劉震磊，李月月，呂勤云，王 環(huán)，齊 紀(jì)，戚明軒

（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.解放軍空軍航空維修技術(shù)學(xué)院航空機(jī)械制造學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410124；3.中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110169）

0 引言

制造業(yè)作為國(guó)家實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主體，是綜合實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的根本依托，裝備制造業(yè)作為制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與航空裝備數(shù)字化測(cè)量相結(jié)合是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。虛擬加工、虛擬裝配和虛擬維修是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的重要組成部分[1-7]。以飛機(jī)尺寸準(zhǔn)確度檢測(cè)智能裝備為主要研究對(duì)象，從設(shè)計(jì)使用需求出發(fā)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的分析、設(shè)計(jì)與虛擬實(shí)體的搭建，建立具備三維展示、信息提示、手動(dòng)交互式裝配和維修、虛擬故障檢修等功能的虛擬交互系統(tǒng)[8-9]。驗(yàn)證智能檢測(cè)設(shè)備的虛擬裝配設(shè)計(jì)方案和虛擬維修工藝流程的合理性，提前發(fā)現(xiàn)干涉和裝配不協(xié)調(diào)問(wèn)題，避免因裝配流程導(dǎo)致生產(chǎn)周期延遲等問(wèn)題，解決實(shí)體裝配維修周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，提高裝配水平和維修質(zhì)量[10-13]。

1 智能裝備的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)使用需求

利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、大數(shù)據(jù)等新一代先進(jìn)技術(shù)與智能裝備的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、技術(shù)人員和服務(wù)的互聯(lián)互通，解決制約儀器研發(fā)設(shè)計(jì)、裝配和維修/維護(hù)等關(guān)鍵問(wèn)題，研制出適應(yīng)企業(yè)系統(tǒng)層級(jí)的檢測(cè)智能裝備，積極推廣檢測(cè)智能裝備在數(shù)字化生產(chǎn)線改造、智能單元及智能車間建設(shè)等項(xiàng)目中的應(yīng)用[14]。同時(shí)，將智能裝備的裝配與維修訓(xùn)練納入航空航天人才工程培訓(xùn)體系，為人才培養(yǎng)注入新思路和新技術(shù)，提升對(duì)智能裝備的智能化設(shè)計(jì)能力和操作方法的認(rèn)知效率，是人才培養(yǎng)體系改革探索中十分重要的一環(huán)。

傳統(tǒng)檢測(cè)裝置的數(shù)字化、智能化、信息化程度低，直接影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)件尺寸測(cè)量精度、測(cè)量速度和工作效率。研究并設(shè)計(jì)適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理及云存儲(chǔ)、檢測(cè)設(shè)備的智能感知以及智能設(shè)備之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，是新一代先進(jìn)智能檢測(cè)設(shè)備的亟待解決的問(wèn)題。以?？怂箍等鴺?biāo)測(cè)量機(jī)（Coordinate Measure Machine，CMM）為主要研究對(duì)象，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)面向飛機(jī)零部件的數(shù)字化測(cè)量，設(shè)計(jì)一款高精密智能化檢測(cè)裝置，有效提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和置信度，縮短飛機(jī)研制周期、保障飛機(jī)質(zhì)量、降低研制成本。

1.2 裝備智能化設(shè)計(jì)

在航空制造工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)因其高精密、高置信度、高擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)零件準(zhǔn)確度檢測(cè)，研究三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的智能化改裝設(shè)計(jì)，對(duì)智能裝備的研究具有重要意義。由于移動(dòng)橋式測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，剛度好，開(kāi)敞性好，承載能力較強(qiáng)，工件質(zhì)量對(duì)測(cè)量機(jī)的動(dòng)態(tài)性能沒(méi)有影響，故選用移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（圖1）作為本次研究對(duì)象。

圖1 移動(dòng)橋式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

檢測(cè)裝備的自動(dòng)化、智能化、信息化以及工業(yè)大數(shù)據(jù)和工業(yè)與平臺(tái)對(duì)裝備檢測(cè)方式提出了新的要求，傳統(tǒng)的分布式集中檢測(cè)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散式實(shí)時(shí)檢測(cè)，智能裝備測(cè)量數(shù)據(jù)和服務(wù)開(kāi)始向云端運(yùn)算轉(zhuǎn)移，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理與云存儲(chǔ)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、檢測(cè)工藝人員互聯(lián)互通的核心基礎(chǔ)。

通過(guò)將MDA（Manufacturing Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）嵌入三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，利用DDE（Data Depth Estimate，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）技術(shù)獲取測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的互聯(lián)互通，將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，云端運(yùn)算為檢測(cè)工藝人員提供了更高效的服務(wù)，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)異常的情況下，也不會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)件測(cè)量數(shù)據(jù)的丟失，能實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自采集、自獲取、自發(fā)送和自存儲(chǔ)。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件準(zhǔn)確度檢測(cè)的全過(guò)程包括檢測(cè)零件的智能運(yùn)輸、智能裝夾、智能檢測(cè)和智能倉(cāng)儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)裝備與其他智能裝備之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信與控制，是實(shí)現(xiàn)裝備智能化的發(fā)展方向。面向飛機(jī)零部件智能化檢測(cè)的全過(guò)程，通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)接口將三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)礁髦悄苎b備，實(shí)現(xiàn)不同功能裝備之間的相互協(xié)調(diào)與互聯(lián)互通，為整個(gè)檢測(cè)過(guò)程提供最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

2 智能裝備的虛擬裝配

2.1 裝配順序規(guī)劃

智能裝備的虛擬裝配是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)高逼真、沉浸式裝備環(huán)境，裝配工藝人員根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)裝配手冊(cè)，在計(jì)算機(jī)中建立零部件的裝配序列和裝配流程，通過(guò)虛擬裝配仿真分析，解決存在的裝配問(wèn)題，得到最優(yōu)化的裝配順序，提前解決因裝配流程導(dǎo)致的生產(chǎn)周期延誤等問(wèn)題，驗(yàn)證裝配流程的合理性。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬裝配流程如圖2 所示。

圖2 裝配流程

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)根據(jù)“拆卸移動(dòng)路徑最簡(jiǎn)單”為最優(yōu)判定準(zhǔn)則，依次完成氣浮塊安裝、傳動(dòng)組件安裝、鋼索和平衡支架等組部件的裝配，工作臺(tái)、左立柱和右立柱的安裝，滑架與橫梁、橫梁與右立柱、橫梁與左立柱、Z 軸與滑架的裝配，最終完成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的整機(jī)裝配。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬裝配實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境下物理模型向三維模型的轉(zhuǎn)化、裝配順序規(guī)劃、裝配仿真驗(yàn)證和裝配優(yōu)化處理，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)緊密聯(lián)系在產(chǎn)品鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)。

2.2 模型搭建

數(shù)字模型三維虛擬化、可視及操作環(huán)境虛擬化和人機(jī)交互操作過(guò)程虛擬化是虛擬裝配工藝方式虛擬化的3 個(gè)主要方面[15]。利用虛擬裝配可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)及操作的正確與否，方便盡早發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中存在的問(wèn)題?；谔摂M現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的虛擬裝配系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶第一視角的隨動(dòng)觀察與操作，具有良好的三維觀察、人機(jī)交互和關(guān)鍵信息提示等優(yōu)勢(shì)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬場(chǎng)景搭建如圖3 所示。

圖3 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬場(chǎng)景搭建

智能裝備的虛擬裝配系統(tǒng)基于視覺(jué)調(diào)整技術(shù)、碰撞檢測(cè)技術(shù)和交互裝配技術(shù)三種關(guān)鍵技術(shù)，采用模塊化的設(shè)計(jì)理念對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的框架結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和測(cè)量機(jī)構(gòu)三大功能模塊在CATIA 中搭建實(shí)體模型，將實(shí)體模型導(dǎo)入虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)編寫(xiě)腳本實(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)和交互設(shè)置，完成GUI（Graphical User Interface，圖形用戶接口）交互界面設(shè)計(jì)、X 軸虛擬裝配、Y 軸虛擬裝配、Z 軸虛擬裝配和總體虛擬裝配，搭建三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬裝配系統(tǒng)。用戶在設(shè)計(jì)的虛擬裝配系統(tǒng)中通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等輸入設(shè)備，實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的虛擬裝配操作。

2.3 虛擬裝配仿真驗(yàn)證

借助虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式顯示設(shè)備和VR 智能交互體感手套，裝配工藝人員在逼真的虛擬場(chǎng)景中，可實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、抓取等操作，根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬裝配序列和三維裝配路徑，完成整機(jī)虛擬拆裝。虛擬裝配仿真結(jié)果表明，該設(shè)備的虛擬裝配過(guò)程中不存在零件裝配困難、定位不合理和零件干涉沖突等現(xiàn)象，驗(yàn)證了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)設(shè)計(jì)方案和裝配方案的合理性，實(shí)現(xiàn)了物理模型向三維模型的轉(zhuǎn)化，使裝配順序規(guī)劃、裝配仿真驗(yàn)證、優(yōu)化處理在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下完成，有效縮短了裝配周期，降低企業(yè)裝配成本，提高了零部件裝配質(zhì)量和裝配技術(shù)水平。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬裝配如圖4 所示。

圖4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬裝配

3 智能裝備的虛擬維修

3.1 光柵尺的虛擬維修

虛擬維修是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備維修過(guò)程中的應(yīng)用，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)作為現(xiàn)代先進(jìn)測(cè)量技術(shù)中非常重要的高精密測(cè)量設(shè)備，對(duì)測(cè)量精度和故障率要求較高，在設(shè)備日常故障的排查與修理中，光柵尺故障率較高，其能否正常工作會(huì)直接影響測(cè)量機(jī)讀數(shù)精度。光柵尺使用過(guò)程中最常見(jiàn)的三種故障類型、故障原因、故障維修方案如表1 所示。

表1 光柵尺常見(jiàn)故障類型、原因及維修方案

光柵尺作為高精度測(cè)量設(shè)備必不可少的檢測(cè)元件，直接影響著被測(cè)工件的測(cè)量精度，研究光柵尺的虛擬維修極具代表性。在設(shè)備檢測(cè)過(guò)程中光柵報(bào)警是最常見(jiàn)的故障類型，針對(duì)此種現(xiàn)象進(jìn)行故障排除時(shí)，工藝人員基于虛擬維修系統(tǒng)檢測(cè)到光敏元件不良或受到污染導(dǎo)致發(fā)光率降低、信號(hào)減弱，通過(guò)利用無(wú)水乙醇擦拭光柵，示波器調(diào)整光柵信號(hào)，重啟電控柜保證故障排除，完成對(duì)光柵尺的虛擬維修。光柵尺虛擬維修如圖5 所示

圖5 光柵尺虛擬維修

3.2 氣浮塊的虛擬維修

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)氣浮系統(tǒng)故障是智能檢測(cè)裝備面臨的一項(xiàng)技術(shù)難題，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)突破傳統(tǒng)維修方法，是需要重點(diǎn)攻關(guān)的項(xiàng)目。其故障修理的排除可基于虛擬環(huán)境從掌握拆卸前儀器的氣浮運(yùn)動(dòng)、氣浮塊的修理和故障排除后的技術(shù)調(diào)試3 個(gè)方面出發(fā)，基于搭建的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)虛擬維修系統(tǒng)有助于減輕傳統(tǒng)維修中配備實(shí)體設(shè)備和實(shí)物模型高昂成本的壓力，工藝人員可以通過(guò)第一人稱視角觀察三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接參與維修仿真，有利于提高維修工效評(píng)估的質(zhì)量和效率。導(dǎo)軸及氣浮塊常見(jiàn)的劃傷現(xiàn)象如圖6 所示。

圖6 導(dǎo)軸及氣浮塊劃傷

維修人員分別對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)X、Y、Z 軸的空氣軸承進(jìn)行壓力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)氣浮軸承的氣壓浮動(dòng)過(guò)小，Y 軸氣浮軸承存在劃傷情況，根據(jù)測(cè)量機(jī)平面度要求，借助虛擬環(huán)境采取局部電烤法對(duì)劃傷的工作面研磨并進(jìn)行拋光處理，經(jīng)過(guò)修理后的平面滿足粗糙度Ra0.5 的要求。連接好進(jìn)氣管、儲(chǔ)氣罐、回氣管等氣路，設(shè)備重啟后3 個(gè)坐標(biāo)軸的氣路順暢，即完成了對(duì)氣浮塊的虛擬維修。

4 結(jié)論

（1）智能裝備的研發(fā)設(shè)計(jì)從用戶使用需求出發(fā)，完成了光柵系統(tǒng)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用MDA和DDE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自采集、自獲取、自發(fā)送和智能存儲(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間測(cè)量數(shù)據(jù)智能化的互聯(lián)互通。

（2）基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建智能裝備的虛擬裝配系統(tǒng)，完成三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)零部件以及整機(jī)的虛擬裝配，提前發(fā)現(xiàn)裝配過(guò)程中存在的潛在問(wèn)題以及缺陷，并將裝配信息反饋給設(shè)計(jì)人員，優(yōu)化了裝配工藝流程，縮短了智能檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造周期。

（3）虛擬維修場(chǎng)景中維修人員可通過(guò)第一人稱視角觀察三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，根據(jù)維修排故流程，實(shí)現(xiàn)零件的故障診斷、拆裝、故障排除等維護(hù)任務(wù)，完成了對(duì)光柵尺、氣浮塊等常見(jiàn)故障的虛擬維修，驗(yàn)證了虛擬維修工藝流程的合理性，提高了維修質(zhì)量和效率。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用對(duì)飛機(jī)尺寸準(zhǔn)確度檢測(cè)智能裝備的研究具有非常重要的意義，基于裝備的智能化設(shè)計(jì)，采用虛擬裝配技術(shù)和虛擬維修技術(shù)使三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的可視性、可操作性、可達(dá)性有效提高，能夠真正地在高質(zhì)量、高效率、短周期、低成本的情況下完成裝配和維修任務(wù)。