虛擬環(huán)境下飛機(jī)線纜裝配技術(shù)研究

中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司 王同蘇 杜寶瑞

線纜在飛機(jī)上占有較大比重，線纜的主要作用是可靠地傳輸通信信號(hào)，保證電氣設(shè)備之間的正常通信，其重要程度相當(dāng)于人體的神經(jīng)。在實(shí)際的飛機(jī)裝配過(guò)程中，影響線纜裝配的因素?cái)?shù)目較多，目前大部分裝配操作仍采用手工方式，裝配過(guò)程中常常需要人工對(duì)其進(jìn)行修改。飛機(jī)線纜的裝配工作很大程度上依賴于工作人員的經(jīng)驗(yàn)，這一特點(diǎn)嚴(yán)重影響了飛機(jī)總裝的裝配效率。雖然我國(guó)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)線纜的三維設(shè)計(jì)，然而線纜的裝配仍然處于傳統(tǒng)的依據(jù)二維圖紙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)布線的階段。隨著我國(guó)航空制造業(yè)型號(hào)任務(wù)的增多、產(chǎn)量需求的加大，電力、數(shù)據(jù)等線纜數(shù)量顯著增加，布局更加復(fù)雜，這些線纜的裝配效率直接影響到整個(gè)裝配生產(chǎn)線的速度和飛機(jī)的壽命。因此，提高飛機(jī)線纜的裝配水平已經(jīng)成為飛機(jī)裝配領(lǐng)域中一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是一項(xiàng)集信息融合技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、電子信息技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)于一身的先進(jìn)技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的交互性（Interactivity）、沉浸性（Immersion）和實(shí)時(shí)性（Real-Time）能夠?yàn)轱w機(jī)裝配人員提供一種高度逼真的虛擬環(huán)境，可以直接對(duì)虛擬原型進(jìn)行人機(jī)交互操作，并實(shí)時(shí)地觀察裝配過(guò)程及其產(chǎn)生的效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入為改進(jìn)飛機(jī)線纜的裝配條件提供了一種可行的技術(shù)途徑。本文針對(duì)實(shí)際飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的特點(diǎn)，對(duì)虛擬環(huán)境下的飛機(jī)線纜裝配技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 飛機(jī)線纜虛擬裝配

1.1 虛擬裝配技術(shù)

虛擬裝配技術(shù)（Virtual Assembly，VA）是實(shí)際產(chǎn)品裝配過(guò)程在計(jì)算機(jī)上的本質(zhì)體現(xiàn)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和CAD技術(shù)在工程設(shè)計(jì)中的典型應(yīng)用，是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵組成部分[1]。虛擬裝配技術(shù)以裝配工藝為核心，以裝配仿真、干涉碰撞檢查、裝配規(guī)劃的形成與可裝配性評(píng)價(jià)等單元技術(shù)模塊為支撐，對(duì)產(chǎn)品的裝配順序、路徑、方法、資源、人工等進(jìn)行分析與決策。飛機(jī)裝配的研究對(duì)象通常種類繁多且造價(jià)相對(duì)較高，針對(duì)其難以進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)的特點(diǎn)，虛擬裝配技術(shù)是一種特別有效的研究手段。虛擬裝配技術(shù)的重要工具是計(jì)算機(jī)，它與數(shù)值計(jì)算、求解方法的區(qū)別在于它首先是一種試驗(yàn)技術(shù)。虛擬裝配技術(shù)以最直觀的效果、可視化方式展示、驗(yàn)證并改進(jìn)尚處在設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品的可裝配性，從而起到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低裝配成本的作用。

目前，虛擬裝配技術(shù)的研究可以分作2個(gè)層次：

（1）裝配過(guò)程的可視化手段和干涉檢查工具。直觀展示產(chǎn)品裝配過(guò)程中零部件的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和空間位置關(guān)系，并提供運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的干涉檢查和報(bào)警。

（2）基于VR技術(shù)構(gòu)造虛擬的產(chǎn)品裝配環(huán)境。操作人員有身臨其境的感覺(jué)，并能通過(guò)視覺(jué)、聽覺(jué)和觸覺(jué)來(lái)感知產(chǎn)品的裝配過(guò)程和效果。

圖1 虛擬裝配技術(shù)工作流程Fig.1 Virtual assembly technology work process

2個(gè)層次的發(fā)展對(duì)產(chǎn)品開發(fā)與并行工程的實(shí)施均有深遠(yuǎn)意義，它們都處于研究和探索階段。

1.2 基于DELMIA的裝配仿真

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國(guó) Dassault Systemes公司以“數(shù)字化工廠”為概念，開發(fā)的一款具有模擬仿真功能的三維設(shè)計(jì)軟件。DELMIA軟件系統(tǒng)包括兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的獨(dú)立軟件，DPE（Digital Process Engineer）與DPM（Digital Process Manufacture），前者為數(shù)字化工藝規(guī)劃平臺(tái)，它建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)（Product List），工藝結(jié)構(gòu)（Process List）和資源數(shù)據(jù)（Resourse List），并將三者有效地關(guān)聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品分析、工藝方案評(píng)估、各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算和裝配工藝結(jié)果的輸出等。后者提供工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗(yàn)證應(yīng)用的虛擬環(huán)境，以產(chǎn)品、工裝的三維模型并結(jié)合 DPE 已設(shè)計(jì)好的工藝流程進(jìn)行數(shù)字化裝配過(guò)程的仿真驗(yàn)證，二者通過(guò)唯一的 PPR Hub 數(shù)據(jù)庫(kù)共享數(shù)據(jù)。

飛機(jī)虛擬裝配過(guò)程仿真的基本思路是利用DELMIA系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上直觀展示出裝配過(guò)程中飛機(jī)零部件的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和空間位置關(guān)系，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，檢查飛機(jī)的可裝配性。

1.3 飛機(jī)線纜的數(shù)字化建模

在飛機(jī)裝配過(guò)程中，線纜的柔性特征決定了其在裝配過(guò)程中容易發(fā)生變形。另外，線纜的結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，并且需要與剛性結(jié)構(gòu)件協(xié)調(diào)交叉裝配。以上2點(diǎn)使得飛機(jī)線纜的裝配仿真一直是飛機(jī)虛擬裝配界的難題。

目前，在數(shù)字化建模中，剛性結(jié)構(gòu)件的建模通常比較容易實(shí)現(xiàn)，利用這種建模思想，可以將柔性線纜設(shè)計(jì)成幾何實(shí)體模型，這種模型能夠從幾何上表達(dá)出線纜布置的初始狀態(tài)與最終結(jié)果，對(duì)于柔性線纜的可變形性以及裝配過(guò)程中的中間狀態(tài)則無(wú)法表達(dá)。線纜的數(shù)字化建模關(guān)鍵是建立合理的走線路徑和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖2所示為某一線纜的示意圖，該線纜包含2個(gè)分支點(diǎn)，5個(gè)末端，線纜末端為連接器，共有7個(gè)主節(jié)點(diǎn)。不考慮線纜的幾何參數(shù)、材料屬性等具體信息，將所示線纜抽象為如圖3所示的基本元素。

圖2 某線纜示意圖Fig.2 Cable diagram

圖3 抽象為基本元素后的線纜示意圖Fig.3 Cable diagram after abstraction as the basic element

如圖3所示，將整個(gè)線纜拆分為不同的關(guān)鍵點(diǎn)與線纜段：

（1）關(guān)鍵點(diǎn)：飛機(jī)線纜的裝配仿真過(guò)程通常以節(jié)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，線纜的節(jié)點(diǎn)分為主節(jié)點(diǎn)與分節(jié)點(diǎn)，在裝配過(guò)程中，主節(jié)點(diǎn)的位置通常是相對(duì)固定的，其次是分節(jié)點(diǎn)，通常通過(guò)調(diào)整線纜段來(lái)完成線纜的最終裝配，必要時(shí)可以對(duì)分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在裝配仿真建模中，將線纜的各端點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)抽象為基礎(chǔ)關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)線纜通路的實(shí)際工程需要，在柔性線纜適當(dāng)位置設(shè)置一系列插值關(guān)鍵點(diǎn)。

（2）線纜段：經(jīng)過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)的確定，將整個(gè)線纜分割成一組相對(duì)獨(dú)立的線纜，相鄰2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間的線纜即為線纜段。

這種線纜的數(shù)字化信息模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔性線纜的復(fù)雜信息進(jìn)行抽象表達(dá)，基于此生成線纜在三維環(huán)境中的虛擬實(shí)體模型，從而為下一步線纜的虛擬裝配仿真提供數(shù)模已完成各種交互操作。

1.4 基于DELMIA的飛機(jī)線纜裝配仿真

在DELMIA軟件中，建立線纜的虛擬仿真環(huán)境（“PPR樹”的建立）。

（1） 建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)（Product List）。

將所建立的飛機(jī)線纜三維數(shù)模和其所處裝配環(huán)境的飛機(jī)結(jié)構(gòu)三維數(shù)模的產(chǎn)品信息保存為“*.CATProudct”格式，對(duì)于三維數(shù)模中沒(méi)有的產(chǎn)品信息和一些附加的工藝信息（如分工路線、材料屬性等）可以加入到“*.xls”格式的文件中與裝配數(shù)模一并導(dǎo)入到DELMIA環(huán)境中，這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品信息提取的自動(dòng)化，減輕手工操作的工作強(qiáng)度和出錯(cuò)幾率。值得注意的是，具體操作時(shí)通常會(huì)將一些不參與裝配仿真動(dòng)作的結(jié)構(gòu)部件等保存為輕量化數(shù)模（通常為“*.cgr”格式），在DELMIA環(huán)境下再將整理出來(lái)的裝配數(shù)模導(dǎo)入到Product List中完成Product List的建立。

（2） 建立工藝結(jié)構(gòu)（Process List）。

構(gòu)建Process List的過(guò)程，就是規(guī)劃裝配工藝順序的過(guò)程。裝配順序規(guī)劃是指零部件之間的裝配優(yōu)先關(guān)系，即裝配過(guò)程中各零部件之間決定先后裝配順序的約束關(guān)系，該約束關(guān)系需要充分考慮幾何干涉與裝配工藝性2個(gè)方面。虛擬環(huán)境下線纜裝配順序規(guī)劃與剛性結(jié)構(gòu)件在流程上的主要不同之處是，在進(jìn)行虛擬裝配工藝規(guī)劃之前，剛性結(jié)構(gòu)件已在虛擬建模環(huán)境中設(shè)計(jì)完成，只需將虛擬建模環(huán)境下的實(shí)體模型導(dǎo)入到虛擬裝配環(huán)境中就可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的裝配工藝規(guī)劃[2]；而線纜的設(shè)計(jì)還與電氣原理圖密切相關(guān)，所以在進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃之前，還需要先在虛擬環(huán)境下進(jìn)行線纜的幾何布局設(shè)計(jì)。因此，虛擬環(huán)境下線纜和管路的裝配規(guī)劃包括布局設(shè)計(jì)和裝配工藝規(guī)劃2方面。在這里，線纜在布局設(shè)計(jì)階段和裝配工藝規(guī)劃階段均為柔性體。

（3） 建立資源數(shù)據(jù)（Resourse List）。

Delmia軟件里面的資源是一個(gè)廣義的概念，指參與裝配過(guò)程的所有非產(chǎn)品的實(shí)物元素，如：刀量具、工藝裝備、地面設(shè)備、車間廠房、操作人員與機(jī)器人等。這些信息均需在“resource”資源樹下建立相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，填入必要的屬性信息，必要的是將這些元素指派給與該元素對(duì)應(yīng)的三維數(shù)模文件。構(gòu)建Resourse List的過(guò)程和構(gòu)建Product List的過(guò)程類似，在此過(guò)程中，同樣要注意將數(shù)據(jù)量大同時(shí)又不參與裝配仿真的部件保存為節(jié)省數(shù)據(jù)空間的“*.cgr”格式，并且加載進(jìn)“*.CATProudct”中導(dǎo)入進(jìn)來(lái)。

應(yīng)用DELMIA系統(tǒng)建立飛機(jī)線纜裝配仿真過(guò)程的主要步驟為：

（a）初始化裝配仿真環(huán)境；

（b）建立虛擬裝配行為，其中包括設(shè)置裝配工序及裝配路徑；

圖4 基于DELMIA飛機(jī)線纜裝配仿真的制作Fig.4 Simulation based on DELMIA aircraft cable production

（c）執(zhí)行裝配仿真過(guò)程，同時(shí)進(jìn)行干涉檢查。

如果在裝配仿真過(guò)程中發(fā)生干涉，可對(duì)仿真行為和裝配路徑進(jìn)行及時(shí)修改，直至形成最優(yōu)的裝配仿真結(jié)果（圖4）。

這里需要說(shuō)明的是，飛機(jī)線纜裝配仿真過(guò)程基于“可拆即可裝”原理，即將三維零部件模型從最終的空間位置進(jìn)行合理有序的拆除，從而獲得所有零部件的拆卸序列，最后將此拆卸序列“反轉(zhuǎn)倒置”，“反轉(zhuǎn)倒置”后的流程即為正確的“裝”的工藝流程。由于無(wú)需在移動(dòng)零部件模型時(shí)查找它們之間的約束元素，采用這種方式能夠比較方便地對(duì)各零部件進(jìn)行移動(dòng)。飛機(jī)線纜的裝配仿真過(guò)程中，在顯示已有的工裝和結(jié)構(gòu)件數(shù)模的同時(shí)，適時(shí)的對(duì)線纜系統(tǒng)進(jìn)行隱藏/顯示操作，以便建立合理的飛機(jī)線纜裝配仿真流程。

線纜的柔性特性決定了飛機(jī)線纜的裝配目前仍以手工操作為主，因此裝配過(guò)程仿真人員需要充分考察工藝中影響工人作業(yè)的空間開敞性、姿態(tài)舒適性和勞動(dòng)強(qiáng)度等因素。在此，通過(guò)人機(jī)工程引入三維人體模型進(jìn)行人體操作的動(dòng)態(tài)仿真，從而分析操作人員在具體裝配環(huán)境中的姿態(tài)、負(fù)荷、舒適度等，驗(yàn)證工人操作的可達(dá)性、舒適性，進(jìn)一步優(yōu)化仿真流程、改進(jìn)工裝設(shè)計(jì)，確?，F(xiàn)場(chǎng)工人操作的可行性與最優(yōu)性（圖5）。

圖5 基于DELMIA人機(jī)工程的飛機(jī)線纜裝配仿真制作Fig.5 Aircraft cable assembly simulation based on DELMIA manmachine project production

2 基于人機(jī)交互設(shè)備的裝配工藝優(yōu)化技術(shù)

目前，飛機(jī)線纜的裝配工作主要以人工操作為主，人機(jī)交互設(shè)備的采用為線纜的虛擬裝配工作提供了很大的便利。人機(jī)交互(Human—Computer Interaction，HCI)是研究人、計(jì)算機(jī)以及它們間相互影響的技術(shù)。人機(jī)交互技術(shù)是當(dāng)前信息產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)，世界各國(guó)都將人機(jī)交互技術(shù)作為重點(diǎn)研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)總統(tǒng)信息技術(shù)顧問(wèn)委員會(huì)的“2l世紀(jì)的信息技術(shù)報(bào)告”中將“人機(jī)交互和信息管理”列為新世紀(jì)4項(xiàng)重點(diǎn)發(fā)展的信息技術(shù)(還包括軟件、可伸縮信息基礎(chǔ)設(shè)施、高端計(jì)算)之一，它的目標(biāo)是研制“能聽、能說(shuō)、能理解人類語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)”[3]。

將人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)線纜虛擬裝配中不僅考慮到裝配過(guò)程的可行性，而且十分關(guān)注工人在裝配過(guò)程中的方便性，以利于提高工作效率和產(chǎn)品裝配質(zhì)量，如圖6所示。人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用使裝配技術(shù)人員可以利用特制的頭盔和數(shù)據(jù)手套等輔助設(shè)備，進(jìn)入數(shù)字化的虛擬裝配環(huán)境，進(jìn)行真正裝配過(guò)程的虛擬仿真，該方法可以優(yōu)化裝配工藝路徑，進(jìn)一步提高工作效率和產(chǎn)品裝配質(zhì)量。國(guó)內(nèi)對(duì)于人機(jī)交互技術(shù)的應(yīng)用尚處于起步階段，人機(jī)交互設(shè)備大多應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，很少應(yīng)用于飛機(jī)裝配等大型復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)研制。

圖6 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化虛擬仿真模擬Fig.6 Digital virtual simulation based on virtual reality

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，虛擬裝配技術(shù)的應(yīng)用使波音、空客取得了顯著的效益如空客典型部件裝配周期縮短了60%，裝配工藝設(shè)計(jì)周期縮短了30%～50%，裝配成本減少了20%～30%。波音公司在研制X-32機(jī)時(shí)，隨著X-32裝配工作的進(jìn)展，工人們開始佩帶一種掛在腰間的微型計(jì)算機(jī)，該機(jī)通過(guò)單目鏡片，能把裝配順序和裝配好的部件狀態(tài)投射到正在裝配部件的上方，讓工人方便直觀地進(jìn)行裝配工作，無(wú)需再細(xì)讀圖紙，翻閱工藝文件，使裝配周期縮短50%，成本降低30%～40%。

3 結(jié)論

虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為復(fù)雜產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)、高效和可靠性裝配提供了一條新的研究途徑。該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)字化制造技術(shù)在制造業(yè)中研究和應(yīng)用的典范，為飛機(jī)線纜裝配研制提供了一種全新的實(shí)施途徑。針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，目前需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)有以下3個(gè)方面：

（1）虛擬環(huán)境模型構(gòu)建技術(shù)：通過(guò)研究解決模型數(shù)據(jù)接口問(wèn)題、模型輕量化問(wèn)題以及裝配環(huán)境模型優(yōu)化問(wèn)題等，從而合理進(jìn)行線纜虛擬裝配環(huán)境的構(gòu)建工作，使裝配工藝順序和路徑得到有序的規(guī)劃，進(jìn)而縮短工作周期。

（2）虛擬裝配工藝規(guī)劃技術(shù)：虛擬裝配工藝規(guī)劃技術(shù)充分基于人的經(jīng)驗(yàn)和感知，通過(guò)模擬真實(shí)裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的裝配順序和路徑規(guī)劃，從而提高裝配精度和裝配可靠性，是一種提高裝配現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)代化管理水平的有效手段。

（3）現(xiàn)場(chǎng)可視化裝配技術(shù)：現(xiàn)場(chǎng)可視化裝配是通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程仿真結(jié)果進(jìn)行可視化處理，再將處理后的結(jié)果在車間／工作地輸出；同時(shí)還將有關(guān)的工作內(nèi)容以文字(超鏈接)的形式輸出。利用可視化技術(shù)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，可以脫離原來(lái)的仿真平臺(tái)也可以看到有關(guān)的仿真結(jié)果，并且加入必要的文字技術(shù)使得仿真結(jié)果更容易理解和接受。

通過(guò)將以上技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)線纜虛擬裝配工作中，有助于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建設(shè)，保證了調(diào)試效率及裝配質(zhì)量，從而縮短飛機(jī)裝配周期，提高生產(chǎn)力，使我國(guó)飛機(jī)裝配技術(shù)水平得到進(jìn)一步的提升。

[1] 夏平均，姚英學(xué).虛擬裝配的研究綜述與分析I.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(5)：740-744.

[2] 劉檢華，姚瑁，寧汝新.虛擬裝配工藝規(guī)劃實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(6)：138-143.

[3] 董士海.人機(jī)交互的進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn).計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2004(1)：1-13.