飞机艺术家辅助先进的运动技术

典型的商业客机携带800磅的油漆，像这样的设计是手工绘制的。

波音公司埃弗雷特工厂的飞机喷漆是由熟练的工匠进行的手工密集型操作。该设施的装饰画家制作的许多涂料方案都是真正的艺术品。现在，先进的运动技术为这项艺术提供了便利，该技术可以让操作员起重机到达距离飞机4英寸以内的地方，而不会接触到飞机。

一架典型的商用客机携带800磅油漆。该涂料的主要功能是对飞机表面进行防腐保护。对涂料的要求包括:耐久性，以支持机身的膨胀与客舱增压，在所有条件下的灵活性，天气和极端温度，冰雹和灰尘的影响(600英里/小时);耐盐雾和化学品(液压油、除冰剂等)。

在飞机的准备和喷漆过程中，油漆工在安装在称为堆垛机的起重机上的大型工作平台上快速地在飞机周围导航。每个堆垛机(见图)都是一个架空支撑臂，有四个运动轴:桥架、小车、提升机和旋转轴。

油漆工在堆垛机平台上搬运物资，并使用手持吊坠上的按钮驱动堆垛机。基于可编程自动化控制器(PACs)的控制系统接受悬挂输入，并命令变频电机驱动按要求移动堆垛机。需要快速移动，因为整个机身必须在几分钟内涂好，才能达到均匀的效果。

虽然油漆工在他们的操作中非常小心，但他们的主要重点是手头的任务——制作高质量的油漆工作。他们是熟练的油漆工，但不是熟练的精密设备操作员。考虑到这一点，波音公司试图使设备易于使用和安全操作。为了实现这些目标，波音公司一直在使用防撞系统来防止堆垛机与飞机接触。

每个平台的运动由一个PAC控制，与一台被称为避碰模块(CAM)的监控计算机一起工作。CAM检查挂起的请求，并为请求提供go/no-go响应。当允许运动时，系统根据与飞机的距离确定允许的预设速度。当堆垛机接近飞机时，速度降低，直到达到4英寸的名义分离，此时禁止进一步向飞机移动。

平台和吊杆与飞机的距离是通过飞机和堆垛机表面的计算机模型，结合连接在移动堆垛机的电机驱动器上的传感器的位置信息来确定的。

堆垛机平台的下部视图(照片中左)。

CAM系统一直使用到2007年，虽然在很大程度上是有效的，但受到10多年前安装时可用技术的限制。该系统的软件是作为DOS应用程序开发的，在建模飞机结构以准确预测飞机表面被涂漆的位置方面受到限制。

模型被渲染成一个2英寸立方体的集合，所以曲面是一个粗略的近似——在本质上类似于由乐高积木构建的模型。这导致模型表面不自然，有时对画家的运动有令人困惑的限制。由于各种飞机的旧数字模型非常不精确，因此需要很长时间来开发和证明堆垛机运动计划，以实现新飞机的涂装。

2007年，位于奥尔巴尼的概念系统公司，一家在开发运动系统、人机界面和定制实时软件解决方案方面拥有丰富经验的系统集成商，签约为波音公司设计和开发一种新的防撞系统。目标是提供一种现代软件解决方案，其性能和可用性增强远远超过旧系统的能力。该系统需要支持三个喷漆库的操作，与新系统和已服役超过20年的堆垛系统一起工作。

构建新系统

新的堆垛机系统由俄勒冈州Clackamas的Iron Works建造，基于罗克韦尔自动化的ControlLogix处理器，利用以太网通信，而旧的系统基于Allen-Bradley PLC-5控制器，利用Data Highway Plus通信。旧的防撞系统代码因机库而异，每次系统更新以支持新飞机时都需要单独编译，新的软件系统被设计为1396927554

具有在公共编译代码库中支持不同控制体系结构和通信方法的灵活性。

概念系统公司将最初的重点放在更好的3D模型(飞机和堆垛机模型)上，这些模型由波音公司提供的飞机数据生成。 资料来源:Concept Systems。

概念系统公司把最初的重点放在改进飞机物体建模上。新模型需要很容易地从波音提供的飞机数据中生成，更准确地对飞机表面建模，并支持3D可视化工具。来自北卡罗来纳大学教堂山分校的接近性查询包(PQP)被授权作为比较模型位置的底层引擎。

开放图形库(OpenGL)，一种用于编写生成2D和3D计算机图形的应用程序的软件，被选为可视化的渲染技术。PQP和OpenGL都可以处理由三角形网格组成的模型，波音设计软件能够以兼容格式(STL)导出曲面模型。PQP引擎提供了一种机制来查询任意两个建模对象之间的最小距离，例如堆叠器和飞机之间的最小距离。

Concept围绕PQP开发了一个CAM运行时应用程序，解决了复杂的决策树，以确定允许的移动。通过使用基于三角形的模型，该系统能够提供高度准确的飞机表面表示，消除了困扰旧系统的堆垛机和飞机之间曲面相互作用的问题。有了这一改进，画家就可以在工作中不因意外的运动限制而浪费时间。

一个被称为工程工作站(EWS)的中央计算机被用来配置系统并向cam分发更新。EWS能够将波音公司提供的飞机数据转换为系统模型，并通过提供的编辑器为堆垛器和其他对象开发模型。

在波音公司内部网上可用的事件日志示例。来源:Concept Systems

EWS提供了一个基于opengl的工具，可以将任何模型视为具有完全旋转、平移和缩放功能的3D对象。模型查看器还允许实时查看任何堆垛机和飞机之间的实时交互。有了这种先进的查看能力，模型可以很容易地验证，而交互式查看提供了飞机正确注册和定位于堆垛机的确认。

由于波音飞机并非都是相同的尺寸，该系统必须适应各种型号，包括767、747、777和新的787喷气式飞机。在旧系统中，每次引入不同尺寸的飞机时，都需要花费几天的时间来完成这一过程，在此期间喷漆生产被中断。旧的流程非常耗时，因为它必须在每个喷漆机库从头开始实施，针对每种飞机类型，由于限制，需要对特定的飞机模型进行调整，以符合每个机库。

模拟引擎

为了缓解这一问题，该系统设计了一个模拟引擎，模拟堆垛机PAC的功能。使用模拟器，工程师可以在离线环境下使用完整的软件系统对飞机模型进行详尽的测试。这将飞机在机库的调试过程缩短到一个工作日。实施的设计方法还允许同一型号的飞机在机库之间直接使用，无需多次使用同一架飞机。

Concept Systems在Microsoft c++ . net 2005中开发了碰撞避免软件，并创建了几个类库来消除套件中各种应用程序中的冗余编码。所有应用程序都运行在Windows XP平台上，CAM应用程序能够在250ms扫描内提供解决方案。

波音工程师可以通过Web浏览器界面访问系统的故障排除和诊断数据，允许在波音内部网络的任何地方查看详细的事件日志(见图表)。事件查看器提供类别和关键字过滤功能，允许工程师快速缩小关键信息范围，以支持故障排除工作。EWS上的Web服务器托管事件查看器，并通过隔离的碰撞避免网络查询cam上的Web服务以检索数据。另一个页面提供机库中所有cam的快速状态概述，并通过AJAX技术提供状态的持续更新。

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为什么不直接使用传感器?

波音飞机喷漆问题的传统解决方案可能是使用非接触式传感器，例如安装在平台周围的激光光电传感器，以检测堆垛机何时接近飞机。为什么现在不使用呢?

波音公司早前曾尝试使用光学传感技术，但这种方法存在一些问题。主要的一个原因是，因为这是一个喷漆库，很有可能在光学传感器上过度喷漆，这是一个维护的噩梦。

除了过度喷涂问题外，保持多个传感器的精度也会产生校准和校准问题。此外，飞机表面的小物件，如天线和探针，可能不会被光学传感器检测到;然而，本文描述的建模方法可以安全地考虑这些小部件。

此外，随着飞机设计和尺寸的变化，改变飞机的软件模型比改变基于传感器的物理控制系统更容易。

作者信息

合伙人埃德·迪尔和工程师斯科特·范德林德就职于科罗拉多州奥尔巴尼的概念系统公司。

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