摘 要：【目的】針對傳統(tǒng)裝配作業(yè)模式存在的信息冗余、復(fù)雜抽象等問題，提出一種裝配工藝模型驅(qū)動的混合現(xiàn)實（MR）輔助裝配技術(shù)，以提高機(jī)械產(chǎn)品的裝配效率與質(zhì)量。【方法】首先，介紹一種增強(qiáng)裝配工藝信息模型，該模型整合了裝配前的工藝規(guī)程、裝配測量及裝配引導(dǎo)等過程。其次，為實現(xiàn)工藝設(shè)計系統(tǒng)與MR輔助裝配系統(tǒng)的有效連接，提出一種針對MR輔助裝配的高效工藝創(chuàng)編方法，實現(xiàn)MR設(shè)備與現(xiàn)場測量設(shè)備的互聯(lián)互通?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，該系統(tǒng)能成功打通裝配過程各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，降低裝配的錯誤率，并減少返工時間，裝配效率提升35%。【結(jié)論】應(yīng)用所提出的裝配工藝模型驅(qū)動的混合現(xiàn)實輔助裝配技術(shù)，能有效縮短裝配與調(diào)試所需的時間，提高機(jī)械產(chǎn)品的裝配效率與質(zhì)量，為機(jī)械產(chǎn)品定制化、短周期生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：混合現(xiàn)實；裝配工藝模型；輔助裝配

中圖分類號：TG95；TP277" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0027-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.006

Research on Mixed Reality-Based Auxiliary Assembly System for Manufacturing Processes

ZHAO Yinghui QIN Xianhong FENG Danyan ZHU Weizhi ZHANG Jinna

（Intelligent Manufacturing Institute， Guangdong Technology College， Zhaoqing 526100， China）

Abstract： [Purposes] To address the phenomena of information redundancy and complex abstraction in traditional assembly operation modes， a Mixed Reality （MR） assisted assembly technology driven by an assembly process model is proposed to enhance the assembly efficiency and quality of mechanical products. [Methods] This paper introduces an enhanced assembly process information model， which integrates processes such as pre-assembly process planning， assembly measurement， and assembly guidance. In order to achieve effective connectivity between the process design system and the MR-assisted assembly system， an efficient process editing method tailored for MR-assisted assembly is proposed， realizing the interconnection and interoperability between MR devices and on-site measurement equipment.[Findings] The results indicate that the system successfully integrates data flows across all stages of the assembly process， effectively addressing issues present in traditional assembly operation modes， reducing error rates and rework time， and enhancing assembly efficiency by 35%. [Conclusions] The proposed MR assisted assembly technology driven by the assembly process model shortens the time required for assembly and debugging， improves the assembly efficiency and quality of mechanical products， and provides strong technical support for customized and short-cycle production of mechanical products.

Keywords： mixed reality; assembly process model; assisted assembly

0 引言

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，裝配工藝作為產(chǎn)品制造的核心工藝，其裝配性能的優(yōu)劣將直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性［1］。在傳統(tǒng)的裝配工藝中，各工序的技術(shù)要求、材料清單、裝配要求等內(nèi)容均保持相對獨(dú)立，且文檔以文字描述為主，存在表達(dá)不直觀、信息抽象、工藝文件實時更新慢等問題，從而導(dǎo)致裝配質(zhì)量與效率低下［2-4］。

此外，在裝配過程中，涉及眾多測量與檢測環(huán)節(jié)，而這些環(huán)節(jié)依賴裝配人員與檢測人員的密切協(xié)作［5］。然而，裝配人員與檢測人員仍以語音溝通為主，不僅效率低下，還易導(dǎo)致信息遺漏或誤解。隨著我國工業(yè)化步伐的持續(xù)加快，產(chǎn)品定制化趨勢日益顯著，當(dāng)前的裝配模式已難以滿足新形勢下的市場需求。

混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）在輔助裝配領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力大［6-7］，在確保虛擬與真實場景并存的同時，增強(qiáng)用戶與虛擬環(huán)境的交互體驗，使用戶通過直觀的交互方式，在虛擬場景中模擬并體驗整個產(chǎn)品裝配的流程。藍(lán)珊［8］對增強(qiáng)裝配的信息需求進(jìn)行分析，并對三維場景的數(shù)據(jù)管理進(jìn)行探討，同時對零件數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，以基本裝配工藝為橋梁，對裝配工藝信息進(jìn)行建模。武殿梁等［9］提出增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）智能裝配系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用模式，研究3D建模、AR注冊/跟蹤/顯示、AI圖像處理等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出的AR輔助裝配原型系統(tǒng)在航空發(fā)動機(jī)裝配中驗證。秦玉波等［10］研發(fā)出一套全流程投影引導(dǎo)輔助裝配系統(tǒng)，利用投影技術(shù)能有效簡化飛機(jī)工件的復(fù)雜裝配過程。

綜上所述， MR輔助裝配與工藝信息建模領(lǐng)域雖獲得較多成果，但研究偏重虛實融合與可視化，忽略了測量設(shè)備的互操作性和實時檢測數(shù)據(jù)建模的情況，且裝配建模側(cè)重信息結(jié)構(gòu)，缺乏現(xiàn)場整合。因此，本研究介紹了一種增強(qiáng)裝配工藝信息模型，該模型整合了裝配前的工藝規(guī)程、裝配測量及裝配引導(dǎo)等過程。為了實現(xiàn)工藝設(shè)計系統(tǒng)與MR輔助裝配系統(tǒng)的有效連接，提出一種針對MR輔助裝配的高效工藝創(chuàng)編方法，可實現(xiàn)MR設(shè)備與激光跟蹤儀等現(xiàn)場測量設(shè)備的相互協(xié)作。

1 裝配工藝信息建模

1.1 工藝信息建模

為了實時向操作人員傳遞工藝信息，將工藝數(shù)據(jù)分為靜態(tài)和動態(tài)兩類（如圖1所示）。靜態(tài)工藝信息包括工步的一些基本信息，動態(tài)工藝信息則著重記錄通過激光儀、智能量具等傳感器設(shè)備獲取的實測數(shù)據(jù)［11］。

1.2 工藝信息編制

本研究提出基于增強(qiáng)現(xiàn)實的工藝輔助裝配編制方法，該方法采用CAPP（SVMAN-A）系統(tǒng)規(guī)劃裝配工藝。首先，加載SVL模型，創(chuàng)建新的工序與工步信息，并將這些信息與工步輔助信息相關(guān)聯(lián)，包括待裝配的零部件、所需輔助材料、安裝工具及測量工具等。其次，將設(shè)計好的裝配工藝以JSON格式輸出。

1.3 工藝信息模型驅(qū)動的裝配引導(dǎo)

裝配工藝作為MR輔助裝配的核心數(shù)據(jù)源，為系統(tǒng)提供關(guān)鍵支撐，如圖2所示。其中，在MR設(shè)備中，“工步基本信息”和“工步輔助信息”等靜態(tài)數(shù)據(jù)，以文本、圖片、裝配動畫等形式呈現(xiàn)。工步輔助信息中的待裝零部件，涵蓋了零件的三維數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)裝配工序的虛擬與現(xiàn)實融合引導(dǎo)?！皠討B(tài)數(shù)據(jù)”中的“測量工具”主要用于收集現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，并將測量結(jié)果在MR端生成測量點標(biāo)注。

2 發(fā)動機(jī)設(shè)備的安裝與測量

2.1 測量設(shè)備互操作流程

發(fā)動機(jī)在安裝過程中用到的測量儀器包括激光跟蹤儀、智能扭矩扳手等。激光跟蹤儀用于建立坐標(biāo)系、進(jìn)行形位公差評估，而位移傳感器和壓力傳感器等設(shè)備能實時監(jiān)控裝配過程中的各項參數(shù)，并在MR設(shè)備終端直觀展示。

設(shè)備間信息傳遞的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)［12］如圖3所示。數(shù)據(jù)采集儀通過交換機(jī)與服務(wù)器實現(xiàn)連接，同時，操作人員佩戴MR裝置和智能扭矩扳手，并通過無線通信與服務(wù)器建立通信，共同構(gòu)建裝配現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)，為現(xiàn)場測量設(shè)備的相互連接與協(xié)同操作提供穩(wěn)固的數(shù)據(jù)傳輸通道。

對坐標(biāo)類的測量結(jié)果，服務(wù)器會直接打包發(fā)送給MR設(shè)備。對直線度、同軸度等特殊要求的檢測環(huán)節(jié)，服務(wù)器會對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，MR設(shè)備根據(jù)擬合結(jié)果，并以全息的方式展現(xiàn)裝配過程中存在的偏差。

2.2 裝配過程形位公差計算

激光跟蹤儀作為發(fā)動機(jī)裝配的高精度測量工具，能精準(zhǔn)定位和測量空間中的任意點，并即時生成三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。操作人員通過對比實際測量值與理論設(shè)計值，可迅速識別出裝配過程中的偏差，為后續(xù)調(diào)整和優(yōu)化提供精確的數(shù)據(jù)。此外，該儀器還具備虛擬點、直線及平面擬合功能，可用于準(zhǔn)確計算各項形位公差。

2.2.1 直線度測量。首先，用激光跟蹤儀對中心孔圓周上的多個點進(jìn)行測量，通過擬合來確定中心孔的虛擬圓心位置。其次，基于這些虛擬圓心進(jìn)行直線擬合。最后，計算出這些圓心連線所形成直線的直線度。發(fā)動機(jī)直線度測量場景如圖4所示。

擬合螺栓孔的圓心，用激光跟蹤儀測量其空間坐標(biāo)，[xi，yi，zii=1，2，3]，此三點構(gòu)成的平面見式（1）。設(shè)螺栓孔圓心坐標(biāo)[x0，y0，z0]，由于圓上三點到圓心距離相等，得式（2），解方程后得到式（3），將式（3）改寫成線性式（4），并與式（1）聯(lián)立，解出圓心坐標(biāo)[x0，y0，z0]，見式（6）。

[A1x+B1y+C1z+D1=0]" " " " " （1）

[R2=x1-x02+y1-y02+z1-z02R2=x2-x02+y2-y02+z3-z02R2=x3-x02+y3-y02+z3-z02]" "（2）

[2x2-x1x0+2y2-y1y0+2z2-z1z0+x21+y21+z21-x22-y22-z22=02x3-x1x0+2y3-y1y0+2z3-z1z0+x21+y21+z21-x23-y23-z23=0]" （3）

[A2x0+B2y0+C2z0+D2=0A3x0+B3y0+C3z0+D3=0]" " " "（4）

[A1B1C1A2B2C2A3B3C3x0y0z0+D1D2D3=0]" " " （5）

[x0y0z0=-A1B1C1A2B2C2A3B3C3-1D1D2D3]" " " "（6）

為了求出直線度，用求出的圓心點擬合出直線。設(shè)圓心為[Pj（j=1，2，…，n）]，其中，[n]為同一直線上螺栓個數(shù)，直線簡化方程見式（7）。

[x-xm=y-yn=z1]" " " " " （7）

式中：[（m，n，1）]為直線的一組方向數(shù)。

將圓心坐標(biāo)分別帶代入式（7）中，使用最小二乘法求出[x]、[y]、[m]、[n]，見式（8）。

[mxny=xizixiyiziyiz2izizin-1]" （8）

直線度是n個圓心[Pj（j=1，2，…，n）]到擬合直線距離中的最大值。設(shè)圓心[P1]到擬合直線的垂足為[Px]，垂足[Px]的[z]坐標(biāo)為[zx]，帶代入式（7）中，得到垂足坐標(biāo)[mzx+x'，nzx+y'，zx]，根據(jù)圓心[P1]點到垂足[Px]的直線與擬合的直線[（m，n，1）]垂直，見式（9），求解得出[zx]和垂足[Px]坐標(biāo)，使用歐式距離（見式（11））計算出圓心到擬合直線距離[Li]，使用式（12）求出螺栓中心孔的直線度。

[x1-mzx-x'，y1-nzx-y'，z1-zx（m，n，1）T=0]" （9）

[zx=mx1+ny1+z1-mx0-ny0m2+n2+1]" " （10）

[Li=][xi-mzx-x'2+yi-nzx-y'2+zi-zx2] （11）

[μ=2maxLii=1，2，…，n]" " " " （12）

2.2.2 同軸度測量。汽車發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程涉及多個旋轉(zhuǎn)部件，任何一個轉(zhuǎn)動部位一旦發(fā)生故障，不僅會有顯著的噪聲，還會導(dǎo)致零件磨損，進(jìn)而縮短發(fā)動機(jī)的使用壽命。因此，對發(fā)動機(jī)各轉(zhuǎn)軸同軸度有嚴(yán)格要求。先使用激光跟蹤儀分別測量一對軸承支座兩端端點，這4個空間點用[Pj（j=1，2，…，n）]表示，利用上述4個點進(jìn)行直線擬合（與上一節(jié)直線度計算方法相同），完成擬合后，再基于這條擬合直線來計算同軸度，見式（13）。

[φ=2maxL1，L2，L3，L4]" " " （13）

3 混合現(xiàn)實輔助裝配系統(tǒng)架構(gòu)及指標(biāo)驗證

3.1 裝配引導(dǎo)系統(tǒng)邏輯與架構(gòu)

本研究使用的MR輔助發(fā)動機(jī)裝配引導(dǎo)系統(tǒng)工作邏輯如圖5所示。發(fā)動機(jī)裝拆系統(tǒng)在Unity中開發(fā)后，打包傳送至Hololens頭盔中。系統(tǒng)通過Vuforia定位跟蹤技術(shù)掃描裝配現(xiàn)場的標(biāo)記圖片以完成注冊，從而建立虛擬世界與物理世界的統(tǒng)一坐標(biāo)系［11］。系統(tǒng)建立Hololens與現(xiàn)場測量設(shè)備的通信連接，并完成初始化等工作。

系統(tǒng)啟動裝配引導(dǎo)程序，并根據(jù)工藝流程逐一展示各工步信息。利用MR技術(shù)，系統(tǒng)能直觀展示待裝配零件的全息模型，輔助操作員進(jìn)行快速識別。通過掃描二維碼，操作員能準(zhǔn)確找到并領(lǐng)取所需零件。系統(tǒng)能自動規(guī)劃裝配路徑，將虛擬模型與實際裝配位置精確對齊，指引操作員高效完成裝配。當(dāng)前工步結(jié)束后，系統(tǒng)會自動跳轉(zhuǎn)至后續(xù)工步，若存在檢測需求，則會提示測點位置，并指導(dǎo)布置。操作員利用Hololens與測量設(shè)備交互，實時查看現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，同時，觀察形位公差的擬合結(jié)果，以此為依據(jù)進(jìn)行精確操作，確保裝配質(zhì)量。

3.2 系統(tǒng)效能指標(biāo)驗證

通過MR輔助裝配系統(tǒng)與傳統(tǒng)手工裝配在8道關(guān)鍵工序的工時數(shù)據(jù)（見表1），發(fā)現(xiàn)MR輔助裝配系統(tǒng)能顯著優(yōu)化裝配流程，并降低錯誤率和返工時間，裝配效率提升35%，從而證明了MR技術(shù)在制造業(yè)的潛力，為智能制造發(fā)展提供支持。

4 結(jié)語

本研究介紹了一種增強(qiáng)裝配工藝信息模型，該模型整合了裝配前的工藝規(guī)程、裝配測量及裝配引導(dǎo)等過程，并提出一種針對MR輔助裝配的高效工藝創(chuàng)編方法，實現(xiàn)了MR設(shè)備與現(xiàn)場測量設(shè)備的互聯(lián)互通，確保在裝配過程中能實時反饋各檢測步驟的測量結(jié)果。結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功打通了裝配過程各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，能有效解決傳統(tǒng)裝配作業(yè)模式中存在的問題，減少紙質(zhì)裝配工藝文件的使用，減輕操作人員的認(rèn)知負(fù)擔(dān)，縮短裝配與調(diào)試時間，提高機(jī)械產(chǎn)品的裝配效率與質(zhì)量，為機(jī)械產(chǎn)品的定制化生產(chǎn)和縮短制造周期提供了有力的技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

［1］孫剛，萬畢樂，劉檢華，等.基于三維模型的衛(wèi)星裝配工藝設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，17（11）：2343-2350.

［2］李旺，王峻峰，藍(lán)珊，等.增強(qiáng)現(xiàn)實裝配工藝信息內(nèi)容編輯技術(shù)［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2019，25（7）：1676-1684.

［3］羅志勇，范志鵬，帥昊.基于增強(qiáng)現(xiàn)實的線纜裝配引導(dǎo)系統(tǒng)研究［J］.計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2022，39（5）：186-191.

［4］趙鶯慧，覃羨烘，張金納，等.基于虛擬現(xiàn)實的減速器裝配仿真設(shè)計與實現(xiàn)［J］.河南科技，2024，51（22）：27-31.

［5］劉檢華，孫清超，程暉，等.產(chǎn)品裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀、技術(shù)內(nèi)涵及發(fā)展趨勢［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2018，54（11）：2-28.

［6］魏禛，郭宇，湯鵬洲，等.增強(qiáng)現(xiàn)實在復(fù)雜產(chǎn)品裝配領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用綜述［J］.計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2022，28（3）：649-662.

［7］尹文澤.裝配示教和引導(dǎo)的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2022.

［8］藍(lán)珊.人工裝配過程增強(qiáng)現(xiàn)實輔助技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2018.

［9］武殿梁，周爍，許漢中.增強(qiáng)現(xiàn)實智能裝配輔助技術(shù)研究［J］.航空制造技術(shù)，2021，64（13）：26-32.

［10］秦玉波，穆欣偉，鄒方.基于空間增強(qiáng)現(xiàn)實的輔助裝配系統(tǒng)研究［J］.航空制造技術(shù)，2022，65（12）：56-62.

［11］王藝瑋，郭琦，劉新玉，等.增強(qiáng)裝配工藝信息模型驅(qū)動的空間展開機(jī)構(gòu)混合現(xiàn)實輔助裝配［J/OL］.機(jī)械工程學(xué)報，1-13［2024-09-07］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20240808.0945.006.html.

［12］曹鵬霞，李文新，黃羿博.基于邊云協(xié)同和增強(qiáng)現(xiàn)實的智能裝配方法［J/OL］.計算機(jī)工程與科學(xué)，1-9［2024-09-19］.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1258.tp.20240830.0924.002.html.