飛機虛擬裝配技術應用及發展趨勢分析

張星宇

【摘?要】本文首先闡述了虛擬裝配技術概述，接著分析了虛擬裝配技術概念及在飛機研制中的應用，最后對虛擬裝配技術應用問題討論及展望進行了探討。希望能夠為相關人員提供有益的參考和借鑒。

【關鍵詞】飛機;虛擬裝配;工藝;產品

引言

產品裝配設計是產品設計中任務量最大、用時最長的程序。據統計，在工業發達的國家和地區，產品生產過程中約33%的人工專注于產品裝配相關工作，超過40%的生產成本用于產品的裝配和調試，50%以上的制造時間花費在與裝配有關的活動中。飛機外形復雜、部附件數目龐大、裝配精度要求高，裝配和安裝工作的勞動量占飛機制造總勞動量的50%～60%，可見對虛擬裝配技術知識在飛機制造中的應用進行探索十分緊迫。

1 虛擬裝配技術概述

隨著信息技術的迅速變革及其與制造業的不斷融合，先進的數字化設計制造技術逐漸取代了簡單的疊加設計制造形式，將串行工作模式轉變為并行工作模式，給飛機設計制造業帶來了巨大的、突破性的發展。并行工程側重于產品的并行設計，強調開發人員從產品的初始階段開始就考慮產品生命周期各個階段的所有需求，包括質量、成本、進度和用戶需求。

當前的國內外設計制造單位普遍應用數字化預裝配技術。開發工程師利用鼠標、鍵盤與顯示器等二維設備進行交互操作，仿真產品的幾何模型，在零件加工前完成檢測。但是，鼠標、鍵盤和屏幕等交互設備具有一些缺陷。選用數據手套、頭盔顯示器等高端三維信號傳輸工具可解決這一缺陷，在虛擬環境中，產品模型的交互與行為表現均接近真實物體，開發工程師不需使用實體樣機即可對產品設計結果展開質量檢驗，以保障產品的可制造性、可裝配性、可維修性和循環使用性。

2 虛擬裝配技術概念及在飛機研制中的應用

2.1 虛擬現實技術

虛擬現實是一種協同計算機、傳感器測量、模擬仿真于微電子等領域的媒介，通過感知或接收感官體驗反饋為用戶創造的三維環境的仿真世界。典型虛擬現實系統共有3類。第一，沉浸式虛擬現實系統，用密閉的場景和聲音系統將用戶的眼耳器官與現實世界分離，使用戶身處計算機編程而建的虛擬環境中。第二，非沉浸式虛擬現實系統，通過部分實物疊加計算機模擬的三維場景服務用戶。此系統無需感官反饋設備，可多用戶參與，且費用較低，但其帶入性和沉浸性較差。第三，將沉浸式虛擬現實系統和非沉浸式虛擬現實系統相結合的疊加虛擬現實系統，不僅滿足了用戶體驗真實環境的需要，而且在觀察點（即真實環境）上疊加了虛擬圖像，例如新型電動汽車虛擬樣機的檢測。

2.2 虛擬裝配技術的定義

虛擬裝配技術是虛擬現實技術、計算機輔助設計技術、計算機圖形學、人工智能技術和仿真技術等眾多虛擬現實技術與產品裝配設計融合而成的產物，僅依靠計算機等模擬仿真工具，不需借助產品實體、工藝裝備資源或者支持過程的實際運作。在虛擬裝配環境中，運用分析、預建模、可視化與數據表示等環節，經過多次協調，確定裝配件最佳位置，以實現或者輔助實現與裝配有關的工程決斷。目前的虛擬裝配技術逐漸趨于集成化。典型的集成方案是直接在系統中使用三維操作和語音命令，區別于傳統的信息單向傳遞，及時創建、修改、操縱和觀察基于約束的模型，再進行虛擬裝配并反饋到其他設計環節中，這種方案明顯比傳統CAD模型更高效。另一種集成方案為：在CAD系統中添加VR功能模塊，開發虛擬裝配環境。此方案的繼承性和規范性良好，CAD的相關算法和接口直接適用，但目前相關理論、技術不夠完善。

2.3 虛擬裝配技術在飛機研制中的應用

論證和方案階段僅占飛機設計總研制工作量或成本的20%～30%，卻占設計方案技術可行性論證的70%～80%。針對國內飛機制造單位裝配技術落后的情況，根據飛機虛擬裝配場景工藝，提出基于PPR的飛機虛擬裝配場景工藝數據模型，并根據其特點，開發各系統之間及其內部各分系統的集成平臺，以實現信息交互。大型飛機構成復雜，組成零部件眾多，且安裝拆卸困難，為解決利用人力模擬飛機水平尾翼的裝配問題，利用delmia軟件對人員行為進行實時跟蹤模擬仿真，以更好地服務生產。飛機總體布置工作量龐大，且受結構空間的影響，所以飛機制造單位在設計階段應用數字化預裝配技術，在保證客艙和貨艙空間的基礎上，了解虛擬裝配技術的工作原理和實施過程，并以某型短程支線飛機為例，對其裝配步驟與裝配途徑進行設置，最終此短程支線飛機的裝配在計算機虛擬環境中得以實現。

3 虛擬裝配技術應用問題討論及展望

在后機身零部件生產、后機身實際裝配過程中還是發現了一些問題，進而發現虛擬裝配技術還存在一定的局限性，這些局限性必定成為日后發展的方向，其分別為：

3.1 基于零部件生產模型的虛擬裝配

在現有的虛擬裝配過程中，零部件均是基于零部件設計模型，沒有考慮到零部件生產過程中加工過程引起的零部件變形、零部件缺陷、零部件表面處理等問題。導致在真實裝配過程中還是出現了較多問題。基于零部件生產模型的虛擬裝配技術將成為日后發展的方向。

3.2 基于零部件變形技術的虛擬裝配技術

在真實零部件裝配過程中，零部件在自身重力下會出現變形或者受力不均等問題，這些問題嚴重影響了實際的裝配過程。在飛機等大型機械設備上這個問題尤其突出。日后的虛擬裝配技術將需要與CAE技術相結合，實現在虛擬裝備過程中考慮到零部件裝配過程中的受力和變形問題，提高虛擬裝配的真實性，盡量減少真實裝配中的問題。

結束語

簡單闡述了虛擬裝配的相關概念和方案，并舉例說明了虛擬裝配技術在飛機研制中的應用，進一步說明研究虛擬裝配技術對提高飛機質量、市場競爭力和降低成本都十分有意義。

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（作者單位：中航飛機股份有限公司）