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數(shù)字化裝配技術(shù)在裝備維修保障中的應(yīng)用及發(fā)展*

2018-02-21 08:34何嘉武唐修檢
新技術(shù)新工藝 2018年9期
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)現(xiàn)實(shí)裝備

何嘉武,石 晶,王 濤,唐修檢,劉 謙

(1.陸軍裝甲兵學(xué)院 科研學(xué)術(shù)處,北京 100072;2.陸軍裝甲兵學(xué)院 車輛工程系,北京 100072;3.陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備保障與再制造系,北京 100072)

維修保障是恢復(fù)和保持裝備戰(zhàn)技性能的重要手段。第4次中東戰(zhàn)爭(zhēng)表明,高效、快捷和精準(zhǔn)的維修保障技術(shù)對(duì)恢復(fù)裝備的戰(zhàn)技性能、影響戰(zhàn)局走向具有重要意義。裝配是裝備維修保障過程的末端環(huán)節(jié),裝配的好壞直接影響到裝備最終的戰(zhàn)技性能。裝備作為一種復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng),其裝配過程涉及了千萬個(gè)零部件、工裝夾具、工量具以及裝配操作等。目前,裝備的維修裝配還主要以手工操作為主,這種傳統(tǒng)的手工裝配方式面臨著整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝難度大和誤差難控制等現(xiàn)實(shí)困難,已成為制約裝備迅速恢復(fù)和保持戰(zhàn)技性能的巨大障礙;因此,發(fā)展針對(duì)裝備維修保障過程中的數(shù)字化裝配技術(shù)對(duì)提升裝配效率、提高保障質(zhì)量具有重要意義。

1 裝備維修裝配現(xiàn)狀

裝備作為一種復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng),其維修裝配是一個(gè)典型的離散型裝配。裝配技術(shù)是一項(xiàng)涉及多學(xué)科、難度大、復(fù)合集成性強(qiáng)的技術(shù)。目前,裝備的維修裝配還主要以手工操作為主,如裝配現(xiàn)場(chǎng)主要以紙質(zhì)的工藝卡片來指導(dǎo)維修人員操作,線纜和管路主要依靠現(xiàn)場(chǎng)人工取樣,在一些大部件對(duì)接裝配時(shí),甚至還存在人工的手扶肩扛操作,裝配精度主要由傳統(tǒng)的“選配-測(cè)試-調(diào)整”法保證。伴隨著裝備升級(jí)換代節(jié)奏的加速,多種新型裝備的列裝,這種以手工操作為主的維修裝配面臨著規(guī)程繁瑣難記憶、工藝順序易出錯(cuò)、部件識(shí)別定位易混淆、構(gòu)造原理難理解、維修操作難體驗(yàn)和裝備損耗難控制等問題。

傳統(tǒng)的手工裝配方式難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下裝備的維修保障需求,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[1-3]。

1)人員要求高。裝備具有組成復(fù)雜、技術(shù)復(fù)雜和裝配復(fù)雜的特點(diǎn),在進(jìn)行維修裝配時(shí),零件裝配規(guī)模大,蘊(yùn)含大量復(fù)雜多樣、形式靈活的專業(yè)知識(shí),這對(duì)維修人員的專業(yè)素養(yǎng)提出了極高的要求[3]。特別是在裝備維修保障過程中,面對(duì)品種多、批量少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和管線繁復(fù)的裝備,有限的維修人員往往感到無能為力。

2)場(chǎng)地需求大。裝配工藝文件是指導(dǎo)維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)裝配操作的重要依據(jù),對(duì)裝備的最終質(zhì)量有著非常重要的影響。目前,裝備的裝配還主要采用裝配工藝卡片來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配,輔之以一定數(shù)量的二維裝配示意圖。裝配時(shí),維修人員需占用大量的現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地來鋪展、查閱工藝手冊(cè)和圖樣,依靠自然語言來描述工藝內(nèi)容,并在不同的圖樣、手冊(cè)之間進(jìn)行對(duì)比,這嚴(yán)重影響了裝備的裝配質(zhì)量和效率[4]。

3)工藝優(yōu)化難。在裝備的維修裝配過程中,零件之間、結(jié)構(gòu)之間的相對(duì)位置以及運(yùn)動(dòng)件之間的配合間隙很難進(jìn)行優(yōu)化,即使所有裝配零件更換為合格的新件,配合間隙也處于合理的公差范圍之內(nèi),也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裝備維修裝配后性能差異較大的情況。部分在制造上游出現(xiàn)的零件超差等問題,也很難通過對(duì)裝配現(xiàn)場(chǎng)失誤的分析來實(shí)現(xiàn)裝配質(zhì)量事故的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。

4)質(zhì)量難保證。裝備維修裝配過程涉及了成百上千個(gè)零部件及工裝夾具、量具、操作裝配等,機(jī)構(gòu)部件相互間的結(jié)構(gòu)關(guān)系主要是通過人員記憶或靜態(tài)裝配數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn),這在裝配過程中極易出現(xiàn)因錯(cuò)裝、漏裝造成裝配質(zhì)量問題,影響裝配周期。裝配精度和裝配可靠性主要依賴于人的裝配經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),裝備的可裝配性只能在裝配過程中得到驗(yàn)證。

傳統(tǒng)的手工裝配方式使得維修人員對(duì)工藝和圖樣的依賴程度非常高,工藝控制過程繁雜,人為因素影響很大,工藝指導(dǎo)性差,裝配差錯(cuò)率高,裝配質(zhì)量難以保證,難以應(yīng)對(duì)新型裝備中復(fù)雜多變的功能系統(tǒng)的維修工作;因此,迫切需要突破現(xiàn)有維修裝配工藝方法,實(shí)現(xiàn)裝備維修保障的數(shù)字化裝配。

2 數(shù)字化裝配技術(shù)的分類及特點(diǎn)

數(shù)字化裝配技術(shù)是指利用數(shù)字化現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能技術(shù)和仿真技術(shù)等構(gòu)造數(shù)字化現(xiàn)實(shí)環(huán)境和裝備數(shù)字模型,在裝備裝配過程中,通過交互分析,規(guī)劃、仿真和優(yōu)化出產(chǎn)品的裝配順序、裝配路徑以及裝配精度、裝配性能等,達(dá)到有效減少裝備的實(shí)物試裝次數(shù),提高裝備裝配質(zhì)量、效率和可靠性的技術(shù)。采用該技術(shù)可以克服傳統(tǒng)裝配工藝中的缺點(diǎn),對(duì)縮短裝配工期、降低裝配成本和提高裝配質(zhì)量具有重要意義[5-6]。

數(shù)字化裝配技術(shù)作為一種全新的制造體系和模式,自20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)以來,受到了人們的高度重視,并得到迅速發(fā)展。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展,數(shù)字化裝配技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)字化預(yù)裝配和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配這2個(gè)階段,朝著基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配方向前進(jìn)。

2.1 數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)

數(shù)字化預(yù)裝配是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中建立裝備零件的數(shù)字化模型,并應(yīng)用這些模型模擬完成裝備零件、組件和成品等數(shù)字化模型的上架、定位、裝夾、裝配(連接)和下架等虛擬操作,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配和拆卸的三維動(dòng)態(tài)模擬仿真。通過對(duì)裝配仿真過程的協(xié)調(diào)分析、干涉檢查,可盡快發(fā)現(xiàn)裝備設(shè)計(jì)過程中存在的問題,并及時(shí)進(jìn)行修改,從而縮短了裝備的研發(fā)周期,降低了生產(chǎn)成本,解決了傳統(tǒng)裝配中設(shè)計(jì)效率低、優(yōu)化難度大的問題。

數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)不僅適用于裝備結(jié)構(gòu)的預(yù)裝配,還適用于機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等整個(gè)裝備的數(shù)字化預(yù)裝配[7-8]。目前,該技術(shù)主要用于裝備研制過程中靜動(dòng)態(tài)界面設(shè)計(jì)、干涉檢查、工藝性檢查、可拆卸性檢查和可維護(hù)性檢查等。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)

在裝備的裝配過程中離不開人的操作?;谔摂M現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)就是將標(biāo)準(zhǔn)人體的三維模型放入虛擬裝配環(huán)境中,并引入廠房、吊車、工裝和夾具等三維制造資源模型,借助于虛擬現(xiàn)實(shí)等人機(jī)交互手段,實(shí)現(xiàn)裝配工人的可視性、可達(dá)性、可操作性、舒適性和安全性的仿真,使得以計(jì)算機(jī)為中心的設(shè)計(jì)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐匀藶橹行牡脑O(shè)計(jì)方式,真實(shí)感、沉浸感和交互作用強(qiáng)等特征非常明顯[9]。目前,基于虛擬技術(shù)的數(shù)字化裝配技術(shù)主要應(yīng)用于車輛、船舶和飛機(jī)等產(chǎn)品的零件裝配,柔性布線和安裝檢驗(yàn)等方面。

2.3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)

不管是數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù),還是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù),都只是對(duì)裝備開發(fā)前期的裝配設(shè)計(jì)具有重要的優(yōu)化、驗(yàn)證作用,而對(duì)裝備后期的實(shí)際裝配過程支持有限。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)就是為解決上述問題而發(fā)展起來的。該技術(shù)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到裝配領(lǐng)域,利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和人工智能技術(shù),將計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖形、文字注釋等虛擬信息有機(jī)地融合到使用者所看到的真實(shí)世界景象中,對(duì)人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行影像增強(qiáng)或擴(kuò)張,通過虛擬零件、虛擬裝配工具和增強(qiáng)裝配提示信息來指導(dǎo)用戶實(shí)際裝配操作[10]。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)具有工藝文件電子化、工裝柔性化、裝配自動(dòng)化和質(zhì)檢實(shí)時(shí)化等特點(diǎn),適合于裝備的維修裝配,在裝備的實(shí)際裝配、檢驗(yàn)與維修等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)包括基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝配設(shè)計(jì)、裝配順序評(píng)價(jià)、裝配訓(xùn)練和裝配檢查等。在裝配設(shè)計(jì)過程中,增強(qiáng)裝配系統(tǒng)將產(chǎn)品真實(shí)零件與虛擬三維零件預(yù)裝配,在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下,通過分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃和仿真等改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可裝配性和經(jīng)濟(jì)性。在裝配實(shí)踐中,增強(qiáng)裝配系統(tǒng)通過虛擬零件、虛擬裝配工具和增強(qiáng)裝配提示信息指導(dǎo)操作人員進(jìn)行實(shí)際裝配操作,操作人員通過輕便的透視頭盔顯示器看到增強(qiáng)的場(chǎng)景,傳感器將操作人員的操作反饋給增強(qiáng)裝配系統(tǒng)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配環(huán)境是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化增強(qiáng)裝配的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,其得到了國內(nèi)外研究單位的廣泛關(guān)注和深入研究。新加坡國立大學(xué)Y.Pang和A.Y.C.Nee等研究開發(fā)了一個(gè)面向裝配設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于立體視頻的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù),將真實(shí)零件和來自CAD環(huán)境的虛擬對(duì)象合成到一個(gè)統(tǒng)一的環(huán)境中進(jìn)行裝配規(guī)劃。系統(tǒng)提供了基于數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備對(duì)虛擬對(duì)象進(jìn)行選擇和操作的功能,采用了基于碰撞檢測(cè)機(jī)制對(duì)裝配過程進(jìn)行仿真,裝配過程設(shè)計(jì)有約束運(yùn)動(dòng)引導(dǎo),利用“虛擬磁力”來實(shí)現(xiàn)零件的最終精確定位[11-14]。但目前,該系統(tǒng)還沒有深入研究解決增強(qiáng)裝配環(huán)境中虛實(shí)對(duì)象之間的碰撞檢測(cè)與反饋等相互作用問題。

芬蘭技術(shù)研究中心在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用基礎(chǔ)方面展開了深入研究,Charles Woodward教授等專門設(shè)立了一個(gè)關(guān)于增強(qiáng)裝配的“AugAsse”項(xiàng)目,其主要目標(biāo)就是研究如何利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高裝配工作的效率。在他們最近開發(fā)的一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配工作演示系統(tǒng)中,研究了基于標(biāo)志點(diǎn)的注冊(cè)跟蹤技術(shù)、增強(qiáng)裝配環(huán)境下的手勢(shì)和語音等多通道交互輸入技術(shù),以及如何利用虛擬物體和可視化裝配指導(dǎo)信息為裝配工作提供幫助[15]。但該系統(tǒng)尚未考慮虛實(shí)物體如何相互交互的問題。

德國Fraunhofer IGD計(jì)算機(jī)圖形學(xué)院先后展開了ARVIKA項(xiàng)目和ARTESAS項(xiàng)目的研究,這2個(gè)項(xiàng)目主要研究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和維修服務(wù)等方面的應(yīng)用。目前,他們致力于研究基于工業(yè)產(chǎn)品的直線特征等進(jìn)行無標(biāo)志虛實(shí)物體融合方法,并在此技術(shù)基礎(chǔ)上研究如何為裝配師實(shí)時(shí)地提供與正在被裝配對(duì)象相關(guān)聯(lián)的上下文敏感的裝配輔助信息,以提高裝配工作的正確性與效率,使汽車、飛機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品的裝配過程更加高效、優(yōu)化[16]。

在國內(nèi),作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究也越來越成為熱點(diǎn),有代表性的成果包括像北京理工大學(xué)研制的透視式頭盔及數(shù)字圓明園項(xiàng)目、北京航空航天大學(xué)教育部虛擬現(xiàn)實(shí)與可視化新技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的集成分布式虛擬環(huán)境、浙江大學(xué)心理學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的虛擬故宮、CAD&CG國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出桌面虛擬建筑環(huán)境實(shí)時(shí)漫游系統(tǒng)等。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系也對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和臨場(chǎng)感方面進(jìn)行了研究,在球面屏顯示和圖像隨動(dòng)、克服立體圖閃爍的措施和深度感試驗(yàn)等方面都具有不少獨(dú)特的方法。另外,西安交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、陸軍裝甲兵學(xué)院、中科院軟件所和上海交通大學(xué)等單位也進(jìn)行了不同領(lǐng)域的探索性研究工作,并取得了一批研究成果。

4 數(shù)字化裝配技術(shù)在裝備維修裝配中的應(yīng)用趨勢(shì)

由于基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)可操作性強(qiáng),日益受到維修人員的青睞,特別是隨著可穿戴設(shè)備的迅猛發(fā)展,使得基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)成為裝備未來維修裝配的一種發(fā)展趨勢(shì)??纱┐髟O(shè)備作為一種全新的“拓展現(xiàn)實(shí)”設(shè)備,其主要利用語音識(shí)別、骨傳導(dǎo)技術(shù),視頻通話和虛擬投影等功能,通過語音、圖標(biāo)、文字或虛擬設(shè)備的方式指導(dǎo)維修人員開展裝配工作,并期通過如下幾種方式來提高裝配效率,保證裝備安全。

1)實(shí)時(shí)可視化指導(dǎo),提升裝配效率。傳統(tǒng)的維修裝配主要是采用裝配工藝卡片來指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配,依靠自然語言來描述工藝內(nèi)容,這使得維修人員對(duì)工藝和圖樣的依賴程度非常高,裝配效率非常低。而采用基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)時(shí),裝配人員可將維修裝配任務(wù)及相關(guān)電子手冊(cè)(裝備的三維數(shù)據(jù)模型和工藝信息,裝配順序說明或動(dòng)畫、裝配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等信息)直接下載到可穿戴設(shè)備,在語音、圖標(biāo)、文字或虛擬投影屏幕等方式的指導(dǎo)下,開展實(shí)時(shí)可視化維修裝配工作,從而提高裝配的準(zhǔn)確性,縮短裝配時(shí)間,降低裝配成本。

2)準(zhǔn)確判斷定位,迅速排除故障。在裝配現(xiàn)場(chǎng),維修人員利用可穿戴設(shè)備的實(shí)景導(dǎo)航和立體定位功能,通過虛擬投影屏幕,可觀看到裝備的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)、部件裝配次序等,并與所看到的現(xiàn)場(chǎng)裝備進(jìn)行異常對(duì)比,從而有利于快速發(fā)現(xiàn)問題,提高排故速度。一些大型裝備的維修裝配常需要多人協(xié)作才能完成相關(guān)工作,通過佩戴可穿戴設(shè)備,裝配人員就可與其他使用裝配人員及管理人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)云鏈接,實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控裝備裝配動(dòng)態(tài),迅速了解自己維修任務(wù)中所需要的備件號(hào)、庫存情況和位置以及自己所需要的工具的位置,從而有效提升供應(yīng)保障的速度,減少因等備件、等設(shè)備而造成的工作延誤。

3)記錄裝配過程,便于回溯。采用基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的數(shù)字化裝配技術(shù)可實(shí)時(shí)記錄裝備維修裝配過程,并將其上傳到工作服務(wù)器上,一方面,可供質(zhì)量控制人員檢查維修裝配過程是否規(guī)范;另一方面,也可以利用維修裝配記錄,將維修裝配過程具體化,以便初學(xué)者迅速掌握維修裝配技巧,從而提高裝配水平,改進(jìn)裝配工藝。

5 結(jié)語

當(dāng)前,數(shù)字化裝配技術(shù)還主要集中應(yīng)用在裝備的設(shè)計(jì)制造階段,尤其是飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造階段,將數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用到裝備的維修裝配中,目前還鮮有公開報(bào)道。要想實(shí)現(xiàn)裝備維修保障的數(shù)字化裝配,還需在如下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究:1)要打通信息孤島,數(shù)字化模型是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配的基礎(chǔ),雖然數(shù)字化技術(shù)在裝備的設(shè)計(jì)、制造階段得到了廣泛深入的應(yīng)用,但在維修保障階段還存在信息孤島現(xiàn)象,數(shù)字化工作缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃、控制和管理;2)要深入研究裝配基礎(chǔ)理論,為數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ);3)要加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),如基于仿真模型的裝配評(píng)估、分析與優(yōu)化技術(shù),在線仿真與裝配過程可視化技術(shù),面向裝配仿真的知識(shí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)與容差分配技術(shù)等。

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