飛機數字化裝配生產線布局仿真技術研究

王 巍，俞鴻均，安宏喜，谷天慧

（沈陽航空航天大學 航空航天工程學部，沈陽 110136）

0 引言

由于飛機裝配零件數量巨大、形狀復雜、材料多類、價值較高等特點，裝配復雜度高、難度大、對現場操作工人要求比較嚴格[1]。國內外航空制造企業發展飛機數字化裝配柔性化、自動化移動式裝配生產線技術已迫在眉睫，然而針對不同的生產任務，快速合理地配置制造資源，規劃生產線，前期布局生產線仿真技術得到了快速的發展。對于飛機裝配生產線的布局設計模型構建有很多種方式表達，但目前生產線建模仿真軟件存在諸多方面的不足：建模周期長、建模依賴人的經驗、方案修改較慢、可視化效果不明顯、缺少智能建模機制，對其生產線廠房及內部設備、工裝、產品布局及裝配工藝全局可視化仿真方面研究為數不多。

飛機數字化裝配生產線布局設計是一個高投資、高風險過程。國外已運行的復雜制造系統（特別是FMS）約有80% 都沒有完全達到設計要求，其中60%都是由于初期布局不合理或失誤而造成的[2]。用傳統的方法對飛機裝配生產線設計、實施與控制很難達到預期的效果，通過圖紙及實際場景采樣圖像觀測方法，可以表達生產線布局部分造型，但這只是對于大概的布局表面化的了解，具有相當的局限性。因而，研究飛機數字化裝配生產線三維虛擬仿真技術，成為當前飛機數字化制造一種行之有效的實驗方法，已經廣泛深入地應用在制造系統的設計、運作和優化中。如圖1所示。

圖1 某飛機裝配生產線

就飛機數字化裝配生產線布局而言，可對生產線不同的布局方案進行參數化仿真表達，在虛擬的空間內對生產線布局從多角度進行真實感還原，找出系統方案可能存在的問題，通過修改和調整參數、運行并進行比較，可尋求較優的規劃方案。

飛機數字化裝配生產線布局較復雜，外形的表達與觀察方式比較局部，全方位的表達需求始終存在，由于軟件本身與存貯量的局限性，大部分軟件很難將生產線布局全方位的視覺表達及可參考價值比較局限。CATIA，ProE，UG，SolidWorks，DELMIA等具有仿真模塊類軟件對復雜的設備建模周期較長，建立生產線的仿真透視上比較局限。這些軟件也很難對模型進行真實材質賦予，在形態與材質上的表達較欠缺。提供仿真方法只是對生產系統運行過程的模擬，而快速驗證與選擇生產線布局設計方案、運作方式、生產節拍合理性、設備利用率的合理匹配、車間生產能力等并沒有詳細表達與全局顯示。

針對以上問題，詳細闡述了生產線布局設計關鍵技術，對飛機數字化裝配生產線可視化仿真快速建模與仿真方法等方面進行分析，并對Maya軟件實際操作流程進行模塊化的分析圖解，按照操作流程，建立基于某型飛機機翼對接生產線模型，靜態及動態的演示與表達。通過Maya軟件在數字化生產線布局仿真技術的運用，解決了其他仿真軟件在生產線布局仿真方面不足問題，方便設計者在設計之初快速得到合理的參考，加快飛機數字化裝配生產線的研制。

1 飛機數字化裝配生產線關鍵技術

飛機數字化裝配生產線布局是根據產品裝配類型（部裝，總裝）、生產批次綱領、裝配工藝規程等主要因素選擇柔性工裝、測量與檢測設備、存貯與停放設備、輸送設備、物流管理并結合車間場地、空間的結構特點、裝配工藝約束以及人員的分布合理布局。通過對柔性制造技術、自動化裝配技術、數字化測量技術、精益制造及信息化等先進技術應用設備與規劃進行集成[5]。不同機型數字化裝配生產線采用模塊化結構的自動化裝配系統，關鍵技術如圖2所示。

圖2 生產線關鍵技術

在生產線布局仿真時主要通過各項關鍵技術進行布局仿真。建立數字化測量系統（包括激光跟蹤儀、三坐標測量儀、激光傳感器等）實時跟蹤工裝裝配與產品裝配時位置仿真，為裝備的精確加工、產品位姿調整和對接裝配提供依據。針對幾種型號飛機零部件特點，多自由度柔性定位方法，建立基于誤差反饋的多自由度聯動，實現在容差約束下零部件定位誤差實時調整仿真，保證多型號零部件裝配準確度要求。建立自動鉆鉚機、鉆鉚過程刀具精準定位機械加工仿真，實現機構柔性化、鉆鉚定位精準化，提高裝配后零部件裝配精度和效率。建立裝配單元多系統協同控制、集成管理物流仿真，滿足各種需求的物流編碼識別、監控和輸送系統仿真，實現飛機數字化生產線集成控制可視化參考。

2 飛機數字化裝配生產線布局仿真

布局仿真所用的設備模型制作與一般工程類的軟件制作的模型有所不同，如自動鉆鉚機，柔性工裝，電力控制室，移動小車等可直接依據其外形進行對應的真實模型構建，前期快速建模與生產線布局效果如圖3所示。

圖3 后機身部分生產線工位

飛機數字化裝配生產線布局上所用的設備、工裝等模型不僅是對外形的建模與模型處理，而且對輔助設備的停放空間及柔性工裝等復雜裝置內部結構的構造同等重要，在保證生產線布局與工藝仿真等功能完整的情況下實施渲染最終完整表達。

2.1 仿真技術軟件對比

應用于飛機裝配生產線仿真領域三維軟件較多，如軟件ProE，CATIA，DALMIA及一些三維實體效果的動畫軟件3DMAX等，相比之下該類軟件在可視化效果表達之中缺乏有相應的靈活性。飛機數字化裝配生產線眾多軟件在模型制作及效果處理中，軟件Maya作為前期生產線快速建模與布局仿真參考已經得到了許多工程領域的應用。Maya在快速建模的過程中操作非常靈活，在材質和燈光處理方面也表現了強大的優勢[4]。從生產線各方面引用來看，Maya的功能較齊全且便利，在飛機裝配生產線前期方案布局仿真中深入的應用，為前期生產線虛擬規劃參考具有重要意義。

2.2 制作流程分析

圖4 模型制作流程圖

飛機數字化裝配生產線的設備、工裝等布局三維模型的構建都需要參數化，在生產線布局上所用設備、工裝等三維數字建模時，通過大量的收集相關實景采樣圖像和矢量圖片，運用形態學原理對生產線布局所用模型外形尺寸進行形態分析，推測和模擬。生產線所用模型在Maya中制作流程如圖4所示。

對飛機裝配生產線上現有CATIA參數化的三維模型可以直接轉換格式導入到Maya軟件中進行虛擬仿真動態效果的制作。CATIA模型導入到Maya軟件中轉換方法如圖5所示。

圖5 模型轉換格式及流程

2.3 數字化生產線仿真動態演示

仿真動態效果越來越廣泛的應用和足夠的重視，使生產線虛擬運轉對前期布局參考較重要。飛機裝配生產線的運行利用Maya做仿真主要有以下幾種目的：

1）飛機裝配生產線的全局布局進行三維立體全方位的展示，同時可以做3D效果；

2）模擬生產線上設備、工裝等運行過程；統計設備的生產能力，對設備模型按照不同階段與工時優化選取隨時進行修改；

3）對整個裝配生產線上所用設備系統、廠房配置及人員的分布進行真實的畫面展示；

4）對生產線上產品與設備的整體布局在仿真運行時干涉和各種突發問題及時可視化解決。

Maya動畫仿真模塊，如離子碰撞，炸彈爆炸，物理化學現象分析等，對于生產線的仿真動畫可以采用簡單的序列幀制作，具體制作流程如圖6所示。

圖6 仿真動畫輸出流程圖

飛機數字化裝配生產線仿真動畫和一般的展示動畫有所不同，展示動畫就是對生產線的全局進行動畫演示，外形的準確把握，畫面的調整及展示的角度相對比較重要，生產線裝配動畫包括設備內部結構、某個工位加工、裝配過程與關鍵技術原理等都需表達，部分工位調整局部細節展示。

3 某型飛機機翼對接數字化裝配生產線仿真

某型飛機機翼對接數字化生產線的布局包括產品、柔性工裝、測量設備、機器人自動鉆鉚機與輔助設備等，通過對該模型的分析與建模，對產品及設備模型優化，最終完成生產線的布局仿真。

3.1 對產品及設備模型分析與建模

某型飛機機翼裝配采用脈動流水線型的裝配工藝過程，這就需要對裝配線的布局、裝配工藝過程所需的設備和模型內部結構有一個初步的計劃，根據布局上所用設備及產品，對比現有圖片和產品模型對整體形態初步理解。結合實際產品圖片樣式，對布局所用設備具體分析、優化與參考。Maya軟件建模通常都選用Polygon，即多邊形，層級來建立模型。用Maya建模命令做出的六自由度機械手如圖7所示。

圖7 六自由度機械手模型

對于多邊形快速建模優勢有很多，主要有點線面可以自由轉換，邊緣線可根據不同的模型需求隨時添加和刪除，對于倒角和圓角過渡的地方可直接光滑顯示。對于機械手這種整體以圓柱形和矩形來表達模型構建與修改也是較方便。激光跟蹤儀的模型表達如圖8所示。

圖8 激光跟蹤儀模型

此類模型主要在curve命令下建模，對于柔性線纜的建模有優勢，可以改變主曲線變化從而改變線纜模型變化。多數情況下在生產線上所用的設備模型，在前期建模階段，沒有相關的準確數據進行參數化建模，通常根據物體（數控機床，測量儀器，制孔與鉆鉚設備等）二維圖形或形態學原理來構建，構建時為增加模型的真實性，利用插入循環邊工具和面擠出等命令進行線面互相添加達到仿真效果。在建立模型時常用的幾種命令為Extrude，Merge，Insert loop edge，Split Polygon Tool，以及CV Curve Tool等，通過各種命令與點線面之間的轉換，將生產線布局在初期參考方案中通過虛擬三維技術得到數字化全方位的體現。

3.2 對產品及設備模型優化

模型無論是從CATIA軟件IGS格式導入到Maya中的模型，還是用Maya構建的模型，都可以得到飛機機翼對接數字化裝配生產線上所用的三維數字模型的原型。選取要細化的部分重新構建和細化，達到與實際效果相符。在細化的過程中為了做出仿真動態效果對原始模型拆分，有效部分提取，特殊細節重新比對制作，最終完成模型。Maya建模檢驗與校正之后，對模型最后的材質進行賦予部分進行繪制，用UV分割命令貼圖及最后渲染完成。利用UV編輯器對模型的各部位貼圖時，通常將分好UV點的貼圖以圖片PNG，TIFF或JPG的形式導出，在圖片處理軟件當中進行細化貼圖繪制。清晰明確的表達數字化生產線布局所使用設備外觀及部分內部結構的構成。某型飛機機翼對接裝配生產線上模型仿真制作效果如圖9所示。

圖9 機翼對接生產線表達效果

4 結束語

通過介紹飛機數字化裝配生產線布局關鍵技術，數字化仿真表達需求及操作方法，對部分工程類軟件應用領域的介紹對比，研究了在飛機數字化裝配生產線上布局仿真技術與該軟件技術表達后的效果及優勢。對于這種軟件技術的引進和應用不僅提高了在信息表達上的真實感，更對裝配生產線的前期布局方案的參考有重要意義。這種技術在各項目中成功應用證明了該技術的可靠性和前沿性。目前國內飛機裝配生產線的研究起步較晚但進展比較迅速，因而將生產線的布局提前表達作為后期方案規劃參考非常重要。

[1] 范玉清,梅中義,陶劍.大型飛機數字化制造工程[M].北京航空工業出版社,2011.

[2] 畢利文,唐曉東,楊紅宇.飛機數字化裝配工藝仿真技術[J].航空制造技術,2008,20:48-50.

[3] 皮興忠.裝配線平衡和仿真技術的研究與應用[D].上海交通大學,2002.

[4] 董梁,高文婷.Maya完全學習手冊[M].北京:清華大學出版社,2005.

[5] 黃雪梅,趙明揚,陳書宏.數字化生產線離散制造過程仿真研究[J].計算機工程與應用,2006.