数字化装配技术在装备维修保障中的应用及发展*

何嘉武，石 晶，王 涛，唐修检，刘 谦

(1.陆军装甲兵学院 科研学术处，北京 100072；2.陆军装甲兵学院 车辆工程系，北京 100072；3.陆军装甲兵学院 装备保障与再制造系，北京 100072)

维修保障是恢复和保持装备战技性能的重要手段。第4次中东战争表明，高效、快捷和精准的维修保障技术对恢复装备的战技性能、影响战局走向具有重要意义。装配是装备维修保障过程的末端环节，装配的好坏直接影响到装备最终的战技性能。装备作为一种复杂的光机电系统，其装配过程涉及了千万个零部件、工装夹具、工量具以及装配操作等。目前，装备的维修装配还主要以手工操作为主，这种传统的手工装配方式面临着整体结构复杂、工艺难度大和误差难控制等现实困难，已成为制约装备迅速恢复和保持战技性能的巨大障碍；因此，发展针对装备维修保障过程中的数字化装配技术对提升装配效率、提高保障质量具有重要意义。

1 装备维修装配现状

装备作为一种复杂的光机电系统，其维修装配是一个典型的离散型装配。装配技术是一项涉及多学科、难度大、复合集成性强的技术。目前，装备的维修装配还主要以手工操作为主，如装配现场主要以纸质的工艺卡片来指导维修人员操作，线缆和管路主要依靠现场人工取样，在一些大部件对接装配时，甚至还存在人工的手扶肩扛操作，装配精度主要由传统的“选配-测试-调整”法保证。伴随着装备升级换代节奏的加速，多种新型装备的列装，这种以手工操作为主的维修装配面临着规程繁琐难记忆、工艺顺序易出错、部件识别定位易混淆、构造原理难理解、维修操作难体验和装备损耗难控制等问题。

传统的手工装配方式难以满足现代战争条件下装备的维修保障需求，主要体现在以下几个方面[1-3]。

1)人员要求高。装备具有组成复杂、技术复杂和装配复杂的特点，在进行维修装配时，零件装配规模大，蕴含大量复杂多样、形式灵活的专业知识，这对维修人员的专业素养提出了极高的要求[3]。特别是在装备维修保障过程中，面对品种多、批量少、结构复杂和管线繁复的装备，有限的维修人员往往感到无能为力。

2)场地需求大。装配工艺文件是指导维修人员进行现场装配操作的重要依据，对装备的最终质量有着非常重要的影响。目前，装备的装配还主要采用装配工艺卡片来指导现场装配，辅之以一定数量的二维装配示意图。装配时，维修人员需占用大量的现场场地来铺展、查阅工艺手册和图样，依靠自然语言来描述工艺内容，并在不同的图样、手册之间进行对比，这严重影响了装备的装配质量和效率[4]。

3)工艺优化难。在装备的维修装配过程中，零件之间、结构之间的相对位置以及运动件之间的配合间隙很难进行优化，即使所有装配零件更换为合格的新件，配合间隙也处于合理的公差范围之内，也经常会出现装备维修装配后性能差异较大的情况。部分在制造上游出现的零件超差等问题，也很难通过对装配现场失误的分析来实现装配质量事故的统计预测。

4)质量难保证。装备维修装配过程涉及了成百上千个零部件及工装夹具、量具、操作装配等，机构部件相互间的结构关系主要是通过人员记忆或静态装配数据的方式呈现，这在装配过程中极易出现因错装、漏装造成装配质量问题，影响装配周期。装配精度和装配可靠性主要依赖于人的装配经验和知识，装备的可装配性只能在装配过程中得到验证。

传统的手工装配方式使得维修人员对工艺和图样的依赖程度非常高，工艺控制过程繁杂，人为因素影响很大，工艺指导性差，装配差错率高，装配质量难以保证，难以应对新型装备中复杂多变的功能系统的维修工作；因此，迫切需要突破现有维修装配工艺方法，实现装备维修保障的数字化装配。

2 数字化装配技术的分类及特点

数字化装配技术是指利用数字化现实技术、计算机图形学、人工智能技术和仿真技术等构造数字化现实环境和装备数字模型，在装备装配过程中，通过交互分析，规划、仿真和优化出产品的装配顺序、装配路径以及装配精度、装配性能等，达到有效减少装备的实物试装次数，提高装备装配质量、效率和可靠性的技术。采用该技术可以克服传统装配工艺中的缺点，对缩短装配工期、降低装配成本和提高装配质量具有重要意义[5-6]。

数字化装配技术作为一种全新的制造体系和模式，自20世纪90年代后期出现以来，受到了人们的高度重视，并得到迅速发展。经过几十年的快速发展，数字化装配技术经历了数字化预装配和基于虚拟现实的数字化装配这2个阶段，朝着基于增强现实的数字化装配方向前进。

2.1 数字化预装配技术

数字化预装配是指在计算机系统中建立装备零件的数字化模型，并应用这些模型模拟完成装备零件、组件和成品等数字化模型的上架、定位、装夹、装配(连接)和下架等虚拟操作，实现产品装配和拆卸的三维动态模拟仿真。通过对装配仿真过程的协调分析、干涉检查，可尽快发现装备设计过程中存在的问题，并及时进行修改，从而缩短了装备的研发周期，降低了生产成本，解决了传统装配中设计效率低、优化难度大的问题。

数字化预装配技术不仅适用于装备结构的预装配，还适用于机械系统、电气系统等整个装备的数字化预装配[7-8]。目前,该技术主要用于装备研制过程中静动态界面设计、干涉检查、工艺性检查、可拆卸性检查和可维护性检查等。

2.2 基于虚拟现实的数字化装配技术

在装备的装配过程中离不开人的操作。基于虚拟现实的数字化装配技术就是将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中，并引入厂房、吊车、工装和夹具等三维制造资源模型，借助于虚拟现实等人机交互手段，实现装配工人的可视性、可达性、可操作性、舒适性和安全性的仿真,使得以计算机为中心的设计方式转变为以人为中心的设计方式，真实感、沉浸感和交互作用强等特征非常明显[9]。目前，基于虚拟技术的数字化装配技术主要应用于车辆、船舶和飞机等产品的零件装配，柔性布线和安装检验等方面。

2.3 基于增强现实的数字化装配技术

不管是数字化预装配技术，还是基于虚拟现实的数字化装配技术，都只是对装备开发前期的装配设计具有重要的优化、验证作用，而对装备后期的实际装配过程支持有限。基于增强现实的数字化装配技术就是为解决上述问题而发展起来的。该技术将增强现实技术应用到装配领域，利用现代计算机技术、信息技术和人工智能技术，将计算机产生的图形、文字注释等虚拟信息有机地融合到使用者所看到的真实世界景象中，对人的视觉系统进行影像增强或扩张，通过虚拟零件、虚拟装配工具和增强装配提示信息来指导用户实际装配操作[10]。基于增强现实的数字化装配技术具有工艺文件电子化、工装柔性化、装配自动化和质检实时化等特点，适合于装备的维修装配，在装备的实际装配、检验与维修等领域具有广阔的应用前景。

3 基于增强现实的数字化装配技术研究现状

基于增强现实的数字化装配技术包括基于增强现实的装配设计、装配顺序评价、装配训练和装配检查等。在装配设计过程中，增强装配系统将产品真实零件与虚拟三维零件预装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划和仿真等改进产品设计和装配结构，实现产品可装配性和经济性。在装配实践中，增强装配系统通过虚拟零件、虚拟装配工具和增强装配提示信息指导操作人员进行实际装配操作，操作人员通过轻便的透视头盔显示器看到增强的场景，传感器将操作人员的操作反馈给增强装配系统。

增强现实装配环境是实现数字化增强装配的基础和关键，其得到了国内外研究单位的广泛关注和深入研究。新加坡国立大学Y.Pang和A.Y.C.Nee等研究开发了一个面向装配设计、评价的增强现实环境系统。该系统采用基于立体视频的增强现实技术，将真实零件和来自CAD环境的虚拟对象合成到一个统一的环境中进行装配规划。系统提供了基于数据手套等交互设备对虚拟对象进行选择和操作的功能，采用了基于碰撞检测机制对装配过程进行仿真，装配过程设计有约束运动引导，利用“虚拟磁力”来实现零件的最终精确定位[11-14]。但目前，该系统还没有深入研究解决增强装配环境中虚实对象之间的碰撞检测与反馈等相互作用问题。

芬兰技术研究中心在增强现实应用基础方面展开了深入研究，Charles Woodward教授等专门设立了一个关于增强装配的“AugAsse”项目，其主要目标就是研究如何利用增强现实技术提高装配工作的效率。在他们最近开发的一个增强现实装配工作演示系统中，研究了基于标志点的注册跟踪技术、增强装配环境下的手势和语音等多通道交互输入技术，以及如何利用虚拟物体和可视化装配指导信息为装配工作提供帮助[15]。但该系统尚未考虑虚实物体如何相互交互的问题。

德国Fraunhofer IGD计算机图形学院先后展开了ARVIKA项目和ARTESAS项目的研究，这2个项目主要研究增强现实技术在产品开发、生产和维修服务等方面的应用。目前，他们致力于研究基于工业产品的直线特征等进行无标志虚实物体融合方法，并在此技术基础上研究如何为装配师实时地提供与正在被装配对象相关联的上下文敏感的装配辅助信息，以提高装配工作的正确性与效率，使汽车、飞机等复杂产品的装配过程更加高效、优化[16]。

在国内，作为虚拟现实技术的延伸，增强现实的研究也越来越成为热点，有代表性的成果包括像北京理工大学研制的透视式头盔及数字圆明园项目、北京航空航天大学教育部虚拟现实与可视化新技术实验室的集成分布式虚拟环境、浙江大学心理学国家重点实验室开发的虚拟故宫、CAD&CG国家重点实验室开发出桌面虚拟建筑环境实时漫游系统等。清华大学计算机系也对虚拟现实和临场感方面进行了研究，在球面屏显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都具有不少独特的方法。另外，西安交通大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、陆军装甲兵学院、中科院软件所和上海交通大学等单位也进行了不同领域的探索性研究工作，并取得了一批研究成果。

4 数字化装配技术在装备维修装配中的应用趋势

由于基于增强现实的数字化装配技术可操作性强，日益受到维修人员的青睐，特别是随着可穿戴设备的迅猛发展，使得基于增强现实的数字化装配技术成为装备未来维修装配的一种发展趋势。可穿戴设备作为一种全新的“拓展现实”设备，其主要利用语音识别、骨传导技术，视频通话和虚拟投影等功能，通过语音、图标、文字或虚拟设备的方式指导维修人员开展装配工作，并期通过如下几种方式来提高装配效率，保证装备安全。

1)实时可视化指导，提升装配效率。传统的维修装配主要是采用装配工艺卡片来指导现场装配，依靠自然语言来描述工艺内容，这使得维修人员对工艺和图样的依赖程度非常高，装配效率非常低。而采用基于增强现实的数字化装配技术时，装配人员可将维修装配任务及相关电子手册(装备的三维数据模型和工艺信息，装配顺序说明或动画、装配产品结构等信息)直接下载到可穿戴设备，在语音、图标、文字或虚拟投影屏幕等方式的指导下，开展实时可视化维修装配工作，从而提高装配的准确性，缩短装配时间，降低装配成本。

2)准确判断定位，迅速排除故障。在装配现场，维修人员利用可穿戴设备的实景导航和立体定位功能，通过虚拟投影屏幕，可观看到装备的内部机械结构、部件装配次序等，并与所看到的现场装备进行异常对比，从而有利于快速发现问题，提高排故速度。一些大型装备的维修装配常需要多人协作才能完成相关工作，通过佩戴可穿戴设备，装配人员就可与其他使用装配人员及管理人员进行网络云链接，实时管理和监控装备装配动态，迅速了解自己维修任务中所需要的备件号、库存情况和位置以及自己所需要的工具的位置，从而有效提升供应保障的速度，减少因等备件、等设备而造成的工作延误。

3)记录装配过程，便于回溯。采用基于增强现实的数字化装配技术可实时记录装备维修装配过程，并将其上传到工作服务器上，一方面，可供质量控制人员检查维修装配过程是否规范；另一方面，也可以利用维修装配记录，将维修装配过程具体化，以便初学者迅速掌握维修装配技巧，从而提高装配水平，改进装配工艺。

5 结语

当前，数字化装配技术还主要集中应用在装备的设计制造阶段，尤其是飞机的设计制造阶段，将数字化装配技术应用到装备的维修装配中，目前还鲜有公开报道。要想实现装备维修保障的数字化装配，还需在如下几个方面加强研究：1)要打通信息孤岛，数字化模型是实现数字化装配的基础，虽然数字化技术在装备的设计、制造阶段得到了广泛深入的应用，但在维修保障阶段还存在信息孤岛现象，数字化工作缺乏统一的规划、控制和管理；2)要深入研究装配基础理论，为数字化装配技术的发展提供基础；3)要加强关键技术研发，如基于仿真模型的装配评估、分析与优化技术，在线仿真与装配过程可视化技术，面向装配仿真的知识驱动技术和数字化装配协调与容差分配技术等。