一、虚拟装配技术概述

据统计，产品的装配费用占整个生产成本的30% ~50% 乃至更高，这种比例在航空制造业中更高。虚拟装配技术是在虚拟的环境下通过人机交互的方式对产品的各个零件进行装配，可以将工艺过程、产品的所有物料等结合在一起进行仿真，并且在装配设计阶段对实际生产过程中的零件安装是否准确、装配流程和工艺顺序是否合理、工作人员的工作姿态是否最优等诸多问题进行有效的验证，生成最符合实际生产的装配工艺，从而减少生产费用的支出及生产资源的浪费，有效提高装配效率。

20世纪末期，国外学者利用虚拟现实技术为装配工艺技术提供具有沉浸性、交互性、逼真性、操作便捷的虚拟场景，对虚拟装配技术进行了初步研究，并得到了良好的应用和推广[1]。国内研究主要停留在桌面式虚拟装配阶段，配套的虚拟环境设备相对落后。夏平均等对虚拟装配技术的研究状况进行了全面的综述和分析[2]，从不同角度对虚拟装配技术进行分类，根据实现功能和目的不同可分为以产品设计为中心、以工艺规划为中心和以虚拟原型为中心的虚拟装配；根据虚拟环境的不同可分为桌面式、头盔式、CAVE式和 Cybersphere系统，根据这些系统的优缺点自行设计了一种新型的虚拟装配环境系统，提出虚拟装配工艺技术体系结构[2]，可分为 3个环境模块以及 2个接口部分。根据该体系结构，虚拟装配的总体流程分为建模阶段、规划阶段以及现场应用示教阶段。建模阶段主要将产品模型和现实环境模型转化为虚拟场景模型，规划阶段主要进行产品装配顺序规划、装配路径规划、交互式装配操作仿真和评价，最后生成产品的工艺目录树和相关工艺文件，对现场装配人员进行培训和示教。

1.CAD建模环境模块。在CAD系统中设计完成零件及工装工具，通过定义一系列配合约束关系，这些零件被组装在一起，得到产品的装配模型。该装配建模过程只考虑零件的装配位置和约束关系，装配顺序等过程细节暂不考虑。主要包括产品零部件几何数模信息、工装及工具几何数模信息、软件系统管理数据信息 [3]。

2.虚拟装配规划环境模块。建立基于几何约束的虚拟装配环境，用户根据经验和知识在该环境中进行交互式装配与拆卸，记录装配方向、装配工具以及优先约束等信息。考虑碰撞干涉和工具操作空间限制等因素，对装配顺序和路径进行规划、评价和优化，生成经济、合理、实用的装配方案。

3.现场应用和示教环境模块。基于虚拟现实的装配过程仿真，为工程师提供了一种极好的培训手段。装配人员掌握复杂产品装配所需的操作技能和经验需要一个长期过程，装配人员在虚拟环境中进行装配任务培训，充分熟悉产品的装配过程，然后再进行产品的实际装配。同时，根据虚拟装配规划得到的优化装配方案，生成指导现场的工艺文件，开发基于 Web的示教软件，仿真产品的动态装配过程，指导工人实际装配。

4.CAD接口。CAD系统的设计模型装入虚拟环境后，零件的几何信息、拓扑信息以及装配约束信息等有用的信息必须提取出来。

5.虚拟装配 （VA）接口。虚拟环境下交互式规划得到产品的优化装配方案，相关的装配顺序、装配路径、工艺路线等过程信息应从虚拟环境中输出，输入培训和示教模块，用来生成装配动画文件指导现场装配和生成装配工艺文件。 

二、虚拟装配技术特点与优点

1.主要特点[3]

人机交互的装配方式。借助VR的主要设备，如数据衣、数据头盔和手套、三维操作鼠标等，使得工艺人员在与实际工作环境相似的虚拟场景中完成对零部件的移动、旋转、抓取、安装、拆卸等工作，让操作者真正的介入到装配过程中，体现人的主观意图和思想，实现以人为中心的工艺设计。

装配工艺方式虚拟化。包括数字模型三维虚拟化、可视及操作环境虚拟化、人机交互操作过程虚拟化。在虚拟立体环境下，通过 CAD 提供的数模资源，进行与实际装配过程相同的虚拟化操作，虚拟装配工艺设计的实施对象、操作过程以及所用的装配资源，均与生产实际高度吻合，可以生动直观地反映产品装配的真实过程，使仿真结果具有高可信度。

设计与制造的桥梁纽带。虚拟装配是产品设计制造上游和下游的过渡阶段，是产品生命周期中重要的一环，保障了产品在设计制造、质量检验、经营管理等方面的信息集成。设计过程中的三维数模、制造过程需要的工装数模、使用的自动化设备数模、通过工艺划分及仿真得到的工艺模型等在整个过程中形成统一的整体。

2.主要优点[3]

虚拟沉浸环境下的三维交互。通过沉浸式显示系统和空间交互设备的全面支持，实现工艺人员第一视角的随动观察与操作，模拟真实工作过程，在三维空间快速准确地实现移动、旋转、缩放，并可获得真实的反馈，增强互动体验，快速发现不同视角下暴露的装配问题。

高效的协同设计制造应用及更准确的过程决策。借助虚拟现实技术实现了多部门的可视化协同、协调过程，每个参与者都能在同一环境下真实感知和决策，快速进行工艺探索和工艺优化。

弥补传统装配仿真拆卸互逆思想等不足。多数装配仿真思路是拆卸和装配的逆过程，通过规划装配模型的拆卸顺序快速得到产品装配顺序。但装配顺序和拆卸顺序不是完全可逆的过程，所以得到的装配顺序只能作为一个参考。虚拟现实环境下对产品的安装操作及定位有自身优势，可以对此顺序进行安装过程仿真验证和路径记录。  

三、虚拟装配技术在飞机装配中的应用

飞机装配是飞机制造的重要环节，保证零件与零件、零件与工装、工装与工装之间的协调，进而保证装配准确度的飞机制造协调方式是飞机制造的重要特点。通过一系列的专用工艺装备，对有协调要求的形状和尺寸按模拟量进行传递，逐步传递到零件和部件上。在传递过程中存在一定数量的公共环节，公共环节越多，非公共环节越少，协调准确度就越高。这种协调方法能以较低的制造准确度保证较高的协调准确度[4]。

飞机数字化装配技术兴起于20世纪80年代后期，并在西方航空工业发达国家获得了迅速发展，数字化装配技术集成了工业界各领域最先进的科技成果，如数字化技术、虚拟现实技术、激光跟踪定位技术、自动控制技术等，它已经完全不同于传统的飞机装配技术。现代飞机数字化装配技术以自动化、数字化、柔性化与信息化为特点，显著提高了飞机装配质量和效率，同时也提高了飞机的疲劳寿命。波音公司在研发 B787客机时，整机采用基于模型的数字化定义的方式，实现了数字化装配过程仿真[5]，该技术将三维制造信息与三维设计信息共同定义到产品的三维数字化模型中，使ＣＡＤ与ＣＡＭ（加工、装配、测量、检验）等实现真正的高度集成，将工程技术人员从百年的二维文化中解放出来，数字化技术在飞机装配中有了革命性进展。

飞机部件装配在整个飞机制造过程中所占比例大，是一项涉及多个领域学科的综合集成技术，与产品的质量、生产周期和制造成本密切相关，采用基于虚拟现实（VR）的工艺装配技术使得飞机在制造的前期及时发现设计及工艺问题，尽早解决存在问题，缩短产品开发周期，从而降低产品制造成本。该项技术是基于虚拟现实平台，建立一个高逼真的沉浸式交互装配环境，以装配工艺设计人员为中心，以 CAD 软件数模作为输入条件，以计算机虚拟仿真作为技术支撑，以桌面式或沉浸式虚拟环境作为实施途径，通过 CAD 建模、虚拟装配工艺设计仿真、工艺文档生成与示教，真实地模拟产品装配过程，发现更多的装配问题，避免更多的设计缺陷。

中国商飞在大客（C919）模拟测试飞行控制中心，运用虚拟现实技术能大幅提升产品性能的精准性，使用机载测试

系统的地面验证平台来监控和分析飞行参数，以确保飞行前和实际飞行中飞机相关参数的准确性和正确性; 空客公司为 A350XWB开发了世界第一个混合现实实训平台进行飞机装配制造模拟考核验证等教学工作，利用增强现实的交互性及可实时执行性，避免实操验证风险、降低培训模拟成本[6]。

空客军用飞机公司的 Serván 等[7,8]将 AR 技术应用在飞机车间装配指令（WI）中，结合工业数字样机（iDMU）技术，开发了MOON项目。WI 是指导工作人员如何执行装配任务的文档，文档包括产品信息、资源信息和装配工艺信息，传统的 WI是纸质文档，并随着工程的进行不断变更，其修改、更新和管理，不仅仅浪费大量人力和物力资源，而且纸质文档信息离散、表达不直观，已经不适合于现代化的飞机数字化制造和装配。MOON 方法选择了增强现实的信息交互方式，使用网络摄像头实时捕捉装配工作区域的图像，然后从IDMU 中提取相应的虚拟信息叠加到实时图像上。系统总共有两个不同类型的输入，第一个输入是来自于真实的工作区域的图像信息，由安装在平板电脑上的摄像机（视觉采集设备）获取；第二个输入是来自虚拟信息的3D模型，虚拟环境的iDUM包含了装配中的所有CAD模型，所以首先需要在CATIA V5中选择在增强现实系统中看到的相应元素的CAD模型，并且需要选择为其创建的工作指令和资源配置等用于装配的所有虚拟信息。由Dassault  Systemes开发的相关组件可以将 iDMU几何信息转化为3DXML 格式。在飞机装配工作中，MOON 项目能够将 WI 文档信息进行统一的管理，并通过 AR 信息交互技术将iDMU 以3D视觉形式呈现给工作人员，增强现实技术所提供的全面、集中的交互式视觉信息可以更加直接、有效地指导装配工作，减少装配错误，提高装配效率和装配质量。 

参考文献：

[1]SETH A，VANCE J M，OLIVER J H．Virtual reality for assembly methods prototyping：A review[J]．Virtual Reality, 2011, 15(1): 5-20．

[2]夏平均, 姚英学. 虚拟装配的研究综述与分析[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2008,40(5):740-744.

[3]王宏峰，万蕾. 基于虚拟现实技术（VR）的飞机部件装配工业技术研究与应用[J].航空制造技术，2017(21):39-43.

[4]冯子明编著.飞机数字化装配技术,航空工业出版社,2015.10.

[5]于勇，陶剑，范玉青．波音787飞机装配技术及其装配过程[J]．航空制造技术，2009（14）：44-47.

[6] 仲小慧，刘义明，高培轶.VR/ AR/ MR 技术在飞机装配制造领域的应用与发展[J]．科学技术创新，2020（19）：186-187

[7]张秋月，安鲁陵.虚拟现实核增强现实技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术，2017(11):40-45.

[8] SERVÁN J, MAS F, MENÉNDEZ J L, et al. Using augmented reality in AIRBUS A400M shop floor assembly work instructions[J].American Institute of Physics, 2012,1431(1):633-640.