虛擬現(xiàn)實技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用與發(fā)展

詹建國

[摘? ? 要]計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，推動著飛機裝配技術(shù)不斷發(fā)展。迄今為止，飛機裝配技術(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。飛機裝配的方法、工藝裝配不斷的改進和提升，促使飛機裝配工作強度不斷降低、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)革命蓄勢待發(fā)，智能制造、虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)日新月異，飛機裝配從數(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)實技術(shù)作為一種高級人機交互技術(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話接口，實現(xiàn)數(shù)字虛體、物理實體與意識個體三者之間的有機融合，將能助推飛機數(shù)字化裝配向智能化裝配發(fā)展。

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

[中圖分類號]V262.4 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]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，因此飛機裝配技術(shù)是一項難度大、涉及學(xué)科領(lǐng)域多的綜合性制造技術(shù)。飛機裝配主要目的是按產(chǎn)品設(shè)計的要求，用合理的工藝方法，進行零件制造、組部件裝配、大部件對接，進而完成總裝和試飛，交付用戶運行。此過程中，需要大量復(fù)雜、形式多樣的行業(yè)知識。同時，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結(jié)合，作用于整個過程，完成飛機復(fù)雜的裝配工作。

傳統(tǒng)的飛機裝配，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產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、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)達國家，在新型號的研制中大量應(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強度，提升了飛機研制效率和質(zhì)量。如波音737新一代標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備減少80%，F(xiàn)-35飛機研制工作中工裝減少95%，波音777客機研制周期，從過去8年縮短至5年，減少人為差錯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，飛機數(shù)字化裝配技術(shù)都在向自動化、柔性化、信息化等技術(shù)融合的方向發(fā)展，飛機產(chǎn)品精準(zhǔn)裝配、高效裝配的目標(biāo)也逐步得以實現(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)代飛機制造要求，為了適應(yīng)當(dāng)前飛機制造信息化的發(fā)展，推動飛機數(shù)字化裝配向智能化裝配過渡，進一步減少人為干預(yù)對飛機裝配的影響，飛機裝配的信息化勢在必行。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實是一種人機交互技術(shù)，在計算機圖形、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)實環(huán)境。計算機建立三維實物空間，用戶通過佩戴信息感知、輸入輸出設(shè)備設(shè)施，實現(xiàn)人與虛擬模型的交互，并產(chǎn)生與真實世界相同的反饋信息，獲得人在真實世界相同的感受，由此產(chǎn)生身臨其境的感覺。通過這種對三維空間的表現(xiàn)能力、人機交互操作環(huán)境及帶給人身臨其境的感覺，虛擬現(xiàn)實技術(shù)改變了人與計算機之間枯燥、單調(diào)的互動現(xiàn)狀，將信息化技術(shù)提升到一個全新的發(fā)展水平。

國際上一般把計算機視覺、增強現(xiàn)實、增強虛擬環(huán)境、虛擬現(xiàn)實這關(guān)系緊密的4類技術(shù)，統(tǒng)稱為虛擬現(xiàn)實連續(xù)統(tǒng)一體（VR continuum）。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）首先用于工業(yè)制造領(lǐng)域，是各類“虛擬-現(xiàn)實”技術(shù)的基礎(chǔ)。VR不僅可以利用計算機建立一個實時、沉浸式體驗的三維虛擬環(huán)境，還可以對復(fù)雜數(shù)據(jù)進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作后，可以實時相應(yīng)，并將信息反饋給用戶，這樣對用戶而言，三維環(huán)境中的模型具有強烈的存在感。增強現(xiàn)實（Augment Reality，AR）是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的人機交互新技術(shù)，將真實環(huán)境和虛擬環(huán)境進行匹配合成，以增強用戶的體驗感和交互感。簡單說，VR讓用戶沉浸于虛擬世界中，實現(xiàn)人與虛擬世界進行交互，完全虛擬的世界;AR將信息疊加于現(xiàn)實世界上，人通過動作捕捉進行交互，更強調(diào)虛擬服務(wù)真實。VR、AR區(qū)別對比，如圖1和圖2。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在飛機裝配各個階段均有應(yīng)用，在飛機設(shè)計中的方案論證階段，能夠虛擬構(gòu)造、演示飛機整體性能和技術(shù)特征，使用戶直觀了解將要購買的飛機;在工程研制階段，應(yīng)用VR技術(shù)進行設(shè)計更改評估和空地勤人員培訓(xùn);在初步設(shè)計和詳細(xì)初步設(shè)計階段，VR技術(shù)可以對駕駛艙人為因素、人機工效、艙門、通風(fēng)窗功能、可裝配性、維修性等進行分析與評估，同時對飛機進行飛行仿真。2015年，賽峰短艙公司（SafranNacelles）采用VR技術(shù)進行設(shè)備改造和技術(shù)升級，應(yīng)用于A330neo飛機短艙項目，使項目工期減少了18個月。在飛機裝配工藝設(shè)計階段，工藝設(shè)計人員在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品做裝配工藝性分析或裝配工藝過程規(guī)劃，通過對產(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、可達性差等不協(xié)調(diào)問題，實現(xiàn)產(chǎn)品和工藝設(shè)計的并行設(shè)計，并提前優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和裝配流程。在飛機裝配階段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能實現(xiàn)裝配工作區(qū)域產(chǎn)品實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)了將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在飛機車間裝配指令中的MOON項目，并在A400M飛機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，證明了這個項目的可行性。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)是融合高分辨率的立體投影顯示技術(shù)、三維計算機圖形技術(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)，增強培訓(xùn)人員對各種操作流程的感知能力、動手能力，達到實際操作模擬的效果，提高培訓(xùn)效果和質(zhì)量。

座艙設(shè)計虛擬現(xiàn)實評估系統(tǒng)，是空客研發(fā)中心正在研究的VR系統(tǒng)配合外部設(shè)備進行其座艙設(shè)計與人機工效的評估系統(tǒng)，主要是讓用戶在設(shè)計階段參與進來，對座艙的布局合理性等進行評估，進行快速迭代，從而適應(yīng)使用者對操控、布局、顯示等方面的要求。

在飛機裝配領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實技術(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。在飛機虛擬研發(fā)設(shè)計調(diào)試、虛擬裝配制造、設(shè)備維護檢修、裝配模擬考核驗證方面，均有嘗試應(yīng)用。中國商飛借助大型客機C919的研制，大膽研究和應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在飛機模擬測試飛行控制中心，嘗試運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)大幅提升產(chǎn)品性能精準(zhǔn)性，使機載測試系統(tǒng)的地面驗證平臺監(jiān)控飛行參數(shù)，以確保飛行前和實際飛行中飛機相關(guān)參數(shù)的精準(zhǔn)性;在全機線纜安裝上，嘗試虛擬現(xiàn)實技術(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際問題。由此延伸，針對飛機結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝的數(shù)以千計的系統(tǒng)支架零件，還可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實時捕捉機體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實物信息，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，從而實現(xiàn)飛機內(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)實技術(shù)是由一個強大的計算與通信系統(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大的高性能計算和顯示能力。它連接人與智能制造環(huán)境，增強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話接口，實現(xiàn)數(shù)字虛體、物理實體與意識個體三者之間的有機融合。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用也已經(jīng)多年，隨飛機裝配由數(shù)字化一路走向智能化，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將是未來航空制造業(yè)提質(zhì)增效的一個必然選擇，將作為核心技術(shù)支撐航空智能制造轉(zhuǎn)型。

參考文獻

[1] 韓勇，王潔，程永強，等.虛擬裝配技術(shù)研究[J].航空制造技術(shù)，2012（Z2）：97-101.

[2] 崔冬.DELMIA在機械加工領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2007（12）：99-102.

[3] 周忠，周頤，肖江劍.虛擬現(xiàn)實增強技術(shù)綜述[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（2）：157-180.

[4] 王宏鋒，萬蕾.基于虛擬現(xiàn)實（VR）的飛機部件裝配工藝技術(shù)研究與應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2017（21）：39-43.

[5] 張秋月，安魯陵.虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在飛機裝配中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù)，2017（11）：40-45.