（航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110034）

飛機(jī)部件裝配在整個(gè)飛機(jī)制造過程中所占比例大，是一項(xiàng)涉及多個(gè)領(lǐng)域?qū)W科的綜合集成技術(shù)，與產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)周期和制造成本密切相關(guān)，采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的工藝裝配技術(shù)使得飛機(jī)在制造的前期及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)及工藝問題，盡早解決存在問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，從而降低產(chǎn)品制造成本。

該項(xiàng)技術(shù)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，以CAD軟件數(shù)模作為輸入條件，以計(jì)算機(jī)虛擬仿真作為技術(shù)支撐，以桌面式或沉浸式虛擬環(huán)境作為實(shí)施途徑，通過CAD建模、虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)仿真、工藝文檔生成與示教，真實(shí)地模擬產(chǎn)品裝配過程，發(fā)現(xiàn)更多的裝配問題，避免更多的設(shè)計(jì)缺陷。

然而，以二維顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)為主要交互工具的人機(jī)界面以及CAD軟件移動(dòng)、縮放、旋轉(zhuǎn)命令在仿真時(shí)的局限性，影響了技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，沉浸式虛擬環(huán)境通過直接三維操作對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行的管理，完整地體現(xiàn)了裝配的中間過程和三維路徑，完善了此項(xiàng)技術(shù)，也因此得到了廣泛應(yīng)用。

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配工藝技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

20世紀(jì)90年代中期，國外對(duì)虛擬裝配技術(shù)進(jìn)行初步研究，提出了利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件、硬件為裝配工藝技術(shù)提供具有沉浸性、交互性、逼真性、操作便捷的虛擬場景。隨著相關(guān)國家以及工業(yè)信息化部門支持力度的加大，他們?nèi)〉昧酥T多研究成果，并得到了良好的應(yīng)用和推廣[1]。而國內(nèi)主要停留在桌面式虛擬裝配階段，配套的虛擬環(huán)境設(shè)備相對(duì)落后。

基于VR的飛機(jī)裝配工藝技術(shù)主要是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立一個(gè)高逼真的沉浸式交互裝配環(huán)境，以裝配工藝設(shè)計(jì)人員為中心，根據(jù)相應(yīng)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，通過CAD數(shù)模，在計(jì)算機(jī)中建立產(chǎn)品零部件的裝配序列及三維裝配路徑，通過裝配仿真分析檢查各類設(shè)計(jì)及工藝問題，最終得到一個(gè)科學(xué)、系統(tǒng)的產(chǎn)品裝配規(guī)劃。

1 虛擬裝配工藝技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

虛擬裝配工藝技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示，具體包括如下3方面：

（1）數(shù)據(jù)層。體系中的數(shù)據(jù)層主要包括產(chǎn)品零部件幾何數(shù)模信息、工裝及工具幾何數(shù)模信息、軟件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)信息以及產(chǎn)品工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)信息。部件產(chǎn)品、工裝、工具的幾何數(shù)模主要來源于CATIA軟件，包括產(chǎn)品的各項(xiàng)幾何信息、屬性特征、相互關(guān)系等；軟件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)產(chǎn)品的相關(guān)管理信息，如查看權(quán)限、使用及修改權(quán)限、審批報(bào)送流程等；產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)信息主要包括裝配過程中零部件之間的幾何位置關(guān)系、裝配順序、約束關(guān)系、裝配路徑、工藝結(jié)構(gòu)描述等。

圖1 虛擬裝配工藝技術(shù)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Virtual assembly technology architecture diagram

（2）執(zhí)行層。執(zhí)行層主要包括虛擬裝配環(huán)境的建立、裝配工藝流程設(shè)計(jì)、仿真分析結(jié)果輸出。虛擬裝配環(huán)境的建立首先要在仿真環(huán)境中定位產(chǎn)品與資源，接著設(shè)定導(dǎo)入產(chǎn)品資源的模型屬性，如產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)屬性、可碰撞性、干涉屬性及溶解補(bǔ)償；裝配工藝流程設(shè)計(jì)包括裝配序列規(guī)劃、裝配路徑設(shè)定、碰撞干涉檢查、建立幾何對(duì)象約束關(guān)系、附帶公差的拆卸仿真及人機(jī)工程分析優(yōu)化等；虛擬裝配系統(tǒng)可以將裝配仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并能以工藝文檔和三維仿真動(dòng)畫形式輸出，根據(jù)仿真過程確定科學(xué)合理的裝配先后次序，三維裝配路徑可以作為實(shí)際工作的參考和指導(dǎo)。仿真分析結(jié)果輸出內(nèi)容主要有工藝目錄生成、工藝規(guī)程參考文件、人機(jī)交互仿真結(jié)果、產(chǎn)品干涉及設(shè)計(jì)缺陷、裝配示教文件等。

（3）支撐層。虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境是虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃的硬件支撐，以工藝操作人員為中心，實(shí)現(xiàn)在沉浸環(huán)境中裝配工藝設(shè)計(jì)的信息交流與交互操作。主要通過虛擬操作指令和參數(shù)的輸入，調(diào)用應(yīng)用層相應(yīng)的處理模塊進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)場景的虛擬漫游，從而使系統(tǒng)具有直觀、逼真的人機(jī)交互界面[2]。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配工藝技術(shù)特點(diǎn)

（1）裝配工藝方式虛擬化。

數(shù)字模型三維虛擬化、可視及操作環(huán)境虛擬化、人機(jī)交互操作過程虛擬化是裝配工藝方式虛擬化的3個(gè)主要方面。在虛擬立體環(huán)境下，工藝人員通過CAD提供的數(shù)模資源，進(jìn)行與實(shí)際裝配過程相同的虛擬化操作，虛擬裝配工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施對(duì)象、操作過程以及所用的裝配資源，均與生產(chǎn)實(shí)際高度吻合，因而可以生動(dòng)直觀地反映產(chǎn)品裝配的真實(shí)過程，使仿真結(jié)果具有高可信度[3]。

（2）人機(jī)交互的裝配方式。

桌面式的三維靜態(tài)裝配和基于VR的虛擬裝配主要區(qū)別體現(xiàn)在人機(jī)交互功能方面。借助VR的主要設(shè)備，如數(shù)據(jù)衣、數(shù)據(jù)頭盔和手套、三維操作鼠標(biāo)等，使得工藝人員在與實(shí)際工作環(huán)境相似的虛擬場景中完成對(duì)零部件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、抓取、安裝、拆卸等工作，讓操作者真正的介入到裝配過程中，體現(xiàn)人的主觀意圖和思想，充分利用所掌握的裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，實(shí)現(xiàn)以人為中心的工藝設(shè)計(jì)。

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（3）設(shè)計(jì)與制造的橋梁紐帶。

虛擬裝配工藝是產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造上游和下游的過渡階段，是產(chǎn)品生命周期中重要的一環(huán)，保障了產(chǎn)品在設(shè)計(jì)制造、質(zhì)量檢驗(yàn)、經(jīng)營管理等方面的信息集成。設(shè)計(jì)過程中的三維數(shù)模、制造過程需要的工裝數(shù)模、使用的自動(dòng)化設(shè)備數(shù)模、通過工藝劃分及仿真得到的工藝模型等在整個(gè)過程中形成統(tǒng)一的整體。虛擬裝配工藝即實(shí)現(xiàn)了實(shí)物模型向三維數(shù)模的轉(zhuǎn)化，又實(shí)現(xiàn)了裝配過程規(guī)劃、分析仿真、優(yōu)化處理在虛擬環(huán)境下完成，緊密連接著產(chǎn)品鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)[4]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配工藝技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

（1）可以實(shí)現(xiàn)虛擬沉浸環(huán)境下的三維交互。

傳統(tǒng)裝配仿真交互方式簡單，只能通過二維的輸入輸出設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤和平面顯示器等）對(duì)零件的幾何模型進(jìn)行操作，裝配規(guī)劃的效率較低。

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配仿真通過沉浸式顯示系統(tǒng)和空間交互設(shè)備的全面支持，實(shí)現(xiàn)工藝人員第一視角的隨動(dòng)觀察與操作，模擬真實(shí)工作過程，在三維空間快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放，并可獲得真實(shí)的反饋，增強(qiáng)互動(dòng)體驗(yàn)，快速發(fā)現(xiàn)不同視角下暴露的裝配問題[5]。

多數(shù)裝配仿真思路是拆卸和裝配的逆過程，通過規(guī)劃裝配模型的拆卸順序快速得到產(chǎn)品裝配順序。但裝配順序和拆卸順序不是完全可逆的過程，所以得到的裝配順序只能作為一個(gè)參考，而虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品的安裝操作及定位有自身優(yōu)勢，可以對(duì)此順序進(jìn)行安裝過程仿真驗(yàn)證和路徑記錄。

（3）獲得更高效的協(xié)同設(shè)計(jì)制造應(yīng)用及更準(zhǔn)確的過程決策。

借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多部門的可視化協(xié)同、協(xié)調(diào)過程，每個(gè)參與者都能在同一環(huán)境下真實(shí)感知和決策，快速進(jìn)行工藝探索和工藝優(yōu)化。

飛機(jī)部件虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用

1 飛機(jī)部件裝配序列及路徑分析實(shí)例研究與應(yīng)用

部件裝配的部分內(nèi)容是產(chǎn)品的序列分析，裝配順序的合理性直接決定了裝配的可行性，虛擬裝配為其提供了解決途徑。以部件為例，產(chǎn)品的裝配順序在CATIA軟件中已經(jīng)有所體現(xiàn)，其中包含相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造裝配信息，虛擬仿真以此作為指導(dǎo)，加上裝配規(guī)劃人員的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，可以按照總結(jié)的順序進(jìn)行仿真分析，在出現(xiàn)裝配順序不合理時(shí)，工藝人員需要調(diào)整優(yōu)化，最終得到科學(xué)的最佳裝配順序[6]，部件裝配序列及路徑分析流程圖，如圖2所示。

某型飛機(jī)部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配件外形尺寸較大、形狀為三維曲面、裝配精度要求高，如圖3所示，根據(jù)工藝人員經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無法很快得出裝配順序，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)某部件裝配序列及路徑分析實(shí)例研究與應(yīng)用彌補(bǔ)該缺陷，具體過程如下：

（1）某部件CATIA數(shù)據(jù)導(dǎo)入及數(shù)據(jù)信息整理，通過安裝不同插件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)更多數(shù)據(jù)格式的支持，數(shù)據(jù)導(dǎo)入后需要對(duì)該部件結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行設(shè)定及分類，明確層級(jí)關(guān)系。

（2）對(duì)該部件各組成零件進(jìn)行屬性設(shè)定，主要仿真屬性包括可碰撞屬性、干涉處理屬性、動(dòng)態(tài)屬性及溶解補(bǔ)償屬性等?？膳鲎矊傩怨?jié)點(diǎn)開啟后，探測干涉將被激活，該屬性將被該節(jié)點(diǎn)的所有子節(jié)點(diǎn)繼承，可碰撞通過掃描處理器計(jì)算或激活仿真功能后，所有可碰撞的節(jié)點(diǎn)之間即可以發(fā)生碰撞[7]。該部件主要設(shè)定各框、梁及3塊蒙皮。干涉處理屬性可以定義可碰撞節(jié)點(diǎn)之間是否可以相互穿透。由于該屬性并不修改內(nèi)部的干涉仿真結(jié)構(gòu)，因此無需再次執(zhí)行掃描操作。該部件需要進(jìn)行蒙皮優(yōu)先拆卸的仿真驗(yàn)證，檢查安裝好主要框、梁后再進(jìn)行蒙皮安裝是否可行，在此需要設(shè)定相關(guān)零件的干涉屬性。溶解補(bǔ)償屬性可用于彌補(bǔ)曲面細(xì)分誤差，以及對(duì)名義適合啟動(dòng)功能性校正，并可用于避免接觸性干涉，通過該屬性亦可考慮安全間隙。

圖2 部件裝配序列及路徑分析流程Fig.2 Assembly sequence and path

圖3 部件裝配序列規(guī)劃Fig.3 Parts assembly sequence planning

（3）該部件在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下進(jìn)行仿真分析，在對(duì)該部件每個(gè)零件進(jìn)行屬性設(shè)定后，需要執(zhí)行掃描操作，然后根據(jù)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初次裝配仿真，通過虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備拖拽蒙皮使其脫離框結(jié)構(gòu)，如果操作可行，即設(shè)定的次序可行，可確定工藝方案。在發(fā)生干涉操作失敗或產(chǎn)品不可裝卸時(shí)，需要確認(rèn)是否存在設(shè)計(jì)缺陷，如果設(shè)計(jì)不合理，則要更改裝配順序，直到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可裝配，如圖4所示。

（4）裝配路徑的生成及導(dǎo)出，通過VDP工具欄圖標(biāo)，可以記錄裝配產(chǎn)品的移動(dòng)，同時(shí)也可以將裝配路徑導(dǎo)出，或者創(chuàng)建裝配示教的動(dòng)畫[8]。

2 某部件裝配過程干涉分析實(shí)例研究應(yīng)用

VR虛擬裝配模塊可以阻止手動(dòng)操作的對(duì)象與其他動(dòng)態(tài)對(duì)象穿透，某部件裝配過程中，零件間發(fā)生接觸碰撞時(shí)，將在接觸點(diǎn)顯示干涉箭頭，還可以顯示干涉物體及干涉區(qū)域，這個(gè)具象化的標(biāo)記也可以理解用操作手與碰撞點(diǎn)之間張力的可視化，干涉箭頭的頂端指向碰撞框和支撐梁的接觸點(diǎn)，干涉箭頭的大小表征作用在該接觸點(diǎn)上的力量。在碰撞后，操作對(duì)象將在接觸表面滑動(dòng)，這限制了操作對(duì)象的運(yùn)動(dòng)自由度，與實(shí)際裝配過程非常貼合，能夠自動(dòng)避讓所干涉的零件，尋找新的裝配路徑[9]，該部件蒙皮的拆卸就充分利用了此優(yōu)點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 部件裝配過程仿真Fig.4 Parts assembly process simulation

蒙皮間可以實(shí)現(xiàn)附帶公差的安裝與拆卸，在某些情況下，安裝或拆卸過程需要保持最小距離，通過設(shè)定大于給定量的公差即擴(kuò)大了產(chǎn)品的干涉范圍，從外表上看，其干涉線懸浮在兩者之間。該技術(shù)在考慮產(chǎn)品實(shí)際加工精度及變形的情況下，還可以設(shè)定相應(yīng)公差，實(shí)現(xiàn)貼近生產(chǎn)的工藝仿真，如圖6所示。

3 某部件裝配過程中人機(jī)工程分析技術(shù)研究應(yīng)用

人是裝配環(huán)節(jié)中重要組成部分和影響因素，人機(jī)工程分析是虛擬裝配中不可或缺的環(huán)節(jié)，VR平臺(tái)添加了符合中國成人尺寸的虛擬人，包含選中人體模型各種參數(shù)的分析文件，某部件裝配過程中需要進(jìn)行人體姿態(tài)勞動(dòng)強(qiáng)度分析、可操作性分析、可視性及可達(dá)性分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)該部件在設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、工裝設(shè)計(jì)制造、工具使用中的缺陷，加以修正和優(yōu)化，制定出最優(yōu)的工作方式和相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，使得工人在更加舒適安全的狀態(tài)及環(huán)境下工作，保證其身體健康，減少由于疲勞帶來的質(zhì)量問題，如圖7所示。

操作者的工作姿態(tài)與疲勞程度直接相關(guān)，在選擇工作方式時(shí)盡量以人為本，減小勞動(dòng)負(fù)荷，保證合理身體姿態(tài)。圖8（a）是人體舒適度直觀顯示，通過調(diào)節(jié)人體，會(huì)顯示不同工作姿態(tài)下的身體狀態(tài)，盡量使更多的勞動(dòng)在綠色和黃色狀態(tài)下完成。不合適值以高亮色方式顯示在人體模型的體表。其中，不舒適值介于0～75%時(shí)對(duì)應(yīng)的顏色從暗綠色向淺綠色上漸變，介于75%～90%時(shí)顯示為黃色，介于90%～100%時(shí)顯示為紅色。在飛機(jī)裝配中可視性及操作可達(dá)性也要預(yù)先分析，爭取在前期解決問題。人體可視性和可達(dá)性說明如圖8（b）和（c）所示。

圖5 部件裝配干涉檢測分析Fig.5 Parts assembly interference detection and analysis

圖6 附帶公差的零件裝配Fig.6 Incidental part assembly tolerances

圖7 裝配生產(chǎn)線人機(jī)工程總體模擬分析Fig.7 Overall ergonomics simulation of assembly line

結(jié)論

圖8 人體疲勞度、可視性、可達(dá)性說明Fig.8 Body fatigue, visibility, accessibility description

針對(duì)飛機(jī)部件裝配工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的實(shí)際問題和需求，本文開展了虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的裝配工藝技術(shù)體系結(jié)構(gòu)梳理工作，著重研究了該技術(shù)相比傳統(tǒng)做法及現(xiàn)有裝配仿真的特點(diǎn)和優(yōu)勢，并在飛機(jī)部件配件中進(jìn)行了實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，起到了關(guān)鍵作用，但是此項(xiàng)技術(shù)想要得到成熟、系統(tǒng)、廣泛的應(yīng)用還有很長路要走，將來要著重研究虛擬裝配理論和實(shí)際生產(chǎn)差別化問題，即虛擬裝配的實(shí)用性、虛擬裝配對(duì)象模型的數(shù)據(jù)顯示形式問題，即解決模型三角面片存在的精度級(jí)別，在飛機(jī)總裝領(lǐng)域開展柔性管線的虛擬仿真。隨著VR技術(shù)及裝配工藝技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)將能真正地發(fā)揮指導(dǎo)生產(chǎn)、解決問題的作用。

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