呂舒婷 周賀 白亞洲 吳盟 陳東凱 張晗

首都航天機械有限公司 北京市 100071

1 引言

產(chǎn)品裝配過程的規(guī)劃是產(chǎn)品開發(fā)中的重要鏈接之一。安裝和調(diào)試通常占整個產(chǎn)品制造成本的40%以上。[1]航天器的裝配需要很多零件、工具、工具，具有裝配結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配困難的特點。在航天器裝配過程中，小空間操作、難操作、盲操作始終是設(shè)計和裝配的難點。因此，在航天器設(shè)計的初期，選擇縮短裝配時間、降低制造成本、降低人員安全性的裝配工藝非常重要。[2]在裝配前分析各種指標和風(fēng)險，可以有效減少裝配過程中可能出現(xiàn)的各種問題。但是，由于風(fēng)險分析取決于技術(shù)人員的經(jīng)驗，因此特定組裝工序的制定存在很大的不確定性，出現(xiàn)了用于物理組裝前的預(yù)組裝的視覺公開的虛擬組裝概念。在實際組裝中可能發(fā)生的問題。這樣可以降低組裝的風(fēng)險。通過機器人軟件進行虛擬裝配示意圖如圖1 所示。

圖1 虛擬裝配示意圖

虛擬組裝和顯示技術(shù)是過去10 年在工業(yè)制造和相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域開發(fā)的新技術(shù)。在不為產(chǎn)品創(chuàng)建物理原型的情況下做出決定。[3]通常，虛擬裝配技術(shù)使用三維建模軟件繪制制造產(chǎn)品的虛擬模型，在計算機上建立虛擬環(huán)境，以模擬設(shè)計的工業(yè)產(chǎn)品裝配。接下來，通過分析簡單的移動過程、分析產(chǎn)品裝配以及獲取產(chǎn)品在虛擬環(huán)境中的裝配狀態(tài)，設(shè)計者可以在產(chǎn)品裝配的第一步找到問題。優(yōu)化設(shè)計方案的產(chǎn)品設(shè)計。[4]此外，裝配工程師還可以使用虛擬裝配技術(shù)來規(guī)劃裝配過程，以避免未來裝配中可能出現(xiàn)的風(fēng)險，從而提高裝配效率。

隨著過去20 年計算機的飛速發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)也得到了進一步的開發(fā)，有力地支持了低成本、高效率的虛擬裝配仿真。此外，近年來開發(fā)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)還集成了許多人機交互界面。這越來越真實地反映了飛船組裝的復(fù)雜性和難度，使飛船預(yù)組裝更加方便和更現(xiàn)實。與傳統(tǒng)的計算機輔助組件相比，通過機械虛擬技術(shù)輸入和輸出設(shè)備和信息是三維的，比傳統(tǒng)虛擬組件的二維輸出更直觀。圖2 顯示了虛擬裝配系統(tǒng)。

圖2 虛擬裝配系統(tǒng)

虛擬裝配技術(shù)可分為以下三類：

1）基于產(chǎn)品的虛擬裝配

虛擬編譯是一種計算機輔助設(shè)計技術(shù)，用于在虛擬環(huán)境中分析計算機數(shù)據(jù)樣本的編譯，以改進產(chǎn)品開發(fā)和編譯相關(guān)的設(shè)計決策。這是對組件設(shè)計（特殊設(shè)計，DFA）理論方法的補充。它的主要任務(wù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計找到組件設(shè)計的最優(yōu)解，并創(chuàng)建在不同功能約束下的組件圖。目標是在全球范圍內(nèi)提高產(chǎn)品組裝的質(zhì)量。作為行業(yè)實驗建模和定量分析的結(jié)果，很明顯零件設(shè)計的結(jié)構(gòu)特征不適合行業(yè)或安裝特性較差。最后，從技術(shù)角度，確保產(chǎn)品設(shè)計合理可行。從經(jīng)濟角度來看，生產(chǎn)總成本應(yīng)保持在最低水平。另一方面，在社會因素方面，考慮到人的因素和環(huán)境保護。

2) 基于工藝方案的虛擬裝配

專項工程設(shè)計，與產(chǎn)品信息模型和目標資源模型相一致，利用計算機模型和虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)計，可以提供更加完善的專項工程系統(tǒng)來管理專業(yè)化生產(chǎn)的范圍和水平。第一個生產(chǎn)計劃是一個共同池，包括市場需求、投資條件、生產(chǎn)量、生產(chǎn)周期、資源配置、池設(shè)計、專業(yè)化生產(chǎn)的均衡生產(chǎn)線。它主要是關(guān)于編制任務(wù)計劃和流程，包括規(guī)劃編制順序、規(guī)劃編制路徑、創(chuàng)建工藝路線、確認操作中的空間干預(yù)以及創(chuàng)建流程的時間表和文檔。

我們迫切需要具有流控核心的實用組件。其中大部分體現(xiàn)在安裝虛擬模塊所使用的對象、流程和工具上，很大程度上與實際生產(chǎn)情況相對應(yīng)。產(chǎn)品保護可以是明確的或隱蔽的。實際過程提高了配置結(jié)果的可靠性。

3）基于虛擬協(xié)議的虛擬裝配

主虛擬型是利用計算機模擬系統(tǒng)在一定程度上框定產(chǎn)品的形式、功能和特性，并保證與產(chǎn)品的虛擬主型相同的效果來測試和評價產(chǎn)品特性。傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)是基于完美的剛性零件。虛擬組合 與虛擬打印技術(shù)相結(jié)合，可以有效地分析構(gòu)件強度和變形對骨料性能的影響。容差可以自動優(yōu)化設(shè)計。也就是說，基于虛擬協(xié)議的虛擬構(gòu)件的主要研究包括橫切、測量變形和平衡應(yīng)力零件制造過程中的變化、有限元分析和建模、構(gòu)件意志和變形匹配以及計算結(jié)果的確認。圖3 顯示了各種虛擬裝配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)級別。

圖3 虛擬裝配系統(tǒng)機構(gòu)層次示意圖

此外，虛擬裝配技術(shù)可分為桌面虛擬裝配系統(tǒng)、嵌入式虛擬裝配系統(tǒng)、擴展虛擬裝配系統(tǒng)和分布式虛擬裝配系統(tǒng)，具體取決于虛擬環(huán)境和各種輸入和輸出設(shè)備的不同要求。

1）桌面虛擬編輯系統(tǒng)以電腦顯示和投影屏幕為窗口，用戶可以觀察虛擬編輯環(huán)境。設(shè)計人員僅使用基本外圍設(shè)備（鼠標、鍵盤、軌跡球等）來操作交互式組件。裝配仿真和桌面虛擬裝配系統(tǒng)雖然沒有沉浸式效果，但其外圍設(shè)備簡單低成本、操作方便、培訓(xùn)周期短等特點更適合推廣應(yīng)用。通過在高級虛擬軟件系統(tǒng)中加入智能定向算法，改進沉浸式展示策略，可以有效達到預(yù)期的虛擬高級效果。

2）沉浸式虛擬裝配系統(tǒng)使用各種交互式設(shè)備（如頭盔和數(shù)據(jù)手套顯示器）關(guān)閉用戶的視覺和聽覺，并將用戶放置在計算機生成的虛擬裝配環(huán)境中，以使用它們。設(shè)備。交互式設(shè)備。執(zhí)行沉浸式組件操作。與桌面虛擬裝配系統(tǒng)相比，嵌入式虛擬裝配系統(tǒng)的構(gòu)建成本太高，培訓(xùn)周期長，使用起來不方便。長期以來，即使在操作者不熟悉操作的情況下，上述因素也限制了沉浸式虛擬裝配系統(tǒng)的普及和使用。

3）擴展虛擬編輯裝配系統(tǒng)是一種基于增強現(xiàn)實技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)。用戶可以將虛擬零件發(fā)送到耳機上的屏幕上進行操作和組裝，觀察虛擬零件與現(xiàn)實世界重疊的圖像，操作和組裝虛擬零件。虛擬現(xiàn)實融合注冊技術(shù)。在實際零件的位置。改進虛擬裝配系統(tǒng)可以提高設(shè)計人員的裝配體驗。然而，由于傳感器精度的限制和對物理模型的需要，該技術(shù)還遠未應(yīng)用到裝配過程的設(shè)計中。

4）分布式虛擬裝配系統(tǒng)充分利用了計算機系統(tǒng)強大的計算能力和網(wǎng)絡(luò)功能。基于上述虛擬裝配系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)連接多個物理位置不同的虛擬裝配環(huán)境，共享裝配過程信息，讓設(shè)計人員共同完成設(shè)計工作。分布式虛擬裝配系統(tǒng)是一個復(fù)雜的產(chǎn)品。協(xié)同設(shè)計的應(yīng)用是未來的研究方向。不同的虛擬裝配系統(tǒng)具有不同的屬性。具體見表1。

表1 各種虛擬裝配系統(tǒng)的特點對比

2 虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬裝配技術(shù)在國外很早就被開發(fā)出來，在政府的大力支持下發(fā)展迅速。從20 世紀90年代中期開始，華盛頓州立大學(xué)和美國國立標準技術(shù)研究所共同開發(fā)了虛擬裝配設(shè)計環(huán)境貝德，并在裝配制造領(lǐng)域成功應(yīng)用。這是虛擬裝配技術(shù)的里程碑。[5]許多其他著名的外國大學(xué)和研究機構(gòu)，如加拿大、英國、希臘和德國，隨后開展了虛擬裝配技術(shù)的研究。

20 世紀90 年代中期，美國愛荷華州立大學(xué)虛擬現(xiàn)實應(yīng)用中心建立了一個常春藤系統(tǒng)，用于裝配規(guī)劃和評估。解決了以往自動裝配規(guī)劃系統(tǒng)不能實現(xiàn)人機交互的問題。您可以直觀地查看裝配計劃的結(jié)果，并自動評估方案。[6]

1996 年，德國弗勞恩霍夫工業(yè)研究所成功開發(fā)了一個虛擬裝配圖原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過虛擬人體模型在虛擬環(huán)境中進行交互，并在當年的慕尼黑計算機展覽會上獲得了最佳系統(tǒng)獎。[7]

德國比勒費爾特大學(xué)人工智能與虛擬現(xiàn)實研究所基于構(gòu)建工具箱的概念，將虛擬現(xiàn)實交互技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，建立了虛擬裝配系統(tǒng)。這允許您直接從零件庫調(diào)用標準零件。模擬裝配操作。[8]

希臘帕特拉斯大學(xué)制造系統(tǒng)研究所將人機工程學(xué)模型和分析功能納入虛擬工作單元，根據(jù)該系統(tǒng)對快艇螺旋槳進行虛擬裝配操作，并建立了半經(jīng)驗虛擬裝配模型。[9]

加拿大溫莎大學(xué)的研究人員將人工智能集成到虛擬裝配系統(tǒng)中。通過輸入裝配條件并在計算機上按矩陣，可以在實際解決方案中規(guī)劃裝配順序，并評估和優(yōu)化結(jié)果。

德國寶馬公司在寶馬5 系轎車裝配的基礎(chǔ)上，提出了基于虛擬設(shè)計II 的三層結(jié)構(gòu)框架體系，包括場景層、腳本層和應(yīng)用層，并提供了“捕獲”模塊。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)學(xué)者對虛擬裝配技術(shù)的研究，基本上始于20 世紀90 年代后期，但發(fā)展迅速，仍取得了驚人的研究成果。

根據(jù)虛擬裝配領(lǐng)域?qū)W者對虛擬裝配的理解，虛擬裝配的發(fā)展可分為三個階段。第一階段是提出虛擬裝配理論的階段，第二階段是在自己的研究室復(fù)制和建立虛擬裝配系統(tǒng)的階段，第三階段是對虛擬裝配發(fā)展方向進行詳細研究的階段。目前，國外虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展已進入第三階段，而我國也正在邁向第三階段。仍有很大的進步空間。目前，浙江大學(xué)cad&cg 國家重點實驗室在國內(nèi)虛擬裝配研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，也在推動國內(nèi)其他知名高校的虛擬裝配研究。[10]

北京航空航天大學(xué)的吳偉（Wuwei）和隋亞娜（suiaina）[11]使用力和位置混合控制的方法，向虛擬裝配系統(tǒng)添加力反饋。通過佩戴數(shù)據(jù)手套，操作員可以使虛擬裝配更加逼真。

浙江大學(xué)cad 與cg 國家重點實驗室[12]開發(fā)了一個完全沉浸式虛擬裝配原型系統(tǒng)IVAS，該系統(tǒng)參與了四邊投影虛擬環(huán)境技術(shù)，并通過實時碰撞檢測機制自動確保分解過程的有效性。

西北工業(yè)大學(xué)的鐘永民和楊海成[13]通過基于約束裝配操作的虛擬裝配建模，智能識別裝配元素的匹配關(guān)系，簡化虛擬裝配過程。

太原理工大學(xué)張燕寧[14]第二次開發(fā)了UG 建模軟件，并以剪板機的裝配為例進行了驗證，開發(fā)了基于UG 軟件的虛擬裝配方法。

同樣，西安理工大學(xué)的譚鵬[15]在分析habest 的運行機制的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種基于pro/e 軟件的虛擬裝配方法。

3 總結(jié)與展望

隨著計算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展將越來越快。虛擬裝配的優(yōu)勢將越來越明顯，裝配感將更加逼真，裝配方法將更加標準化、集成化，評價和驗證功能將更加完善。

航天器的成本很高。裝配過程中一旦出現(xiàn)問題，將影響整體進度，造成不必要的成本損失。隨著虛擬裝配能力的不斷提高，將虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用于航天器的初始設(shè)計將是一項非常重要的創(chuàng)新，這意味著可以在設(shè)計之初識別末端裝配的問題和風(fēng)險，并在設(shè)計過程中解決和消化問題，從而改進裝配方案，簡化裝配過程，使整個生產(chǎn)線更加靈活，適應(yīng)性更強。