虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用與發(fā)展

詹建國

[摘? ? 要]計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，推動(dòng)著飛機(jī)裝配技術(shù)不斷發(fā)展。迄今為止，飛機(jī)裝配技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了人工裝配、半數(shù)字化裝配和數(shù)字化裝配的發(fā)展階段。飛機(jī)裝配的方法、工藝裝配不斷的改進(jìn)和提升，促使飛機(jī)裝配工作強(qiáng)度不斷降低、裝配效率和質(zhì)量不斷提高。以互聯(lián)網(wǎng)為核心的新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢(shì)待發(fā)，智能制造、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)日新月異，飛機(jī)裝配從數(shù)字化裝配階段，也將逐步往數(shù)字化智能裝配階段轉(zhuǎn)變。連接人與智能制造環(huán)境，增強(qiáng)人獲取和利用信息的能力，提升人的感知、分析、決策、執(zhí)行能力，成為重中之重。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種高級(jí)人機(jī)交互技術(shù)，能在智能制造系統(tǒng)中提供人與智能設(shè)備之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛體、物理實(shí)體與意識(shí)個(gè)體三者之間的有機(jī)融合，將能助推飛機(jī)數(shù)字化裝配向智能化裝配發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]虛擬現(xiàn)實(shí);增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);裝配工藝設(shè)計(jì);裝配指令

[中圖分類號(hào)]V262.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）01–0–02

Application and Development of Virtual Reality Technology in Aircraft Assembly

Zhan Jian-guo

[Abstract]The continuous development of computer technology and network technology promotes the continuous development of aircraft assembly technology. So far， aircraft assembly technology has gone through the development stages of manual assembly， semi digital assembly and digital assembly. With the continuous improvement of aircraft assembly methods and process， the intensity of aircraft assembly work is constantly reduced， and the assembly efficiency and quality are constantly improved. A new round of technological and industrial revolution with the Internet as the core is ready to take place. New technologies such as intelligent manufacturing and virtual reality are changing with each passing day. Aircraft assembly will gradually change from the digital assembly stage to the digital intelligent assembly stage. Connecting people with the intelligent manufacturing environment， enhancing people's ability to obtain and use information， and improving people's ability of perception， analysis， decision-making and execution have become the top priority. As an advanced human-computer interaction technology， virtual reality technology can provide the media and dialogue interface for information transmission and exchange between human and intelligent devices in intelligent manufacturing system， and realize the organic integration of digital virtual body， physical entity and conscious individual， which will promote the development of aircraft digital assembly to intelligent assembly.

[Keywords]virtual reality; augmented reality; assembly process design; assembly instruction

飛機(jī)產(chǎn)品尺寸大、外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件數(shù)量巨大、協(xié)調(diào)關(guān)系繁多，因此飛機(jī)裝配技術(shù)是一項(xiàng)難度大、涉及學(xué)科領(lǐng)域多的綜合性制造技術(shù)。飛機(jī)裝配主要目的是按產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，用合理的工藝方法，進(jìn)行零件制造、組部件裝配、大部件對(duì)接，進(jìn)而完成總裝和試飛，交付用戶運(yùn)行。此過程中，需要大量復(fù)雜、形式多樣的行業(yè)知識(shí)。同時(shí)，要合理配備廠房設(shè)施、工藝裝備、工具刀具、原材料、零件等資源，以形成這些資源配置使用的信息流，使裝配資源和信息有機(jī)結(jié)合，作用于整個(gè)過程，完成飛機(jī)復(fù)雜的裝配工作。

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配，借助模線、樣板、樣件等模擬量手段傳遞控制裝配過程和質(zhì)量的信息，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)的二維圖紙、紙質(zhì)裝配指令等為載體，向裝配技術(shù)人員和操作人員傳遞大量的工程、工藝信息。大量的裝配信息和數(shù)據(jù)分散在各類紙質(zhì)載體上，給裝配操作人員的查看和使用，裝配技術(shù)人員的信息管理增加了一定的難度和工作量。在此基礎(chǔ)上，裝配技術(shù)人員和操作人員要通過消化并不直觀的裝配信息，在大腦中抽象出飛機(jī)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配流程，并融入產(chǎn)品工程、工藝的技術(shù)參數(shù)和要求，極易出現(xiàn)人為的工作失誤，且工作效率和質(zhì)量也不高。西方航空發(fā)達(dá)國家，在新型號(hào)的研制中大量應(yīng)用數(shù)字化裝配技術(shù)和裝備，減少了傳統(tǒng)工藝裝備數(shù)量，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了飛機(jī)研制效率和質(zhì)量。如波音737新一代標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備減少80%，F(xiàn)-35飛機(jī)研制工作中工裝減少95%，波音777客機(jī)研制周期，從過去8年縮短至5年，減少人為差錯(cuò)80%。經(jīng)過全世界各國航空業(yè)30余年的大力發(fā)展，在組件、部件、大部件裝配中，飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)都在向自動(dòng)化、柔性化、信息化等技術(shù)融合的方向發(fā)展，飛機(jī)產(chǎn)品精準(zhǔn)裝配、高效裝配的目標(biāo)也逐步得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的裝配信息管理方法和信息交互方式已經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)制造要求，為了適應(yīng)當(dāng)前飛機(jī)制造信息化的發(fā)展，推動(dòng)飛機(jī)數(shù)字化裝配向智能化裝配過渡，進(jìn)一步減少人為干預(yù)對(duì)飛機(jī)裝配的影響，飛機(jī)裝配的信息化勢(shì)在必行。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種人機(jī)交互技術(shù)，在計(jì)算機(jī)圖形、圖像、交互技術(shù)與多學(xué)科軟件交叉應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，生成的可虛構(gòu)、可模擬的現(xiàn)實(shí)環(huán)境。計(jì)算機(jī)建立三維實(shí)物空間，用戶通過佩戴信息感知、輸入輸出設(shè)備設(shè)施，實(shí)現(xiàn)人與虛擬模型的交互，并產(chǎn)生與真實(shí)世界相同的反饋信息，獲得人在真實(shí)世界相同的感受，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺。通過這種對(duì)三維空間的表現(xiàn)能力、人機(jī)交互操作環(huán)境及帶給人身臨其境的感覺，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改變了人與計(jì)算機(jī)之間枯燥、單調(diào)的互動(dòng)現(xiàn)狀，將信息化技術(shù)提升到一個(gè)全新的發(fā)展水平。

國際上一般把計(jì)算機(jī)視覺、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)虛擬環(huán)境、虛擬現(xiàn)實(shí)這關(guān)系緊密的4類技術(shù)，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實(shí)連續(xù)統(tǒng)一體（VR continuum）。虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）首先用于工業(yè)制造領(lǐng)域，是各類“虛擬-現(xiàn)實(shí)”技術(shù)的基礎(chǔ)。VR不僅可以利用計(jì)算機(jī)建立一個(gè)實(shí)時(shí)、沉浸式體驗(yàn)的三維虛擬環(huán)境，還可以對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化的操作和信息交互。VR中的體感和信息交互設(shè)備能獲取用戶的位置和操作等信息，反饋給相應(yīng)的三維模型。通過信息交互，模型感受到用戶的動(dòng)作后，可以實(shí)時(shí)相應(yīng)，并將信息反饋給用戶，這樣對(duì)用戶而言，三維環(huán)境中的模型具有強(qiáng)烈的存在感。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augment Reality，AR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的人機(jī)交互新技術(shù)，將真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境進(jìn)行匹配合成，以增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)感和交互感。簡(jiǎn)單說，VR讓用戶沉浸于虛擬世界中，實(shí)現(xiàn)人與虛擬世界進(jìn)行交互，完全虛擬的世界;AR將信息疊加于現(xiàn)實(shí)世界上，人通過動(dòng)作捕捉進(jìn)行交互，更強(qiáng)調(diào)虛擬服務(wù)真實(shí)。VR、AR區(qū)別對(duì)比，如圖1和圖2。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)裝配各個(gè)階段均有應(yīng)用，在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的方案論證階段，能夠虛擬構(gòu)造、演示飛機(jī)整體性能和技術(shù)特征，使用戶直觀了解將要購買的飛機(jī);在工程研制階段，應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改評(píng)估和空地勤人員培訓(xùn);在初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)初步設(shè)計(jì)階段，VR技術(shù)可以對(duì)駕駛艙人為因素、人機(jī)工效、艙門、通風(fēng)窗功能、可裝配性、維修性等進(jìn)行分析與評(píng)估，同時(shí)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行飛行仿真。2015年，賽峰短艙公司（SafranNacelles）采用VR技術(shù)進(jìn)行設(shè)備改造和技術(shù)升級(jí)，應(yīng)用于A330neo飛機(jī)短艙項(xiàng)目，使項(xiàng)目工期減少了18個(gè)月。在飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)階段，工藝設(shè)計(jì)人員在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品做裝配工藝性分析或裝配工藝過程規(guī)劃，通過對(duì)產(chǎn)品、工藝裝備等裝配資源數(shù)模的裝配路徑分析，發(fā)現(xiàn)裝配干涉、可達(dá)性差等不協(xié)調(diào)問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)的并行設(shè)計(jì)，并提前優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配流程。在飛機(jī)裝配階段，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)裝配工作區(qū)域產(chǎn)品實(shí)物與二維裝配指令之間的信息交互，即將裝配指令中包含的零件定位信息、緊固件信息擬合疊加到裝配產(chǎn)品實(shí)物上，快速準(zhǔn)確指導(dǎo)裝配操作人員，完成裝配任務(wù)。空客公司開發(fā)了將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)車間裝配指令中的MOON項(xiàng)目，并在A400M飛機(jī)框架電氣線路裝配上應(yīng)用，解決了在裝配空間狹窄、視覺條件差情況下，電氣線路難以安裝正確的問題，證明了這個(gè)項(xiàng)目的可行性。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展

沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是融合高分辨率的立體投影顯示技術(shù)、三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多通道視景同步等技術(shù)，產(chǎn)生供多人使用的高度沉浸式三維立體虛擬環(huán)境。能用于培訓(xùn)、演練，建立飛行模擬、裝配操作培訓(xùn)等的操作仿真系統(tǒng)，增強(qiáng)培訓(xùn)人員對(duì)各種操作流程的感知能力、動(dòng)手能力，達(dá)到實(shí)際操作模擬的效果，提高培訓(xùn)效果和質(zhì)量。

座艙設(shè)計(jì)虛擬現(xiàn)實(shí)評(píng)估系統(tǒng)，是空客研發(fā)中心正在研究的VR系統(tǒng)配合外部設(shè)備進(jìn)行其座艙設(shè)計(jì)與人機(jī)工效的評(píng)估系統(tǒng)，主要是讓用戶在設(shè)計(jì)階段參與進(jìn)來，對(duì)座艙的布局合理性等進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)行快速迭代，從而適應(yīng)使用者對(duì)操控、布局、顯示等方面的要求。

在飛機(jī)裝配領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展能降低制造成本、加快裝配流程、提升產(chǎn)品質(zhì)量。在飛機(jī)虛擬研發(fā)設(shè)計(jì)調(diào)試、虛擬裝配制造、設(shè)備維護(hù)檢修、裝配模擬考核驗(yàn)證方面，均有嘗試應(yīng)用。中國商飛借助大型客機(jī)C919的研制，大膽研究和應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在飛機(jī)模擬測(cè)試飛行控制中心，嘗試運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大幅提升產(chǎn)品性能精準(zhǔn)性，使機(jī)載測(cè)試系統(tǒng)的地面驗(yàn)證平臺(tái)監(jiān)控飛行參數(shù)，以確保飛行前和實(shí)際飛行中飛機(jī)相關(guān)參數(shù)的精準(zhǔn)性;在全機(jī)線纜安裝上，嘗試虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)指導(dǎo)操作人員在線纜接頭上快速插裝線纜，解決人工傳統(tǒng)操作人為失誤和效率不高等實(shí)際問題。由此延伸，針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝的數(shù)以千計(jì)的系統(tǒng)支架零件，還可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉機(jī)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實(shí)物信息，反饋至虛擬的三維環(huán)境，被賦予產(chǎn)品工程和工藝信息后，比對(duì)并反饋給裝配操作人員，快速找到安裝位置，完成系統(tǒng)支架的正確安裝，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)內(nèi)部大量系統(tǒng)支架高效率、高質(zhì)量的定位、制孔及安裝。

4 結(jié)束語

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是由一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算與通信系統(tǒng)以及數(shù)字線索支撐的，其沉浸、交互和集成特征的背后是強(qiáng)大的高性能計(jì)算和顯示能力。它連接人與智能制造環(huán)境，增強(qiáng)人獲取和利用信息的能力，提升人的感知、分析、決策、執(zhí)行能力。其能在智能制造系統(tǒng)中提供人與智能設(shè)備之間傳遞、交換信息的媒介和對(duì)話接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)字虛體、物理實(shí)體與意識(shí)個(gè)體三者之間的有機(jī)融合。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用也已經(jīng)多年，隨飛機(jī)裝配由數(shù)字化一路走向智能化，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是未來航空制造業(yè)提質(zhì)增效的一個(gè)必然選擇，將作為核心技術(shù)支撐航空智能制造轉(zhuǎn)型。

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