虛擬裝配技術在飛機制造領域的應用現狀

王同蘇

摘要：虛擬裝配技術是虛擬現實技術在設計與制造領域的重要應用之一，目前已經引起飛機制造業界和飛機設計機構越來越廣泛的重視。本文在闡述虛擬裝配技術的研究內容的基礎上，界定了虛擬裝配技術的分類，對國內外發展狀況進行簡要對比分析，指出了目前虛擬裝配技術研究的主要發展方向。

關鍵詞：虛擬裝配；虛擬現實；飛機裝配；裝配過程仿真

1虛擬裝配的研究內容

在傳統的飛機制造過程中，裝配時可能會出現兩類問題，一是產品的設計有誤導致裝配無法進行，這往往導致產品的重新設計，二是裝配的過程不合理，需要重新調整裝配過程。

基于以上兩類問題，虛擬裝配技術的研究內容從整體上可以分為兩部分：作為對產品裝配過程的全面虛擬呈現，它面向產品的整個裝配過程，因此，第一部分的研究內容與產品的裝配過程息息相關；另外，虛擬裝配作為一種體現計算技術的系統而出現，它必須與制造領域中的其他軟件進行通訊，否則將成為“孤島”而不能充分發揮其應有的作用，所以第二部分的研究內容與系統集成緊密相關。

2虛擬裝配的分類

按照實現功能和目的的不同，目前針對虛擬裝配的研究可以分為如下三類：以產品設計為中心的虛擬裝配、以工藝規劃為中心的虛擬裝配和以虛擬原型為中心的虛擬裝配。

2.1以產品設計為中心的虛擬裝配

虛擬裝配是在產品設計過程中，為了更好地幫助進行與裝配有關的設計決策，在虛擬環境下對計算機數據模型進行裝配關系分析的一項計算機輔助設計技術，它結合面向裝配設計（Design For Assembly，DFA）理論和方法，基本任務就是從設計原理方案出發在各種因素制約下尋求裝配結構的最優解，由此擬定裝配草圖。它以產品可裝配性的全面改善為目的，通過模擬試裝和定量分析，找出零部件結構設計巾不適合裝配或裝配性能不好的結構特征，進行設計修改.最終保證所設計的產品從技術角度來講裝配是合理可行的，從經濟角度來講應盡可能降低產品總成本，同時還必須兼顧人機工程和環保等社會因素。

2.2以工藝規劃為中心的虛擬裝配

針對產品的裝配工藝設計問題，基于產品信息模型和裝配資源模型，采用計算機仿真和虛擬現實技術進行產品的裝配工藝設計，從而獲得可行且較優的裝配工藝方案，指導實際裝配生產。根據涉及范疇和層次的不同，又分為系統級裝配規劃和作業級裝配規劃。前者是裝配生產的總體規劃，主要包括市場需求、投資狀況、生產規模、生產周期、資源分配、裝配車間布置、裝配生產線平衡等內容，是裝配生產的綱領性文件。后者主要指裝配作業與過程規劃，主要包括裝配順序的規劃、裝配路徑的規劃、工藝路線的制定、操作空間的干涉驗證、工藝卡片和文卡當的生成等內容。工藝規劃為巾心的虛擬裝配，以操作仿真的高逼真度為特色，主要體現在虛擬裝配實施對象、操作過程以及所用的工裝工具，均與生產實際情況高度吻合，因而可以生動直觀地反映產品裝配的真實過程，使仿真結果具有高可信度。

2.3以虛擬原型為中心的虛擬裝配

虛擬原型是利用計算機仿真系統在一定程度上實現產品的外形、功能和性能模擬，以產生與物理樣機具有可比性的效果來檢驗和評價產品特性。傳統的虛擬裝配系統都是以理想的剛性零件為基礎，虛擬裝配和虛擬原型技術的結合，可以有效分析零件制造和裝配過程巾的受力變形對產品裝配性能的影響，為產品形狀精度分析、公差優化設計提供可視化手段。以虛擬原型為中心的虛擬裝配主要研究內容包括考慮切削力、變形和殘余應力的零件制造過程建模、有限元分析與仿真、配合公差與零件變形、以及計算結果可視化等方面。

3國內外虛擬裝配研究現狀對比分析

根據目前的理解，虛擬裝配發展至今可以分為三個階段，第一階段是虛擬裝配理論的提出階段，第二階段是各研究機構在各自實驗室復制、建立虛擬裝配系統的階段，第三階段是各研究機構對虛擬裝配各發展方向進行深入研究的階段。目前國外虛擬裝配技術的發展已經進入了第三階段。

國內對虛擬裝配技術的研究起步于20世紀90年代末期，發展速度比較快，取得了不少研究成果，并提出了許多有價值的新理論和新方法。浙江大學CAD&CG國家重點實驗室是國內最早開展虛擬裝配研究的機構之一，他們目前的研究在國內處于領先地位。此外，華中科技大學、清華大學、北京理工大學、北京航空航天大學以及上海交通大學等也進行了與虛擬裝配相關的研究，他們已經或者正在著手建立自己的虛擬裝配系統。

4將來的發展方向

虛擬裝配涉及的各項技術仍處在不斷的發展之中，需要研究人員進一步的研究和探索，將來的發展方向主要體現在：

（1）CAD接口的標準化。虛擬裝配系統應能接受CAD系統的模型信息，實現與主流CAD系統的無縫集成。目前各單位開發的虛擬裝配系統，都是根據自己的情況來定制CAD接口，實現信息轉換，在數據的提取和表達、信息的存儲和管理等方面沒有統一的標準和規范。

（2）虛擬裝配/拆卸過程中人的合理性參與。人是產品裝備拆卸過程中的重要因素，充分發揮人的主觀能動性、積極性和創造性，真正體現以人為中心的設計，是提高產品裝配質量和效率的關鍵。人機工效等技術和虛擬裝配技術的結合是現階段研究的熱點，可以解決自動化裝配中不能解決的技術難題。

（3）管路、線纜的布置與規劃。在工業級復雜產品中（如飛機、船舶、火箭發動機等），由于空間狹小、結構緊湊，各種剛性管路和柔性電纜、線纜等交錯纏雜在一起，給裝配操作帶來很大難度，成為影響產品裝配質量的關鍵。現有虛擬裝配系統缺乏這方面的有效工具，限制了在工業生產中的應用。

（4）考慮加工和使用環境的裝配過程建模。目前的虛擬裝配系統都以理想的零件模型為基礎，沒有考慮具體的加工和裝配環境對零件形狀精度和尺寸誤差的影響，導致實際生產出來的零件裝配不上或裝配性能不滿足要求。例如，實際加工中由于機床、刀具和殘余應力等因素的影響，零件的形狀精度和設計尺寸并不完全一致，裝配過程中由于環境溫度、裝配受力等因素，零件也會發生彈性變形，這些因素都會對產品裝配精度和裝配性能產生影響。

（5）面向虛擬裝配的工裝夾具設計。虛擬裝配技術應和工裝設計、夾具設計結合起來，實現二者之間的集成。根據裝配時零件的自由度情況、定位要求和精度要求，采用人工智能和知識庫技術相結合的途徑，推理出裝配過程中需要使用的工裝夾具的基本結構，再進行詳細設計。面向虛擬裝配的工裝夾具設計，可有效縮短夾具設計的周期，提高設計的成功率。

參考文獻：

[1]寧汝新、鄭軼.虛擬裝配技術的研究進展及發展趨勢分析[J].中國機械工程第16卷第15期，1398～1404.

[2]夏平均、姚英學.虛擬裝配的研究綜述與分析（Ⅱ）[J].哈爾濱工業大學學報，第40卷第6期，2008年6月：942～947.

（作者單位：沈陽飛機工業（集團）有限公司）