头以及中间连接器)与电气控制装置连接与断开。

围绕设备舱中的电气控制装置展开布线需求分析，明确与之相连的设备以及相应的连接方式。电气控制装置的电缆连接示意图如图7所示，相应的电缆连接如表1所示。

表1电缆连接一览表

在三维数字样机中规划电缆的布线路径并生成电缆的三维模型，最终生成含有电缆静态模型的虚拟样机，如图8所示。

实施例中的对电缆的操作首先是电缆与用电设备之间的连接断开，需要操作的电连接器有电缆接头X122、X141、X142、X211、X135、X115、X116。维修人员直接用手即可断开与电缆接头与电气接口之间的连接，然后将电缆平放在设备舱的底板上，仿真截图如图9中的A、B和C所示。

基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法着重解决了电缆的柔性动态仿真，实现了电缆等柔性体的交互式操作仿真，提高了柔性电缆虚拟维修精确性和真实性，对工程评价更具有实际指导作用。

Claims (1)

1.一种基于DELMIA的电缆维修仿真的工程实践方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定电缆信息及空间关系，包括：待拆卸电缆、电缆连接的电气组件、电缆与电气组件之间的空间关系、电缆接插件与电气组件插接件之间的连接关系；

步骤2：建立虚拟维修环境，具体是：将产品虚拟样机、人体模型、保障设施和设备、以及周围环境的三维模型导入到DELMIA仿真平台中，并设定各三维模型之间的空间位置关系；

步骤3：设计电缆接头的拆卸路径，仿真电缆接头的运动；

步骤4：仿真电缆的柔性活动，具体是：在电缆模型上选择合适的位置设置两个以上的控制点，沿着电缆接头的拆卸路径，按距离电缆接头从后往前的顺序逐步地移动控制点，来完成电缆的位置移动，并保存电缆运动的关键帧；

步骤5：规划手部抓取接头的运动轨迹，仿真人体手部的维修动作；

步骤6：将仿真分段处理，实现电缆接头、电缆和人体三个仿真对象的时空同步，具体是：

首先，确定电缆接头移动的总距离，并将电缆接头的拆卸路径进行分段；

然后，对每一段路径进行时空同步处理，并生成动画帧，具体是：对每一段路径建立一个process节点，在该process节点下添加三个并列的activity子节点，将步骤3～5中生成的对应路径分段中的电缆接头的运动、电缆的运动和人体的运动添加到相应的activity子节点下，并使三种运动持续的时间保持一致。