CN104598675A - 一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法。该装配仿真方法包括：利用参数化三维快速建模方法，由总装检验人员实际测量关键的小型部组件接口的尺寸，并输入相应参数化三维建模系统，生成基于实测尺寸的小型部组件三维模型；利用逆向点云曲面拟合方法，将大型关键部组件的实物对象的表面形状转换成离散的几何坐标点，在此基础上完成复杂曲面的建模，形成大型关键部组件的逆向三维数字化模型；装配过程仿真与分析；人机功效仿真与评估。本发明的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法将虚拟现实场景与实物逆向建模相结合，提前检测干涉点和风险源，发现装配不协调等问题，提高航天器总装工艺可靠性及总装效率。

Description

一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法

技术领域

本发明涉及装配领域，尤其涉及一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法。

背景技术

卫星装配过程中，由于制造及装配误差、热控多层的包覆实施、设计更改等因素的影响：①大型天线、大型有效载荷设备等部组件的外形与理论设计值存在一定差异，易导致实际安装过程操作空间的不足或与周边设备发生干涉；②卫星仪器设备、管路、电缆等小部件及相应直属件由于接口协调的问题，易出现与舱上接口不匹配情况。目前上述问题通常采用实物试装的方式来解决，这种方法的局限性在于：①占用大量工时，导致研制进度拖延；②存在质量风险，尤其是大型部组件的试装，易发生干涉并损害其他星上产品。

虚拟装配仿真技术是指采用虚拟现实技术对己设计完成的零部件进行预装配，并进行分析与评估，改进零部件不合理结构，优化装配工艺方案的技术。对于缩短产品开发周期，降低产品开发成本，提高装配可行度，该技术具有重要的理论意义和应用前景，因此虚拟装配仿真技术受到越来越多领域的高度重视，并可用于航天器部组件的数字化与装配，以弥补上述实物试装手段的缺陷。如专利“基于航天器装配仿真技术的虚拟装配系统和虚拟装配方法”(申请号为200810180605.8，公开号为101739478)提出一种包括计算机辅助设计(ComputerAided Design，简称CAD)建模模块、虚拟装配规划模块、装配工艺设计模块等的航天器虚拟装配系统，并给出基于该系统的虚拟装配仿真分析方法；专利“飞机装配现场可视化仿真系统”(申请号为201110059898.6，公开号为102117367)给出一种包括装配仿真数据库模块、装配仿真技术模块和装配可视化表达系统的飞机装配现场可视化仿真系统。

但是，上述各类系统和方法的装配仿真对象均使用理论设计模型，缺乏实际的产品外形尺寸数据，在理论外形数据基础上进行装配工艺仿真得到的装配工艺方案往往不能反映实际情况，指导意义有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，通过对逆向模型的虚拟试装配代替实物装配或理论模型的装配，进行装配过程仿真与分析及人机功效仿真与评估，提前识别总装危险点，设计预处理措施，提高航天器总装工艺的可靠性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，该装配仿真方法包括：步骤1：利用参数化三维快速建模方法，由总装检验人员实际测量关键的小型部组件接口的尺寸，并输入相应参数化三维建模系统，生成基于实测尺寸的小型部组件三维模型；步骤2：利用逆向点云曲面拟合方法，将大型关键部组件的实物对象的表面形状转换成离散的几何坐标点，在此基础上完成复杂曲面的建模，形成大型关键部组件的逆向三维数字化模型；步骤3：将基于实测数据完成的装配对象数字模型导入虚拟装配系统，利用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，以验证装配过程的可行性，并对装配序列进行规划及优化；步骤4：利用虚拟装配系统提供的人体功效分析模型，基于通用人机功效分析评价准则进行人机功效仿真与评估。

本发明提供的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，是面向装配车间现场协调、试装，以减少实物试装、缩短研制周期、规避操作风险为目标，实现部组件逆向建模、实测数据-虚拟模型信息融合、数字化虚拟装配仿真、人机功效分析，取代传统模装，其特点为虚拟现实场景与实物逆向建模相结合，提前检测干涉点和风险源，发现装配不协调等问题，提高航天器总装工艺可靠性及总装效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍

图1为本发明的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法流程图；

图2为图1中的小型部组件接口逆向建模的工作流程图。

图3为图1中的大型关键部组件逆向建模的工作流程图。

图4为图1中的装配过程仿真与分析的工作流程。

图5为图1中的人机功效仿真与评估工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供了一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，通过数字逆向建模手段完成产品实际外形尺寸的测量，通过实测数据-虚拟模型信息融合，将实物模型转变为三维数字化模型；通过对逆向模型的虚拟试装配代替实物装配或理论模型的装配，进行装配过程仿真与分析及人机功效仿真与评估，提前识别总装危险点，设计预处理措施，提高航天器总装工艺的可靠性。

图1所示为本发明的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法流程图100。本实施例软件平台主要基于计算机辅助三维接口应用软件(Computer AidedThree-Dimensional Interface Application,简写为Catia)或数字化企业的互动制造应用软件Delmia，包括：总装直属件等小型部件建模方法、大型关键部组件逆向建模方法、装配过程与仿真分析方法、人机功效仿真与评估方法，

在步骤110中，对总装直属件等小型部组件接口进行逆向建模。总装直属件等小型部组件的逆向建模主要面向对其与舱体结构之间安装接口的匹配性进行预先的检查和分析，建模精度相对要求较高，模型需要准确反映总装直属件的安装接口尺寸。故利用参数化三维快速建模方法，在总装直属件的交付验收环节，由总装检验人员实际测量若干关键接口尺寸，并输入相应参数化三维建模系统，生成基于实测尺寸的总装直属件三维模型。

在步骤120中，对大型关键部组件进行逆向建模。大型部组件的逆向建模主要面向大型部组件安装的操作空间和与周边零部件的干涉情况进行预先的检查和验证，建模精度相对要求较低。故采用特定的测量设备和测量方法，将实物对象的表面形状转换成离散的几何坐标点，在此基础上完成复杂曲面的建模，形成逆向三维数字化模型。

在步骤130中，装配过程仿真与分析。将基于实测数据完成的装配对象数字模型导入虚拟装配系统，对产品的可拆卸/装配性进行有效预测，利用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，一方面验证装配过程的可行性，一方面对装配序列进行规划及优化。对于总装直属件等小型部组件，还需重点分析装配接口的匹配性；对于大型关键部组件，则在分析逆向模型与理论模型几何形状误差的基础上，关注装配干涉检测。

在步骤140中，人机功效仿真与评估。利用虚拟装配系统提供的人体功效分析模型，基于通用人机功效分析评价准则如快速上肢评估法(Rapid Upper LimbAssessment，简称为RULA)、国立职业安全与健康研究所(National Instituteof Occupational Safety and Health，简称为NIOSH)、姿势分析系统(OwakoWorking-posture Analyzing System，简称为OWAS)、Snook表等，指定操作人员在完成某个装配操作过程中的作业行为、行走路线和工作负荷，对各种典型作业姿态和装配行为进行模拟，实现定性和定量分析，考察工艺中影响操作人员作业的空间开敞性、姿态舒适性和劳动强度等因素，准确地评估工艺和工装的人机性能及操作人员的劳动生产率。

图2所示为图1中的小型部组件接口逆向建模的工作流程图200。在进行建模前，需要进行数据准备，即确定整个过程所需的各个模型和各项数据。其中数据包括模型中接口的位置、关注接口处的特征参数、接口处的实测数据。要求各种数据必须完备、无冗余，能够满足整个逆向建模过程要求。小型关键零组件接口逆向建模输入的模型文件可以是*.CATPart或*.stp，要求模型为实体模型，不能只包含点、线、面元素。实测数据以Excel表格形式呈现。

通过接口参数化来实现建模过程，参数化过程即为建立模型参数(如尺寸、形状等)与三维实体模型间的关联关系，以达到自动控制和生成三维模型的目的。本实施例采用CATIA零件设计模块、知识工程顾问模块完成小型部组件接口参数提取并生成逆向模型，其工作流程如图2所示。首先，将小型部组件模型导入CATIA，依次进行模型完备性检查、模型参数化程度检查；然后，判断接口是否为参数化特征，如果判断结果为否，则分析模型接口特征，如果判断结果为是，则进行接口特征参数化流程规划，并提取接口特征，识别模型特征，创建接口参数，再将接口参数和模型特征关联；

在关联了接口参数和模型特征参数的基础上，建立与用户参数相应的接口参数列表(例如特征参数Excel表格)，接着依据实测值更改参数列表，在CATIA软件中导入此表即可驱动模型自动更改尺寸。

图3所示为图1中的大型关键部组件逆向建模的工作流程图300。本实施例采用CATIA逆向工程完成大型部组件的逆向建模，涉及的模块包括：数字化外形编辑器模块、快速曲面重建模块、创成式曲面设计模块；其中，数字化外形编辑器模块主要对测量点云进行处理，对点云进行网格化处理、建立点云交线以及生产三维轮廓特征曲线；快速曲面重建模块，主要对点云特征曲线进行处理，并在点云上拟合形成基本曲面；创成式曲面设计模块主要通过曲线构建曲面，并可以对构建的曲线和曲面进行分析，检验所建立曲面的质量。CATIA逆向工程提供了多种格式的点云输入和输出功能、点云数据处理功能以及强大的曲面、曲线直接拟合功能，生成的数学模型符合一般产品建模的基本要求，产品设计和检验流程遵循“扫描点云→特征线→面→实体模型”的一般建模流程，工作流程如图3所示。

首先，进行点云数据测量获取；其中，点云数据测量获取的常用手段包括接触式和非接触式，例如三坐标法、CT测量法、MPT测量法、超声波法、层析法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等，本实施例采用激光雷达进行大型关键部组件复杂曲面的点云数据采集。然后导入获取的点云数据，并对点云数据的完整性进行检查，再判断是否满足建模要求，如果满足建模要求，则对点云数据进行预处理。点云数据的预处理主要包括多视对齐、噪点处理与数据精简等，多视对齐的主要任务为将多次测量的数据融合到统一坐标系下；噪点处理则是对点云进行滤波处理，去掉点云中的杂点和噪点。接着对点云进行网格化处理、建立点云交线以及创建三维轮廓点云特征曲线；接着对点云特征曲线进行处理，在点云上拟合特征曲面，并分析拟合特征与点云误差是否满足精度要求，在满足精度要求的情况下，局部设计曲面，倒圆、倒角、打孔等；然后检验所建立曲面的质量，在曲面质量合格的情况下，对比分析由点云数据拟合的特征曲面构成的逆向模型和理论模型，并创建实体模型。本实施例的多视对齐采用激光雷达标配的Spatial Analyzer软件实现，其余均利用CATIA完成。

对于由点云数据拟合的特征曲面构成的逆向模型与理论模型的对比分析步骤，本实施例自编程程序采用“最近点迭代法”(Iterative Closest Point，ICP)实现两组模型的刚性配准，并通过计算对称Hausdorff距离来衡量两组几何形状误差，比较两组模型的平均误差E_m和均方根误差E_rms：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_m=\max \{d_m(S,S^{\′}),d_m(S^{\′},S)\}\\ E_{\mathrm{rms}}=\max \{d_{\mathrm{rms}}(S,S^{\′}),d_{\mathrm{rms}}(S^{\′},S)\}\\ d_m(S,S^{\′})=\frac{1}{\left|S\right|}{\∫\∫}_{p\∈S}d(p,S^{\′})\mathrm{dS}\\ d_{\mathrm{rms}}(S,S^{\′})=\sqrt{\frac{1}{\left|S\right|}{\∫\∫}_{p\∈S}d{(p,S^{\′})}^2\mathrm{dS}}\end{array}\right.$

其中

S'，为理论模型的几何曲面；

S，为由点云数据拟合的特征曲面；

|S|，为曲面S的面积；

d(p,S')，为S上顶点p到曲面S'的最近距离；

d_m(S,S')，为曲面S到曲面S'的平均距离；

d_rms(S,S')，为曲面S到曲面S'的均方根距离；

E_m，用以衡量曲面S相对于曲面S'的几何误差-平均误差；

E_rms，用以衡量曲面S相对于曲面S'的几何误差-均方根误差。

图4所示为图1中的装配过程仿真与分析的工作流程图400。首先，将产品模型、资源模型导入数字化企业的互动制造应用软件Delmia，依次完成模型完备性检查、模型轻量化处理、模型规范化处理、模型可视化处理、模型布局优化；同时，对模型进行静态干涉性检查，对存在干涉的进行调整。然后，根据主要零组件的装配顺序及安装要求，规划装配仿真Process节点，并针对每个Process节点，逐步完成装配路径规划、装配动作创建、提示文本创建、隐藏/显示创建、仿真视点创建等仿真建模工作。在仿真建模基础上，对运动中的零组件、工装/夹具、工具等进行动态干涉检查、工具可达性分析、操作空间分析，并针对发现的问题进行迭代式仿真优化。

图5所示为图1中的人机功效仿真与评估工作流程图500。首先，将产品模型、资源模型导入数字化企业的互动制造应用软件Delmia，依次完成模型完备性检查、模型轻量化处理、模型规范化处理、模型可视化处理、模型布局优化；同时，对模型进行静态干涉性检查，对存在干涉的进行调整。然后，根据主要零组件的装配顺序及安装要求，规划装配仿真Process节点，根据实际需要，创建虚拟人模型，规划虚拟人的Human Task节点，针对每个Human Task节点，逐步完成虚拟人模型位姿信息定义、操作动作定义；之后，将Human Task节点与相对应的Process节点一一关联，并进行显示/隐藏动作创建、仿真视点创建等仿真建模工作。在仿真建模基础上，对虚拟人进行装配可视性分析、操作可达性分析以及操作舒适性分析，及时发现装配过程中存在的问题，并进行迭代式仿真优化。

Claims (10)

1.一种基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述装配仿真方法包括：

步骤1：利用参数化三维快速建模方法，由总装检验人员实际测量关键的小型部组件接口的尺寸，并输入相应参数化三维建模系统，生成基于实测尺寸的小型部组件三维模型；

步骤2：利用逆向点云曲面拟合方法，将大型关键部组件的实物对象的表面形状转换成离散的几何坐标点，在此基础上完成复杂曲面的建模，形成大型关键部组件的逆向三维数字化模型；

步骤3：将基于实测数据完成的装配对象数字模型导入虚拟装配系统，利用装配过程可视化手段和干涉检查工具，直观展示产品装配过程中零部件的运动形态和空间位置关系，以验证装配过程的可行性，并对装配序列进行规划及优化；

步骤4：利用虚拟装配系统提供的人体功效分析模型，基于通用人机功效分析评价准则进行人机功效仿真与评估。

2.根据权利要求1所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述步骤1进一步包括：将小型部组件模型导入基于计算机辅助三维接口应用软件，依次进行模型完备性检查、模型参数化程度检查，然后提取接口特征，创建接口参数，再将接口参数和模型特征参数关联；在关联了接口参数和模型特征参数的基础上，建立与用户参数相应的接口参数列表，接着依据实测值更改所述接口参数列表，在计算机辅助三维接口应用软件中导入所述接口参数列表以驱动模型自动更改尺寸。

3.根据权利要求1所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括：

进行点云数据测量的获取；

导入获取的点云数据，并对点云数据的完整性及建模要求进行检查；

如果点云数据完整，且满足建模要求，则对点云数据进行预处理；

对点云进行网格化处理、建立点云交线以及创建三维轮廓点云特征曲线；

对所述三维轮廓点云特征曲线进行处理，在点云上拟合特征曲面，并分析拟合特征与点云误差；

在满足精度的情况下，进行曲面局部设计，并分析曲面质量；

在曲面质量合格时，对比分析由点云数据拟合的特征曲面构成的逆向模型与理论模型，并创建所述大型关键部组件的逆向三维数字化模型。

4.根据权利要求3所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述点云数据测量获取的常用手段包括接触式或非接触式。

5.根据权利要求3所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述点云数据测量获取的常用手段包括三坐标法、CT测量法、MPT测量法、超声波法、层析法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法。

6.根据权利要求3所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，点云数据的预处理包括多视对齐、噪点处理与数据精简，其中多视对齐为将多次测量的数据融合到统一坐标系下；噪点处理为对点云数据进行滤波处理，去掉点云数据中的杂点和噪点。

7.根据权利要求3所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，对于对比分析由点云数据拟合的特征曲面构成的逆向模型与理论模型的步骤，采用最近点迭代法实现两组模型的刚性配准，并通过计算对称Hausdorff距离来衡量两组几何形状误差，比较两组模型的平均误差E_m和均方根误差E_rms：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_m=\max \{d_m(S,S^{\′}),d_m(S^{\′},S)\}\\ E_{\mathrm{rms}}=\max \{d_{\mathrm{rms}}(S,S^{\′}),d_{\mathrm{rms}}(S^{\′},S)\}\\ d_m(S,S^{\′})=\frac{1}{\left|S\right|}{\∫\∫}_{p\∈S}d(p,S^{\′})\mathrm{dS}\\ d_{\mathrm{rms}}(S,S^{\′})=\sqrt{\frac{1}{\left|S\right|}{\∫\∫}_{p\∈S}d{(p,S^{\′})}^2\mathrm{dS}}\end{array}\right.$

其中,

S'，为理论模型的几何曲面；

S，为由点云数据拟合的特征曲面；

|S|，为曲面S的面积；

d(p,S')，为S上顶点p到曲面S'的最近距离；

d_m(S,S')，为曲面S到曲面S'的平均距离；

d_rms(S,S')，为曲面S到曲面S'的均方根距离；

E_m，用以衡量曲面S相对于曲面S'的几何误差-平均误差；

E_rms，用以衡量曲面S相对于曲面S'的几何误差-均方根误差。

8.根据权利要求1所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括：

将产品模型、资源模型导入数字化企业的互动制造应用软件，依次完成模型完备性检查、模型轻量化处理、模型规范化处理、模型可视化处理、模型布局优化；

对模型进行静态干涉性检查，对存在干涉的进行调整；

根据主要零组件的装配顺序及安装要求，规划装配仿真Process节点，并针对每个Process节点，逐步完成包括装配路径规划、装配动作创建、提示文本创建、隐藏/显示创建、仿真视点创建的仿真建模工作；在仿真建模基础上，对运动中的零组件、工装/夹具、工具进行动态干涉检查、工具可达性分析、操作空间分析，并针对发现的问题进行迭代式仿真优化。

9.根据权利要求1所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：

将产品模型、资源模型导入数字化企业的互动制造应用软件，依次完成模型完备性检查、模型轻量化处理、模型规范化处理、模型可视化处理、模型布局优化；

对模型进行静态干涉性检查，对存在干涉的进行调整；

根据主要零组件的装配顺序及安装要求，规划装配仿真Process节点，根据实际需要，创建虚拟人模型，规划虚拟人的Human Task节点，针对每个Human Task节点，逐步完成虚拟人模型位姿信息定义、操作动作定义；

将Human Task节点与相对应的Process节点一一关联，并进行包括显示/隐藏动作创建、仿真视点创建仿真建模工作，在仿真建模基础上，对虚拟人进行装配可视性分析、操作可达性分析以及操作舒适性分析，及时发现装配过程中存在的问题，并进行迭代式仿真优化。

10.根据权利要求1所述的基于实测数据的航天器部组件的装配仿真方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：基于通用人机功效分析评价准则，指定操作人员在完成某个装配操作过程中的作业行为、行走路线和工作负荷，对各种典型作业姿态和装配行为进行模拟，实现定性和定量分析。