淺談航天制造中的虛擬裝配技術(shù)

呂舒婷 周賀 白亞洲 吳盟 陳東凱 張晗

首都航天機(jī)械有限公司 北京市 100071

1 引言

產(chǎn)品裝配過(guò)程的規(guī)劃是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重要鏈接之一。安裝和調(diào)試通常占整個(gè)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(diǎn)。在航天器裝配過(guò)程中，小空間操作、難操作、盲操作始終是設(shè)計(jì)和裝配的難點(diǎn)。因此，在航天器設(shè)計(jì)的初期，選擇縮短裝配時(shí)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(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)，可以有效減少裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題。但是，由于風(fēng)險(xiǎn)分析取決于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，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(jué)公開(kāi)的虛擬組裝概念。在實(shí)際組裝中可能發(fā)生的問(wèn)題。這樣可以降低組裝的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)機(jī)器人軟件進(jìn)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(guò)去10 年在工業(yè)制造和相關(guān)學(xué)術(shù)領(lǐng)域開(kāi)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(jì)算機(jī)上建立虛擬環(huán)境，以模擬設(shè)計(jì)的工業(yè)產(chǎn)品裝配。接下來(lái)，通過(guò)分析簡(jiǎn)單的移動(dòng)過(guò)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(jì)者可以在產(chǎn)品裝配的第一步找到問(wèn)題。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。[4]此外，裝配工程師還可以使用虛擬裝配技術(shù)來(lái)規(guī)劃裝配過(guò)程，以避免未來(lái)裝配中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高裝配效率。

隨著過(guò)去20 年計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)也得到了進(jìn)一步的開(kāi)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(lái)開(kāi)發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還集成了許多人機(jī)交互界面。這越來(lái)越真實(shí)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(shí)。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助組件相比，通過(guò)機(jī)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(lèi)：

1）基于產(chǎn)品的虛擬裝配

虛擬編譯是一種計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，用于在虛擬環(huán)境中分析計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)樣本的編譯，以改進(jìn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和編譯相關(guān)的設(shè)計(jì)決策。這是對(duì)組件設(shè)計(jì)（特殊設(shè)計(jì)，DFA）理論方法的補(bǔ)充。它的主要任務(wù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)找到組件設(shè)計(jì)的最優(yōu)解，并創(chuàng)建在不同功能約束下的組件圖。目標(biāo)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(shí)驗(yàn)建模和定量分析的結(jié)果，很明顯零件設(shè)計(jì)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(jì)合理可行。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，生產(chǎn)總成本應(yīng)保持在最低水平。另一方面，在社會(huì)因素方面，考慮到人的因素和環(huán)境保護(hù)。

2) 基于工藝方案的虛擬裝配

專(zhuān)項(xiàng)工程設(shè)計(jì)，與產(chǎn)品信息模型和目標(biāo)資源模型相一致，利用計(jì)算機(jī)模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以提供更加完善的專(zhuān)項(xiàng)工程系統(tǒng)來(lái)管理專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)的范圍和水平。第一個(gè)生產(chǎn)計(jì)劃是一個(gè)共同池，包括市場(chǎng)需求、投資條件、生產(chǎn)量、生產(chǎn)周期、資源配置、池設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)的均衡生產(chǎn)線(xiàn)。它主要是關(guān)于編制任務(wù)計(jì)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(xiàn)、確認(rèn)操作中的空間干預(yù)以及創(chuàng)建流程的時(shí)間表和文檔。

我們迫切需要具有流控核心的實(shí)用組件。其中大部分體現(xiàn)在安裝虛擬模塊所使用的對(duì)象、流程和工具上，很大程度上與實(shí)際生產(chǎn)情況相對(duì)應(yīng)。產(chǎn)品保護(hù)可以是明確的或隱蔽的。實(shí)際過(guò)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(jì)算機(jī)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(lái)測(cè)試和評(píng)價(jià)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(qiáng)度和變形對(duì)骨料性能的影響。容差可以自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，基于虛擬協(xié)議的虛擬構(gòu)件的主要研究包括橫切、測(cè)量變形和平衡應(yīng)力零件制造過(guò)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(jì)算結(jié)果的確認(rèn)。圖3 顯示了各種虛擬裝配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)級(jí)別。

圖3 虛擬裝配系統(tǒng)機(jī)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(kuò)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(hù)可以觀察虛擬編輯環(huán)境。設(shè)計(jì)人員僅使用基本外圍設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、軌跡球等）來(lái)操作交互式組件。裝配仿真和桌面虛擬裝配系統(tǒng)雖然沒(méi)有沉浸式效果，但其外圍設(shè)備簡(jiǎn)單低成本、操作方便、培訓(xùn)周期短等特點(diǎn)更適合推廣應(yīng)用。通過(guò)在高級(jí)虛擬軟件系統(tǒng)中加入智能定向算法，改進(jìn)沉浸式展示策略，可以有效達(dá)到預(yù)期的虛擬高級(jí)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(hù)的視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，并將用戶(hù)放置在計(jì)算機(jī)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(zhǎng)，使用起來(lái)不方便。長(zhǎng)期以來(lái)，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(kuò)展虛擬編輯裝配系統(tǒng)是一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬裝配系統(tǒng)。用戶(hù)可以將虛擬零件發(fā)送到耳機(jī)上的屏幕上進(jìn)行操作和組裝，觀察虛擬零件與現(xiàn)實(shí)世界重疊的圖像，操作和組裝虛擬零件。虛擬現(xiàn)實(shí)融合注冊(cè)技術(shù)。在實(shí)際零件的位置。改進(jìn)虛擬裝配系統(tǒng)可以提高設(shè)計(jì)人員的裝配體驗(yàn)。然而，由于傳感器精度的限制和對(duì)物理模型的需要，該技術(shù)還遠(yuǎn)未應(yīng)用到裝配過(guò)程的設(shè)計(jì)中。

4）分布式虛擬裝配系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的計(jì)算能力和網(wǎng)絡(luò)功能。基于上述虛擬裝配系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接多個(gè)物理位置不同的虛擬裝配環(huán)境，共享裝配過(guò)程信息，讓設(shè)計(jì)人員共同完成設(shè)計(jì)工作。分布式虛擬裝配系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品。協(xié)同設(shè)計(jì)的應(yīng)用是未來(lái)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(jiàn)表1。

表1 各種虛擬裝配系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)比

2 虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬裝配技術(shù)在國(guó)外很早就被開(kāi)發(fā)出來(lái)，在政府的大力支持下發(fā)展迅速。從20 世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，華盛頓州立大學(xué)和美國(guó)國(guó)立標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所共同開(kāi)發(fā)了虛擬裝配設(shè)計(jì)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(guó)大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)，如加拿大、英國(guó)、希臘和德國(guó)，隨后開(kāi)展了虛擬裝配技術(shù)的研究。

20 世紀(jì)90 年代中期，美國(guó)愛(ài)荷華州立大學(xué)虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中心建立了一個(gè)常春藤系統(tǒng)，用于裝配規(guī)劃和評(píng)估。解決了以往自動(dòng)裝配規(guī)劃系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的問(wèn)題。您可以直觀地查看裝配計(jì)劃的結(jié)果，并自動(dòng)評(píng)估方案。[6]

1996 年，德國(guó)弗勞恩霍夫工業(yè)研究所成功開(kāi)發(fā)了一個(gè)虛擬裝配圖原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)虛擬人體模型在虛擬環(huán)境中進(jìn)行交互，并在當(dāng)年的慕尼黑計(jì)算機(jī)展覽會(huì)上獲得了最佳系統(tǒng)獎(jiǎng)。[7]

德國(guó)比勒費(fèi)爾特大學(xué)人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)研究所基于構(gòu)建工具箱的概念，將虛擬現(xiàn)實(shí)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(kù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(duì)快艇螺旋槳進(jìn)行虛擬裝配操作，并建立了半經(jīng)驗(yàn)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(guò)輸入裝配條件并在計(jì)算機(jī)上按矩陣，可以在實(shí)際解決方案中規(guī)劃裝配順序，并評(píng)估和優(yōu)化結(jié)果。

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

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)虛擬裝配技術(shù)的研究，基本上始于20 世紀(jì)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(duì)虛擬裝配的理解，虛擬裝配的發(fā)展可分為三個(gè)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(duì)虛擬裝配發(fā)展方向進(jìn)行詳細(xì)研究的階段。目前，國(guó)外虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入第三階段，而我國(guó)也正在邁向第三階段。仍有很大的進(jìn)步空間。目前，浙江大學(xué)cad&cg 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)內(nèi)虛擬裝配研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，也在推動(dòng)國(guó)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(guò)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[12]開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(guò)實(shí)時(shí)碰撞檢測(cè)機(jī)制自動(dòng)確保分解過(guò)程的有效性。

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

太原理工大學(xué)張燕寧[14]第二次開(kāi)發(fā)了UG 建模軟件，并以剪板機(jī)的裝配為例進(jìn)行了驗(yàn)證，開(kāi)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(yùn)行機(jī)制的基礎(chǔ)上，開(kāi)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(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展將越來(lái)越快。虛擬裝配的優(yōu)勢(shì)將越來(lái)越明顯，裝配感將更加逼真，裝配方法將更加標(biāo)準(zhǔn)化、集成化，評(píng)價(jià)和驗(yàn)證功能將更加完善。

航天器的成本很高。裝配過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，將影響整體進(jìn)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(jì)將是一項(xiàng)非常重要的創(chuàng)新，這意味著可以在設(shè)計(jì)之初識(shí)別末端裝配的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中解決和消化問(wèn)題，從而改進(jìn)裝配方案，簡(jiǎn)化裝配過(guò)程，使整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)更加靈活，適應(yīng)性更強(qiáng)。