基于特征代理的雷达虚拟装配技术研究

基于特征代理的雷达虚拟装配技术研究

刘利，刘志龙，费祥

中国电子科技集团公司第三十八研究所  安徽省合肥市230031

摘要：虚拟装配技术是虚拟现实技术、计算机仿真技术、三维网络技术等多种先进技术在装配领域的综合应用，与一般的装配仿真、传统CAD系统下的装配相比较，具有更大的智能性和优越性，可完成或者支持装配过程的可视化或装配工艺的规划。

关键词：特征代理；雷达；虚拟装配技术

1虚拟装配技术

1.1常见的虚拟装配系统结构

常见的虚拟装配系统结构一般分为4个模块：模型模块、用户交互模块、环境虚拟模块和输出模块。(1)模型模块：功能是通过将零件的相关数据信息，包括几何模型、物理特征、零件的公差等，以及产品的装配模型，输入到虚拟装配系统里，生成需要的虚拟零件模型。(2)用户交互模块：即各种虚拟外部设备和其支持系统，通常有麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等。装配技术人员利用这些虚拟外部设备与虚拟装配系统进行人机交互，进行虚拟装配的各种操作。(3)环境虚拟模块：是虚拟装配系统的核心，包括各种虚拟现实算法、虚拟装配环境配置、虚拟装配环境生成、虚拟零件模型、虚拟装配工具包以及虚拟外部设备驱动系统。其中，虚拟现实算法主要包括干涉检验算法、多细节层次模型自动生成算法：虚拟装配环境配置即对装配环境进行配置，包括坐标系的设定、定位、光照设置等；虚拟环境生成即生成虚拟环境所需的视觉、听觉和触觉信息等。利用各种优化算法对虚拟环境进行优化，以保证系统的实时性，为装配技术人员创造犹如现实的虚拟装配环境；虚拟装配工具包是由CAD系统创建的各种装配工具的几何模型转换得到的虚拟工具模型；虚拟外部设备驱动即各种虚拟外部设备的驱动程序。(4)输出模块：输出零件装配轨迹、干涉检查报告、零件装配顺序文件、装配过程动画以及产品的虚拟模型。其中，零件装配轨迹可用来指导装配机器人的操作运动轨迹；干涉检查报告为产品设计更改提供参考。如：更改零件尺寸、形状或者更改产品的结构；装配顺序文件用于指导制定装配工艺；装配过程动画用于培训装配人员。

1.2虚拟装配技术的特点

虚拟装配系统突出人的因素在虚拟装配中的重要性，尽量将装配技术人员的经验、专业知识融入装配系统。在虚拟装配过程，不仅要验证产品设计和装配的可行性，即可装配。还要寻找、验证设计和装配的科学性，即定出最优的设计方案和装配顺序。因此，虚拟装配技术可称为人机一体的装配智能系统。主要表现为以下几个不同的方面：(1)人机交互手段不同。传统系统下的产品装配，是鼠标和键盘等二维输入设备，技术人员只能通过计算机的二维屏幕感受产品模型。虚拟装配技术系统中交互手段是麦克风、数据手套、光栅眼镜、数据衣、头盔式显示器等三维设备，装配技术人员可以直接操作虚拟零件进行虚拟装配，通过视觉、触觉和听觉等立体地感受装配过程，犹如现实中的装配。(2)装配过程不同。在传统系统下，装配技术人员是通过鼠标拾取零件模型上的几何元紊．根据菜单指定两个零件的约束关系，让系统自动计算两个零件问的位置关系，然后进行几何变换将待装配零件移动到目标位置，完成装配。在这过程中，装配技术人员无法感受到装配过程，系统也不能按照一条没有碰撞的路径将待装配的零件移动到目标位置。传统系统中不考虑零件问的干涉，如按照传统环境下的装配顺序来制定现实的装配顺序。往往是不可行的。在虚拟装配技术系统中，装配技术人员直接抓取虚拟零件。沿着一条没有碰撞的、优化的路径将待装配零件移动到目标位置，检测零件之间的干涉情况，并且融入了装配技术人员的经验、专业知识，由此获得的装配顺序一般是可行的和优化的。(3)对设计和装配技术人员的反馈支持力度不同。设计和装配技术人员可以得到零件扫掠轨迹、零件装配顺序文件、零件装配轨迹文件、装配过程动画文件，还有零件干涉情况报告、产品的虚拟装配模型等大量信息，获得的反馈支持力度比较大。

2基于代理特征的虚拟装配

基于代理特征的虚拟装配，指在装配过程中，系统根据设计者的装配意图自动识别出存在配合关系的零部件代理特征，然后将满足装配要求的代理特征作用于装配件，并通过运动定位求解，辅助设计者完成零部件的精确装配。主要分为以下五步:

(1)用户通过交互设备(鼠标、虚拟手套等)控制装配件的空间运动，同时使用层次包围盒法12对装配件进行实时碰撞检测，若与装配基体发生碰撞，执行下一步。

(2)遍历装配件代理特征集，与装配基体代理特征逐一进行干涉检测，若某一对代理特征存在干涉里，执行步骤(3)。

(3)代理特征属性匹配，对空闲特征的类型、参数属性、辅助信息等进行匹配，若匹配成功，执行步骤(4);否则，遍历下一个装配件代理特征，执行步骤(2)。

(4)代理特征位置计算，判断存在匹配关系的一对代理特征空间位置是否满足误差阈值，是则执行步骤(5)，否则遍历下一个代理特征，执行步骤(2)。

(5)建立代理特征相对位置关系，对装配件进行精确定位。

3实例

本文提出的基于特征代理的虚拟装配方法，在自主研发的虚拟装配仿真系统中得到了应用，以某大型相控阵雷达为例，对本文方法进行验证。整个阵面由1500多个有源子阵组成，有源子阵是阵面的基本可更换单元。Asm为装配件，为了对其进行精确定位，选取定位销轴和天线单元外表面为其代理特征，确定子阵的唯一装配位置。首先，操作者通过手柄驱动装配件向安装位置运动，与装配基体发生碰撞后，装配件返回上一帧不与基体发生碰撞的位置;然后，遍历装配件所有的代理特征，与基体的代理特征进行匹配，寻找满足装配意图的空间位置，通过姿态调整使装配件与基体代理特征满足姿态误差，实现定位销与基体上销孔的约束匹配;在DP型代理特征的约束下，装配件沿定位销轴向目标位置移动;最后，识别到装配件与基体存在一对TP型特征匹配，并满足装配误差要求，通过位置变换对装配件进行精确定位，完成装配，可以看出，对于大型复杂相控阵雷达，天线子阵数量多，且每个子阵又包括大量天线单元、放大器、移相器等设备，结构十分复杂。利用本文方法对复杂产品进行装配，通过遍历代理特征进行属性匹配，快速寻找到存在装配关系的一对零件，再通过高效的位姿变换，可实现零件的精确定位。分别利用本文方法(基于特征代理)和基于约束的方法进行仿真，记录装配同样数量零件的时间。可知:

(1)对于单个零件装配，本文方法(6．5s)效率略高于基于几何约束的方法(9s)，这是因为代理特征表达简单，约束匹配计算量小;

(2)随着零件数量的增加，基于几何约束的方法需要识别的约束特征数量快速增加，且误识别到的约束大量增加，导致效率降低，而本文方法通过代理特征集完整表达复杂模型的装配信息，避免约束误识别，比基于约束的方法具有更高的效率;

(3)当装配零件数量大于500个时，本文方法的装配时间只有基于约束的方法的50%左右，说明对于复杂产品的装配，本文方法拥有同样定位精度的同时，降低了约束识别、匹配的计算量，大大提高了装配效率。

结束语

利用代理特征的描述信息，建立相应的匹配规则和定位算法，可以操作零件逐步完成装配，与现有的基于约束的算法相比，提高了约束识别和匹配的效率。在本文的基础上，如何提高建立代理特征约束的效率，并且通过扩充代理特征集使基于代理特征的装配引导方法适用于更复杂的零件装配，是我们下一步的研究重点。

参考文献：

[1]马竞．虚拟制造技术研究概况综述[J]．机械制造技术，2005，(10)．

[2]张继伟．影响零件可装配性的几何特征及其识别[J]．机械科学与技术，2006，(2)．