飛機虛擬裝配技術應用及發展趨勢分析

楊靜思

摘要：隨著工業的發展，大型機械裝備的設計、制造，尤其航空航天、軍事裝備領域發展較為迅速。大型裝備的設計與生產帶來的問題就是產品結構復雜、裝配復雜，導致設計、生產過程經常出現差錯。上個世紀80年代虛擬現實的概念提出，促進了大型裝備虛擬裝配技術的出現并迅速發展。虛擬裝配就是充分利用現代信息技術，在虛擬的環境中開展產品設計、產品制造與產品裝配，在生產之前完成裝配過程，提前發現問題，減小差錯。本文針對虛擬裝配技術總結了其研究方向和研究重點，并基于工藝為中心的虛擬裝配技術開展了飛機后機身模型構建、工藝設計、虛擬裝配等工作。結合飛機后機身虛擬裝配技術，跟蹤后機身零部件生產、實際裝配工作，總結和分析了虛擬裝配技術在應用方面的問題。針對問題開展了虛擬裝配技術發展趨勢分析。

關鍵詞：飛機;虛擬裝配;工藝;產品

0? 引言

虛擬裝配技術主要是實現了兩個層次的映射，第一個映射就是通過底層的產品虛擬模型實現對產品物理模型的映射，第二個映射就是利用虛擬的裝配仿真實現真實物理裝配過程。虛擬裝配是虛擬制造研究領域的重要研究分支，其是許多先進學科領域知識的綜合集成與應用，它以數字化建模技術，計算機仿真技術，分析優化技術為基礎，在產品設計階段或產品制造之前，實時、并行地模擬出產品的未來制造全過程及其對產品設計的影響，預測產品的性能、成本和可制造性，以達到產品的開發周期和成本的最優化，生產效率的最高化之目的。

1? 虛擬裝配技術及研究方向

1.1 以產品設計為中心的虛擬裝配技術研究

虛擬裝配的重要內容就是產品的研發，其主要功能就是在虛擬環境中實現產品的組裝，以產品設計為中心的虛擬裝配技術就是專注產品各個部件之間的因素制約，并依據設計原理開展各個部件的設計與裝配。以產品設計為中心的虛擬裝配的目的就是實現各部件之間制約關系的定量分析，在各個約束下實現最優設計，解決部件設計的瑕疵和錯誤，并開展設計優化與設計更改，最終實現產品的最優設計方案。這種設計可以在經濟成本、人機工程、環保等社會因素上實現最優，促進產品的成功。

1.2 以工藝規劃為中心的虛擬裝配技術研究

虛擬裝配技術一個重要方面就是針對產品的各個部件設計完成后，利用虛擬現實的概念，借助現代信息技術，采用電子計算機生產的虛擬環境下實現產品各個部件裝配工藝設計，并針對產品特點計算和分析裝配的最優工藝方案，指導實際的產品生產與裝配工作。以工藝規劃為中心的虛擬裝配可以分為系統級裝配規劃和作業級裝配規劃兩個層次。系統級裝配關注的是產品的總體規劃，涉及的方面比較廣，主要有產品的市場需求怎樣、產品的投資狀況、產品的生產規模、產品的生產周期、產品生產的資源分配情況、裝配車間的布置情況等等內容，這些均是產品裝配的綱領性文件。作業級的裝配規劃主要就是產品的裝配順序規劃、產品的裝配路徑規劃、產品的工藝路線規劃、產品裝配的操作路線干涉計算分析等等內容。

1.3 以虛擬原型為中心的虛擬裝配技術研究

以虛擬原型為中心的虛擬裝配技術就是充分利用虛擬環境，構建產品的外形、產品的功能、產品的性能，進而模擬產品的用途和功能，對產品進行檢驗和功能特性評價。這種虛擬裝配技術可以對產品的外形精度、制造公差進行優化分析，并提供可視化功能。

2? 基于DELMIA軟件實現虛擬裝配過程分析

DELMIA能夠實現全面的、協同的數字虛擬裝配功能，其包含的功能模塊參見圖1所示。利用“產品定義”的模塊可以實現產品的定義，構建虛擬模型。“工藝/資源規劃”模塊對產品進行工藝設計、工藝優化和工藝改進。“工廠布局”可以實現虛擬裝配的虛擬環境，并將“數字工藝（DPE）”和“數字制造（DPM）”進行聯合，形成真正的數字工廠。DELMIA軟件可以實現產品部件單元裝配、產品生產線模擬、工廠物流路線模擬等等整個生產過程。

3? 基于DELMIA軟件后機身虛擬裝配應用分析

后機身零部件CAD建模。虛擬裝配基于CAD的零部件進行裝備優化，首先就是對后機身的各個框進行建模。建模要注意各個部件零件的形狀特征及裝配關系，并對零部件特征關系進行約束定義，這些零組件模型將作為裝配模擬中的“工件”。如圖2所示為后機身框段建模模型。

后機身裝配環境構建。利用工廠布局模塊，構建數字車間中的基本設施，對裝配工件、環境資源及人員活動空間等進行有序布置，確定裝配所需的環境元素之間的相對空間關系。針對后機身裝配所需要的資源、工藝參數、工藝知識相關文件開展編制，并完成文件管理機制。

后機身零件的裝配工藝設計。后機身裝配工藝設計需要充分了解飛機結構、飛機零部件制造工藝需求的基礎上，依次完成各個零件的工藝設計。工藝設計包括：開展工藝分離面的布置、裝配單元的設計;選定必須的制造設備、工藝裝備;產品裝配車間的空間布置、產品裝配的基準、產品裝配的方法以及順序等等。

開展后機身裝配的過程模擬，首先在DELMIA軟件平臺下根據后機身裝配工藝大綱、裝配工藝參數，利用軟件虛擬環境開展裝配工序。在裝配過程中可實時發現裝配的工人、工具、工件、產品等環境問題，并可以及時進行調整和修改，進而得到合理的工藝工序過程。如圖3和圖4為后機身裝配模擬的Process Library及模擬結果。

通過后機身模擬裝配過程中發現了大量設計問題和零部件設計過程中不合理的問題，并對其進行了及時更正。最終通過優化分析，實現了設計改進，最終滿足零部件生產要求。

4? 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：

4.1 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。

4.2 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。

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