基于Virtools的飛機裝配仿真

王林林，付曉強

（1.西安航空職業技術學院 航空維修工程學院，陜西 西安 710089；2.西安飛豹科技發展公司 質量保證部，陜西 西安 710089）

飛機由于其零件及連接件數量多，產品結構形狀復雜，質量要求高，而且在整個過程中飛機裝配的勞動量和周期都是比較大的，周期也很長，飛機裝配的勞動量約占整個制造飛機總勞動量的（45~60）%[1]，作為大型的復雜的運載設備，飛機更是綜合運用了眾多領域的先進技術，如新材料技術、先進的推進技術、通信技術、自動檢測技術及電子對抗技術等。新技術的應用使得飛機的結構更加復雜，系統設備技術含量也日益增加，技術保障涉及的門類也日益廣泛，因此飛機裝配技術為延長飛機的使用壽命起著重要作用。在經濟全球化、社會現代化的今天，將虛擬現實技術與傳統的裝配技術相融合是未來科技發展的必然趨勢。虛擬裝配式虛擬制造的核心技術之一[2]。傳統裝配技術一般在現場裝配過程中或者生產出成品才發現其中的問題，虛擬裝配能夠大幅度提高產品的質量和開發的速度，減少了資金浪費。

在生產中飛機裝配是指按一定要求，將零件、部件組合成總體飛機的過程。零件是指構成產品的最小單元。而飛機部件是由若干零件組成的飛機的某一的部分。而將飛機零件裝配成飛機部件的過程稱為飛機部件裝配，簡稱飛機的部裝。將飛機零件和飛機部件裝配成整機的過程稱為飛機的總裝配，簡稱飛機的總裝。

1 Virtools介紹

Virtools是一種虛擬現實軟件，是法國達索公司（Dassault System）開發的一個強大的實時可視化的三維引擎平臺。是一套具備多種互動行為模塊的編輯軟件，而且它能將3D模型、2D圖形和音像等相結合，制作出符合不同客戶需求的三維虛擬產品[3]。它的構建及其靈活，適用于不同類型的人群，對于普通的開發者也可以通過鼠標拖放腳本等方式，可以制作出高品質效果的作品。而對于高端的開發者，也可以利用Virtools軟件中的 VSL（Virtools Scripting Language）和 SDK（Software Development Kit）創建自身需要的交換行為腳本和應用程序。它支持多種文件格式3dsmax、Maya等[4]，還可以直接導入導出具有達索系統標準的工業文件格式3D XML，使3D作品的制作更加方便，所以從其問世以來，收到廣大虛擬愛好者的青睞，其應用領域也擴展到教學訓練、裝配仿真、產品展示等多個方面。片等，也包含臨時創建的曲線、場景標識、對象的參數、屬性等。所有這些對象都對應一個基類，即行為對象（Behavioral object），這些對象都是這個基類派生出來的[5]。Virtools中類的層次結構如圖1所示。

圖1 Virtools中類的結構圖Fig.1 Diagram of class structure in virtools

2 總體裝配工序步驟

1）建立模型：利用CATIA軟件建立模型，飛機模型本文采用CATIA飛機裝配體模型，其他如軌道、圓盤等是重新在CATIA中建立的，最終將所有模型導入Virtools創建的虛擬環境中[6]。

2）產品交互預裝配：導入工件模型，定義工件的裝配約束關系

3）工序信息提取：提取裝配工序模型的基本信息，例如部件名稱、結構層次、裝配順序等。

4）飛機裝配的仿真：在Virtools軟件中，建立飛機裝配的虛擬環境，然后通過直觀展示飛機裝配過程中零部件的運動狀態和空間位置關系，實現運動過程中的干涉檢查和提示。接著運用檢查結果優化飛機裝配工藝，對裝配順序、裝配路徑等并進行修改。

3 飛機裝配線的組織

1）飛機生產的裝配車間的作業方式一般為流水線作業，這種作業方式具有以下特點：

2）裝配流水線上每個工位只完成一種工作，專業性程度高。

3）流水線具有節奏性，能嚴格按著節拍生產。

4）裝配流水線中各個工位完成生產所需時間大體相同，而起生產能力成比例而且平衡。如果設裝配流水線各工位設備數目分別為 k1，k2，…，km，工位完成的時間設為 t1，t2，…，tm，則流水線節拍τ滿足公式（1），就可以使生產線保持平衡。

5）運用這種流水線作業方式，當飛機批量生產時，其連續性會更加突出。

以某型號飛機裝配線為例，將整個飛機生產過程分為6個工位，6個工位處放入6個圓盤，6個圓盤將軌道6等分，6個圓盤同時沿著軌道進行運動進入下一個工位，其具體工作過程如圖2所示[7]。

圖2 劃分工位Fig.2 Division station

裝配流水線節拍τ的公式為式（2）所示。

式中，N表示年計劃產量，β表示裝配流水線生產力的儲備系數，f表示每個月計劃的工作日，α表示裝配工人出勤率，g表示每天工作的班數，γ表示時間的利用率，m表示工作時間的理論值，通常單位為s。

4 Virtools環境下裝配流水線實現

我們以某型號飛機為例，介紹下Virtools環境下飛機裝配流水線的實現，其主要分為兩個部分，裝配流水線運動的實現和各個工位上工作的完成。

裝配流水線運動的實現主要是完成利用6個圓盤對軌道進行6等分，按著裝順序實現工位間的運動，每個工位運動一次就到了下一工位，而且在每個工位的停留時間是相同的，即每個工位工作的時間是相同的[8]。下面以其中的一個圓盤為例，實現圓盤的運動腳本流程如圖3所示。

為了方便，每個工位的工作時間設為3 s，每個圓盤進入下一個工位的時間也設置為3 s，將軌道6等分是按著圓周的等分原理，其參數設置如圖4所示。

在完成第一部分的基礎上實現每個工位上工作的完成，本文中工位1是實現發動機、起落架的裝配。工位2是實現飛機平尾的裝配，工位3是實現飛機垂尾的裝配，工位4是現實上下發動機罩的裝配，工位5是現實左右機翼的裝配，工位6實現機艙門的裝配，工位6完成后飛機的總裝完成，然后飛機直接進入廠房。本文只是一個仿真的裝配主要是一個仿真作用，并沒用做到碰撞檢測，做好的飛機裝配的效果圖如圖5所示。

通常在當生產的批量不大時，也可以用間歇式裝配流水線。

5 結束語

飛機裝配仿真技術不僅是現代飛機裝配技術的重要組成部分，而且也是對飛機裝配人員一項重要的培訓內容。筆者通過運用仿真技術對某型號飛機進行虛擬裝配線仿真，實現飛機裝配生產線動態仿真、實踐節拍計算，提供方案的手段，驗證了飛機設計方案的合理性。結果表明：虛擬現實技術能夠很好地應用在飛機裝配仿真中，是對裝配仿真的一種新的拓展。

圖3 實現圓盤運動流程Fig.3 Implement the disc movement process

圖4 軌道等分參數設置Fig.4 Rail uniform parameter setting

圖5 飛機裝配流水線圖Fig.5 Diagram of the aircraft assembly line

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