基于虛擬現實技術的飛機尺寸準確度檢測智能裝備研究

劉震磊，李月月，呂勤云，王 環，齊 紀，戚明軒

（1.沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧沈陽 110136；2.解放軍空軍航空維修技術學院航空機械制造學院，湖南長沙 410124；3.中航沈飛民用飛機有限責任公司，遼寧沈陽 110169）

0 引言

制造業作為國家實體經濟的主體，是綜合實力和國際競爭力的根本依托，裝備制造業作為制造強國建設的主戰場，將虛擬現實技術與航空裝備數字化測量相結合是未來發展的趨勢。虛擬加工、虛擬裝配和虛擬維修是虛擬現實技術的重要組成部分[1-7]。以飛機尺寸準確度檢測智能裝備為主要研究對象，從設計使用需求出發，通過對結構的分析、設計與虛擬實體的搭建，建立具備三維展示、信息提示、手動交互式裝配和維修、虛擬故障檢修等功能的虛擬交互系統[8-9]。驗證智能檢測設備的虛擬裝配設計方案和虛擬維修工藝流程的合理性，提前發現干涉和裝配不協調問題，避免因裝配流程導致生產周期延遲等問題，解決實體裝配維修周期長、費用高等缺點，提高裝配水平和維修質量[10-13]。

1 智能裝備的設計

1.1 設計使用需求

利用虛擬現實技術、計算機技術、大數據等新一代先進技術與智能裝備的結合，可實現產品、設備、技術人員和服務的互聯互通，解決制約儀器研發設計、裝配和維修/維護等關鍵問題，研制出適應企業系統層級的檢測智能裝備，積極推廣檢測智能裝備在數字化生產線改造、智能單元及智能車間建設等項目中的應用[14]。同時，將智能裝備的裝配與維修訓練納入航空航天人才工程培訓體系，為人才培養注入新思路和新技術，提升對智能裝備的智能化設計能力和操作方法的認知效率，是人才培養體系改革探索中十分重要的一環。

傳統檢測裝置的數字化、智能化、信息化程度低，直接影響飛機結構件尺寸測量精度、測量速度和工作效率。研究并設計適應現代化生產的檢測裝置，實現檢測數據的實時處理及云存儲、檢測設備的智能感知以及智能設備之間數據的互聯互通，是新一代先進智能檢測設備的亟待解決的問題。以海克斯康三坐標測量機（Coordinate Measure Machine，CMM）為主要研究對象，基于虛擬現實技術面向飛機零部件的數字化測量，設計一款高精密智能化檢測裝置，有效提升測量結果的準確度和置信度，縮短飛機研制周期、保障飛機質量、降低研制成本。

1.2 裝備智能化設計

在航空制造工業領域內，三坐標測量機因其高精密、高置信度、高擴展性等優點被廣泛應用于飛機零件準確度檢測，研究三坐標測量機的智能化改裝設計，對智能裝備的研究具有重要意義。由于移動橋式測量機結構簡單緊湊，剛度好，開敞性好，承載能力較強，工件質量對測量機的動態性能沒有影響，故選用移動橋式三坐標測量機（圖1）作為本次研究對象。

圖1 移動橋式三坐標測量機

檢測裝備的自動化、智能化、信息化以及工業大數據和工業與平臺對裝備檢測方式提出了新的要求，傳統的分布式集中檢測逐漸轉變為離散式實時檢測，智能裝備測量數據和服務開始向云端運算轉移，三坐標測量機測量數據的處理與云存儲是實現飛機結構件、三坐標測量機、檢測工藝人員互聯互通的核心基礎。

通過將MDA（Manufacturing Data Acquisition，數據采集系統）嵌入三坐標測量機，利用DDE（Data Depth Estimate，動態數據交換）技術獲取測量數據，通過與數據庫的互聯互通，將采集的數據進行云存儲，云端運算為檢測工藝人員提供了更高效的服務，同時在數據庫異常的情況下，也不會導致飛機結構件測量數據的丟失，能實現測量數據的自采集、自獲取、自發送和自存儲。

飛機結構件準確度檢測的全過程包括檢測零件的智能運輸、智能裝夾、智能檢測和智能倉儲，實現智能檢測裝備與其他智能裝備之間數據的實時通信與控制，是實現裝備智能化的發展方向。面向飛機零部件智能化檢測的全過程，通過提供標準接口將三坐標測量機的測量數據實時傳輸到各智能裝備，實現不同功能裝備之間的相互協調與互聯互通，為整個檢測過程提供最基礎的數據支撐。

2 智能裝備的虛擬裝配

2.1 裝配順序規劃

智能裝備的虛擬裝配是指利用虛擬現實技術建立三坐標測量機高逼真、沉浸式裝備環境，裝配工藝人員根據工作經驗和三坐標測量機裝配手冊，在計算機中建立零部件的裝配序列和裝配流程，通過虛擬裝配仿真分析，解決存在的裝配問題，得到最優化的裝配順序，提前解決因裝配流程導致的生產周期延誤等問題，驗證裝配流程的合理性。三坐標測量機的虛擬裝配流程如圖2 所示。

圖2 裝配流程

三坐標測量機虛擬裝配工藝設計根據“拆卸移動路徑最簡單”為最優判定準則，依次完成氣浮塊安裝、傳動組件安裝、鋼索和平衡支架等組部件的裝配，工作臺、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，最終完成三坐標測量機的整機裝配。三坐標測量機虛擬裝配實現了虛擬環境下物理模型向三維模型的轉化、裝配順序規劃、裝配仿真驗證和裝配優化處理，將虛擬現實技術緊密聯系在產品鏈條的各個環節。

2.2 模型搭建

數字模型三維虛擬化、可視及操作環境虛擬化和人機交互操作過程虛擬化是虛擬裝配工藝方式虛擬化的3 個主要方面[15]。利用虛擬裝配可以驗證裝配設計及操作的正確與否，方便盡早發現裝配過程中存在的問題。基于虛擬現實環境下的虛擬裝配系統，能夠實現用戶第一視角的隨動觀察與操作，具有良好的三維觀察、人機交互和關鍵信息提示等優勢。三坐標測量機虛擬場景搭建如圖3 所示。

圖3 三坐標測量機虛擬場景搭建

智能裝備的虛擬裝配系統基于視覺調整技術、碰撞檢測技術和交互裝配技術三種關鍵技術，采用模塊化的設計理念對三坐標測量機的框架結構、傳動機構和測量機構三大功能模塊在CATIA 中搭建實體模型，將實體模型導入虛擬場景中，通過編寫腳本實現碰撞檢測和交互設置，完成GUI（Graphical User Interface，圖形用戶接口）交互界面設計、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，搭建三坐標測量機的虛擬裝配系統。用戶在設計的虛擬裝配系統中通過鼠標、鍵盤等輸入設備，實現三坐標測量機的虛擬裝配操作。

2.3 虛擬裝配仿真驗證

借助虛擬現實頭戴式顯示設備和VR 智能交互體感手套，裝配工藝人員在逼真的虛擬場景中，可實現對零部件的縮放、移動、旋轉、抓取等操作，根據三坐標測量機虛擬裝配序列和三維裝配路徑，完成整機虛擬拆裝。虛擬裝配仿真結果表明，該設備的虛擬裝配過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象，驗證了三坐標測量機設計方案和裝配方案的合理性，實現了物理模型向三維模型的轉化，使裝配順序規劃、裝配仿真驗證、優化處理在虛擬現實環境下完成，有效縮短了裝配周期，降低企業裝配成本，提高了零部件裝配質量和裝配技術水平。三坐標測量機虛擬裝配如圖4 所示。

圖4 三坐標測量機虛擬裝配

3 智能裝備的虛擬維修

3.1 光柵尺的虛擬維修

虛擬維修是虛擬現實技術在裝備維修過程中的應用，三坐標測量機作為現代先進測量技術中非常重要的高精密測量設備，對測量精度和故障率要求較高，在設備日常故障的排查與修理中，光柵尺故障率較高，其能否正常工作會直接影響測量機讀數精度。光柵尺使用過程中最常見的三種故障類型、故障原因、故障維修方案如表1 所示。

表1 光柵尺常見故障類型、原因及維修方案

光柵尺作為高精度測量設備必不可少的檢測元件，直接影響著被測工件的測量精度，研究光柵尺的虛擬維修極具代表性。在設備檢測過程中光柵報警是最常見的故障類型，針對此種現象進行故障排除時，工藝人員基于虛擬維修系統檢測到光敏元件不良或受到污染導致發光率降低、信號減弱，通過利用無水乙醇擦拭光柵，示波器調整光柵信號，重啟電控柜保證故障排除，完成對光柵尺的虛擬維修。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

三坐標測量機氣浮系統故障是智能檢測裝備面臨的一項技術難題，應用虛擬現實技術突破傳統維修方法，是需要重點攻關的項目。其故障修理的排除可基于虛擬環境從掌握拆卸前儀器的氣浮運動、氣浮塊的修理和故障排除后的技術調試3 個方面出發，基于搭建的三坐標測量機虛擬維修系統有助于減輕傳統維修中配備實體設備和實物模型高昂成本的壓力，工藝人員可以通過第一人稱視角觀察三坐標測量機的內部結構，直接參與維修仿真，有利于提高維修工效評估的質量和效率。導軸及氣浮塊常見的劃傷現象如圖6 所示。

圖6 導軸及氣浮塊劃傷

維修人員分別對三坐標測量機X、Y、Z 軸的空氣軸承進行壓力測試，發現氣浮軸承的氣壓浮動過小，Y 軸氣浮軸承存在劃傷情況，根據測量機平面度要求，借助虛擬環境采取局部電烤法對劃傷的工作面研磨并進行拋光處理，經過修理后的平面滿足粗糙度Ra0.5 的要求。連接好進氣管、儲氣罐、回氣管等氣路，設備重啟后3 個坐標軸的氣路順暢，即完成了對氣浮塊的虛擬維修。

4 結論

（1）智能裝備的研發設計從用戶使用需求出發，完成了光柵系統、傳動結構、平衡機構和工作臺等關鍵結構設計，利用MDA和DDE 技術實現數據自采集、自獲取、自發送和智能存儲，通過數據標準接口實現設備與設備之間測量數據智能化的互聯互通。

（2）基于虛擬現實技術搭建智能裝備的虛擬裝配系統，完成三坐標測量機零部件以及整機的虛擬裝配，提前發現裝配過程中存在的潛在問題以及缺陷，并將裝配信息反饋給設計人員，優化了裝配工藝流程，縮短了智能檢測設備的設計與制造周期。

（3）虛擬維修場景中維修人員可通過第一人稱視角觀察三坐標測量機的內部結構，根據維修排故流程，實現零件的故障診斷、拆裝、故障排除等維護任務，完成了對光柵尺、氣浮塊等常見故障的虛擬維修，驗證了虛擬維修工藝流程的合理性，提高了維修質量和效率。

虛擬現實技術的應用對飛機尺寸準確度檢測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計，采用虛擬裝配技術和虛擬維修技術使三坐標測量機的可視性、可操作性、可達性有效提高，能夠真正地在高質量、高效率、短周期、低成本的情況下完成裝配和維修任務。