浅谈航天制造中的虚拟装配技术_吕舒婷.pdf

AUTO TIME 137 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺浅谈航天制造中的虚拟装配技术吕舒婷周贺白亚洲吴盟陈东凯张晗首都航天机械有限公司 北京市 100071摘 要：本文从虚拟装配技术作为切入点，阐述了航天制造业中航天器装配的难点，以及与虚拟装配技术的契合性。之后简单介绍了国内外虚拟装配技术的发展的现状，提出国内外的虚拟装配技术有着一定的差距，国内的技术仍旧存在发展的空间。最后对航天装配工业进行了展望，讨论了虚拟装配在航天器装配的应用前景。关键词：虚拟装配装配工艺规划航天制造1引言产品装配过程的规划是产品开发中的重要链接之一。安装和调试通常占整个产品制造成本的 40%以上。1航天器的装配需要很多零件、工具、工具，具有装配结构复杂、装配困难的特点。在航天器装配过程中，小空间操作、难操作、盲操作始终是设计和装配的难点。因此，在航天器设计的初期，选择缩短装配时间、降低制造成本、降低人员安全性的装配工艺非常重要。2在装配前分析各种指标和风险，可以有效减少装配过程中可能出现的各种问题。但是，由于风险分析取决于技术人员的经验，因此特定组装工序的制定存在很大的不确定性，出现了用于物理组装前的预组装的视觉公开的虚拟组装概念。在实际组装中可能发生的问题。这样可以降低组装的风险。通过机器人软件进行虚拟装配示意图如图 1 所示。虚拟组装和显示技术是过去 10 年在工业制造和相关学术领域开发的新技术。在不为产品创建物理原型的情况下做出决定。3通常，虚拟装配技术使用三维建模软件绘制制造产品的虚拟模型，在计算机上建立虚拟环境，以模拟设计的工业产品装配。接下来，通过分析简单的移动过程、分析产品装配以及获取产品在虚拟环境中的装配状态，设计者可以在产品装配的第一步找到问题。优化设计方案的产品设计。4此外，装配工程师还可以使用虚拟装配技术来规划装配过程，以避免未来装配中可能出现的风险，从而提高装配效率。随着过去 20 年计算机的飞速发展，虚拟装配技术也得到了进一步的开发，有力地支持了低成本、高效率的虚拟装配仿真。此外，近年来开发的虚拟现实技术还集成了许多人机交互界面。这越来越真实地反映了飞船组装的复杂性和难度，使飞船预组装更加方便和更现实。与传统的计算机辅助组件相比，通过机械虚拟技术输入和输出设备和信息是三维的，比传统虚拟组件的二维输出更直观。图 2 显示了虚拟装配系统。图 2虚拟装配系统虚拟装配技术可分为以下三类：1）基于产品的虚拟装配Discussion about Virtual Assembly Technology in Aerospace ManufacturingLv ShutingZhou HeBai YazhouWu MengChen DongkaiZhang HanAbstract：This paper takes virtual assembly technology as the starting point to explain the difficulties of spacecraft assembly in aerospace manufacturing industry and its compatibility with virtual assembly technology.After that,the current situation of the development of virtual assembly technology at home and abroad was briefly introduced,and it was proposed that there is a certain gap between virtual assembly technology at home and abroad,and there is still room for development of domestic technology.Finally,the space assembly industry is prospected,and the application prospect of virtual assembly in spacecraft assembly is discussed.Key words：virtual assembly,assembly process planning,aerospace manufacturing图 1虚拟装配示意图138 AUTO TIMEMANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺虚拟编译是一种计算机辅助设计技术，用于在虚拟环境中分析计算机数据样本的编译，以改进产品开发和编译相关的设计决策。这是对组件设计（特殊设计，DFA）理论方法的补充。它的主要任务是根据结构的设计找到组件设计的最优解，并创建在不同功能约束下的组件图。目标是在全球范围内提高产品组装的质量。作为行业实验建模和定量分析的结果，很明显零件设计的结构特征不适合行业或安装特性较差。最后，从技术角度，确保产品设计合理可行。从经济角度来看，生产总成本应保持在最低水平。另一方面，在社会因素方面，考虑到人的因素和环境保护。2)基于工艺方案的虚拟装配专项工程设计，与产品信息模型和目标资源模型相一致，利用计算机模型和虚拟现实技术进行产品设计，可以提供更加完善的专项工程系统来管理专业化生产的范围和水平。第一个生产计划是一个共同池，包括市场需求、投资条件、生产量、生产周期、资源配置、池设计、专业化生产的均衡生产线。它主要是关于编制任务计划和流程，包括规划编制顺序、规划编制路径、创建工艺路线、确认操作中的空间干预以及创建流程的时间表和文档。我们迫切需要具有流控核心的实用组件。其中大部分体现在安装虚拟模块所使用的对象、流程和工具上，很大程度上与实际生产情况相对应。产品保护可以是明确的或隐蔽的。实际过程提高了配置结果的可靠性。3）基于虚拟协议的虚拟装配主虚拟型是利用计算机模拟系统在一定程度上框定产品的形式、功能和特性，并保证与产品的虚拟主型相同的效果来测试和评价产品特性。传统的虚拟装配系统是基于完美的刚性零件。虚拟组合 与虚拟打印技术相结合，可以有效地分析构件强度和变形对骨料性能的影响。容差可以自动优化设计。也就是说，基于虚拟协议的虚拟构件的主要研究包括横切、测量变形和平衡应力零件制造过程中的变化、有限元分析和建模、构件意志和变形匹配以及计算结果的确认。图 3 显示了各种虚拟装配系统的结构级别。此外，虚拟装配技术可分为桌面虚拟装配系统、嵌入式虚拟装配系统、扩展虚拟装配系统和分布式虚拟装配系统，具体取决于虚拟环境和各种输入和输出设备的不同要求。1）桌面虚拟编辑系统以电脑显示和投影屏幕为窗口，用户可以观察虚拟编辑环境。设计人员仅使用基本外围设备（鼠标、键盘、轨迹球等）来操作交互式组件。装配仿真和桌面虚拟装配系统虽然没有沉浸式效果，但其外围设备简单低成本、操作方便、培训周期短等特点更适合推广应用。通过在高级虚拟软件系统中加入智能定向算法，改进沉浸式展示策略，可以有效达到预期的虚拟高级效果。2）沉浸式虚拟装配系统使用各种交互式设备（如头盔和数据手套显示器）关闭用户的视觉和听觉，并将用户放置在计算机生成的虚拟装配环境中，以使用它们。设备。交互式设备。执行沉浸式组件操作。与桌面虚拟装配系统相比，嵌入式虚拟装配系统的构建成本太高，培训周期长，使用起来不方便。长期以来，即使在操作者不熟悉操作的情况下，上述因素也限制了沉浸式虚拟装配系统的普及和使用。3）扩展虚拟编辑装配系统是一种基于增强现实技术的虚拟装配系统。用户可以将虚拟零件发送到耳机上的屏幕上进行操作和组装，观察虚拟零件与现实世界重叠的图像，操作和组装虚拟零件。虚拟现实融合注册技术。在实际零件的位置。改进虚拟装配系统可以提高设计人员的装配体验。然而，由于传感器精度的限制和对物理模型的需要，该技术还远未应用到装配过程的设计中。4）分布式虚拟装配系统充分利用了计算机系统强大的计算能力和网络功能。基于上述虚拟装配系统，通过网络连接多个物理位置不同的虚拟装配环境，共享装配过程信息，让设计人员共同完成设计工作。分布式虚拟装配系统是一个复杂的产品。协同设计的应用是未来的研究方向。不同的虚拟装配系统具有不同的属性。具体见表 1。2虚拟装配技术的发展现状2.1国外发展现状虚拟装配技术在国外很早就被开发出来，在政府的大力支持下发展迅速。从 20 世纪 90年代中期开始，华盛顿州立大学和美国国立标准技术研究所共同开发了虚拟装配设计环境贝德，并在装配制造领域成功应用。这是虚拟装配技术的里程碑。5许多其他著名的外国大学和研究机构，如加拿大、英国、希腊和德国，随后开展了虚拟装配技术的研究。20 世纪 90 年代中期，美国爱荷华州立大DVASIVASAVASDiVAS使用沉浸感可进行完善优较优待定体验交互性可进行完善优一般待定操作协同性差差差优技术难度一般一般难难软件对物理模型的依赖无依赖无依赖无依赖无依赖使用难度易难难难系统可推广性优差一般待定表 1各种虚拟装配系统的特点对比图 3虚拟装配系统机构层次示意图CADPDMERP敏捷总装平台其他外围系统数据接口Soap封装数据传输接口数据传输接口二次开发接口输入设备：鼠标、键盘、轨迹球装配场景管理装配顺序规划装配路径规划装配工具操作装配工艺示教工艺文件编辑工艺文件生成模型信息转换虚拟装配操作几何信息转换约束信息提取拓扑信息提取场景模型重构装配模型组织与建立虚拟场景搭建几何模型信息约束模型信息虚拟装配模型信息装配评价模型信息工艺文件信息数据层支持层功能层交互层精确定位算法装配运动导航自由度管理装配意图识别碰撞检测算法装配操作控制电缆柔性变形算法可行装配序列生成算法装配顺序优化算法装配路径记录装配BOM导出工艺目录导出输出设备：显示器、投影仪AUTO TIME 139 MANUFACTURING AND PROCESS|制造与工艺学虚拟现实应用中心建立了一个常春藤系统，用于装配规划和评估。解决了以往自动装配规划系统不能实现人机交互的问题。您可以直观地查看装配计划的结果，并自动评估方案。61996 年，德国弗劳恩霍夫工业研究所成功开发了一个虚拟装配图原型系统，该系统可以通过虚拟人体模型在虚拟环境中进行交互，并在当年的慕尼黑计算机展览会上获得了最佳系统奖。7德国比勒费尔特大学人工智能与虚拟现实研究所基于构建工具箱的概念，将虚拟现实交互技术与人工智能技术相结合，建立了虚拟装配系统。这允许您直接从零件库调用标准零件。模拟装配操作。8希腊帕特拉斯大学制造系统研究所将人机工程学模型和分析功能纳入虚拟工作单元，根据该系统对快艇螺旋桨进行虚拟装配操作，并建立了半经验虚拟装配模型。9加拿大温莎大学的研究人员将人工智能集成到虚拟装配系统中。通过输入装配条件并在计算机上按矩阵，可以在实际解决方案中规划装配顺序，并评估和优化结果。德国宝马公司在宝马 5 系轿车装配的基础上，提出了基于虚拟设计 II 的三层结构框架体系，包括场景层、脚本层和应用层，并提供了“捕获”模块。2.2国内发展现状国内学者对虚拟装配技术的研究，基本上始于 20 世纪 90 年代后期，但发展迅速，仍取得了惊人的研究成果。根据虚拟装配领域学者对虚拟装配的理解，虚拟装配的发展可分为三个阶段。第一阶段是提出虚拟装配理论的阶段，第二阶段是在自己的研究室复制和建立虚拟装配系统的阶段，第三阶段是对虚拟装配发展方向进行详细研究的阶段。目前，国外虚拟装配技术的发展已进入第三阶段，而我国也正在迈向第三阶段。仍有很大的进步空间。目前，浙江大学 cad&cg 国家重点实验室在国内虚拟装配研究领域处于领先地位，也在推动国内其他知名高校的虚拟装配研究。10北京航空航天大学的吴伟（Wuwei）和隋亚娜（suiaina）11使用力和位置混合控制的方法，向虚拟装配系统添加力反馈。通过佩戴数据手套，操作员可以使虚拟装配更加逼真。浙江大学 cad 与 cg 国家重点实验室12开发了一个完全沉