云帆VR元宇宙创新中心：基于虚拟现实的飞机部件装配工艺技术研究与应用

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。现在已经有针对飞机部件装配产品批量小、型号多、装配工序复杂、精度要求高等问题，开展了基于VR的虚拟装配技术研究。作为虚拟现实行业第一批创业者，云帆VR元宇宙创新中心的专家们详细探讨了关于虚拟现实的飞机部件装配工艺技术研究与应用。

对产品在制造生产前，工艺人员在虚拟环境下规划产品的装配顺序和路径、选择工装夹具和操作方法，验证装配工艺设计的合理性，及时发现工艺中存在的各种设计缺陷、结构干涉等问题，直观科学地分析装配对象的可操作性、可视性、可达性，根据虚拟仿真模拟，修改和优化工艺方法、工装结构及生产线布局等。最终生成科学合理的产品装配工艺方案，缩短装配周期、降低装配成本、提高部件装配质量。

该项技术是基于虚拟现实平台，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。然而，以二维显示器、键盘、鼠标为主要交互工具的人机界面以及CAD软件移动、缩放、旋转命令在仿真时的局限性，影响了技术的进一步发展，沉浸式虚拟环境通过直接三维操作对产品模型进行的管理，完整地体现了装配的中间过程和三维路径，完善了此项技术，也因此得到了广泛应用。

20世纪90年代中期，有出现对虚拟装配技术进行初步研究，提出了利用虚拟现实软件、硬件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。随着相关国家以及工业信息化部门支持力度的加大，他们取得了诸多研究成果，并得到了良好的应用和推广。而国内主要停留在桌面式虚拟装配阶段，配套的虚拟环真分析检查各类设计及工艺问题，最终得到一个科学、系统的产品装配规划。

1、虚拟装配工艺技术体系结构

虚拟装配工艺技术体系结构，具体包括如下3方面：

（1）数据层。体系中的数据信息，如查看权限、使用及修改权限、审批报送流程等；产品规划设计信息主要包括装配过程中零部件之间的几何位置关系、装配顺序、约束关系、装配路径、工艺结构描述等。

（2）执行层。执行层主要包括境设备相对落后。

基于VR的飞机装配工艺技术主要是指利用虚拟现实技术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。根据相应知识经验，通过CAD数模，在计算机中建立产品零部件的装配序列及三维装配路径，通过装配仿层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以及产品工艺规划设计信息。部件产品、工装、工具的几何数模主要来源于CATIA软件，包括产品的各项几何信息、属性特征、相互关系等；软件系统管理数据主要存储产品的相关管理虚拟装配环境的建立、装配工艺流程设计、仿真分析结果输出。

虚拟装配环境的建立首先要在仿真环境中定位产品与资源，接着设定导入产品资源的模型属性，如产品的动态属性、可碰撞性、干涉属性及溶解补偿；装配工艺流程设计包括装配序列规划、装配路径设定、碰撞干涉检查、建立几何对象约束关系、附带公差的拆卸仿真及人机工程分析优化等；虚拟装配系统可以将装配仿真结果进行实时记录，并能以工艺文档和三维仿真动画形式输出，根据仿真过程确定科学合理的装配先后次序，三维装配路径可以作为实际工作的参考和指导。仿真分析结果输出内容主要有工艺目录生成、工艺规程参考文件、人机交互仿真结果、产品干涉及设计缺陷、装配示教文件等。

（3）支撑层。虚拟现实环境是虚拟装配工艺设计规划的硬件支撑，以工艺操作人员为中心，实现在沉浸环境中装配工艺设计的信息交流与交互操作。主要通过虚拟操作指令和参数的输入，调用应用层相应的处理模块进行处理，实现场景的虚拟漫游，从而使系统具有直观、逼真的人机交互界面。

2、虚拟现实环境下的装配工艺技术特点

（1）装配工艺方式虚拟化。

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是装配工艺方式虚拟化的3个主要方面。在虚拟立体环境下，工艺人员通过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，因而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。

（2）人机交互的装配方式。

桌面式的三维静态装配和基于VR的虚拟装配主要区别体现在人机交互功能方面。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，充分利用所掌握的装配经验和知识，实现以人为中心的工艺设计。

（3）设计与制造的桥梁纽带。

虚拟装配工艺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。虚拟装配工艺即实现了实物模型向三维数模的转化，又实现了装配过程规划、分析仿真、优化处理在虚拟环境下完成，紧密连接着产品链条的各个环节。

3、虚拟现实环境下的装配工艺技术优点

（1）可以实现虚拟沉浸环境下的三维交互。

传统装配仿真交互方式简单，只能通过二维的输入输出设备（鼠标、键盘和平面显示器等）对零件的几何模型进行操作，装配规划的效率较低。虚拟现实环境下的装配仿真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。

（2）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，而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。

结论

针对飞机部件装配工艺规划设计和生产的实际问题和需求，本文开展了虚拟现实环境下的装配工艺技术体系结构梳理工作，着重研究了该技术相比传统做法及现有装配仿真的特点和优势，并在飞机部件配件中进行了实际生产应用，起到了关键作用，但是此项技术想要得到成熟、系统、广泛的应用还有很长路要走，将来要着重研究虚拟装配理论和实际生产差别化问题，即虚拟装配的实用性、虚拟装配对象模型的数据显示形式问题，即解决模型三角面片存在的精度级别，在飞机总装领域开展柔性管线的虚拟仿真。随着VR技术及装配工艺技术的发展，虚拟仿真技术将能真正地发挥指导生产、解决问题的作用。

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云帆VR元宇宙创新中心，计划在以下范畴拓展对数字世界的应用研究：

1：三维计算应用：AR、VR、数字孪生、3D可视化、三维全息、智慧园区、虚拟仿真、BIM可视化、智慧楼宇、智慧交通、智慧水务、智慧城市、AR商城、VR商城、3D商城、线上云展、VR看房。

2：三维云应用：5G云计算、轻量化云计算、多媒体云传输、GPU云渲染集群。

云帆VR元宇宙创新中心，旨在整合计算机科学和三维、图形图像计算等相关领域，面向实际行业场景和未来世界的前沿研究。建立产研合作平台，促进大众科技创新应用，打造产业、研究中心深度融合的生态圈。云帆VR数字孪生研发中心秉承“所见即所得”为使命，专注未来数字世界的三维科学研究，为全球数字科技和数字经济的进步，添砖加瓦。