飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局仿真技術(shù)研究

王 巍，俞鴻均，安宏喜，谷天慧

（沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部，沈陽 110136）

0 引言

由于飛機(jī)裝配零件數(shù)量巨大、形狀復(fù)雜、材料多類、價(jià)值較高等特點(diǎn)，裝配復(fù)雜度高、難度大、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作工人要求比較嚴(yán)格[1]。國內(nèi)外航空制造企業(yè)發(fā)展飛機(jī)數(shù)字化裝配柔性化、自動(dòng)化移動(dòng)式裝配生產(chǎn)線技術(shù)已迫在眉睫，然而針對(duì)不同的生產(chǎn)任務(wù)，快速合理地配置制造資源，規(guī)劃生產(chǎn)線，前期布局生產(chǎn)線仿真技術(shù)得到了快速的發(fā)展。對(duì)于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的布局設(shè)計(jì)模型構(gòu)建有很多種方式表達(dá)，但目前生產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)、方案修改較慢、可視化效果不明顯、缺少智能建模機(jī)制，對(duì)其生產(chǎn)線廠房及內(nèi)部設(shè)備、工裝、產(chǎn)品布局及裝配工藝全局可視化仿真方面研究為數(shù)不多。

飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)是一個(gè)高投資、高風(fēng)險(xiǎn)過程。國外已運(yùn)行的復(fù)雜制造系統(tǒng)（特別是FMS）約有80% 都沒有完全達(dá)到設(shè)計(jì)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(tǒng)的方法對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)、實(shí)施與控制很難達(dá)到預(yù)期的效果，通過圖紙及實(shí)際場(chǎng)景采樣圖像觀測(cè)方法，可以表達(dá)生產(chǎn)線布局部分造型，但這只是對(duì)于大概的布局表面化的了解，具有相當(dāng)?shù)木窒扌?。因而，研究飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線三維虛擬仿真技術(shù)，成為當(dāng)前飛機(jī)數(shù)字化制造一種行之有效的實(shí)驗(yàn)方法，已經(jīng)廣泛深入地應(yīng)用在制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)作和優(yōu)化中。如圖1所示。

圖1 某飛機(jī)裝配生產(chǎn)線

就飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局而言，可對(duì)生產(chǎn)線不同的布局方案進(jìn)行參數(shù)化仿真表達(dá)，在虛擬的空間內(nèi)對(duì)生產(chǎn)線布局從多角度進(jìn)行真實(shí)感還原，找出系統(tǒng)方案可能存在的問題，通過修改和調(diào)整參數(shù)、運(yùn)行并進(jìn)行比較，可尋求較優(yōu)的規(guī)劃方案。

飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局較復(fù)雜，外形的表達(dá)與觀察方式比較局部，全方位的表達(dá)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(chǎn)線布局全方位的視覺表達(dá)及可參考價(jià)值比較局限。CATIA，ProE，UG，SolidWorks，DELMIA等具有仿真模塊類軟件對(duì)復(fù)雜的設(shè)備建模周期較長，建立生產(chǎn)線的仿真透視上比較局限。這些軟件也很難對(duì)模型進(jìn)行真實(shí)材質(zhì)賦予，在形態(tài)與材質(zhì)上的表達(dá)較欠缺。提供仿真方法只是對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行過程的模擬，而快速驗(yàn)證與選擇生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)方案、運(yùn)作方式、生產(chǎn)節(jié)拍合理性、設(shè)備利用率的合理匹配、車間生產(chǎn)能力等并沒有詳細(xì)表達(dá)與全局顯示。

針對(duì)以上問題，詳細(xì)闡述了生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線可視化仿真快速建模與仿真方法等方面進(jìn)行分析，并對(duì)Maya軟件實(shí)際操作流程進(jìn)行模塊化的分析圖解，按照操作流程，建立基于某型飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接生產(chǎn)線模型，靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的演示與表達(dá)。通過Maya軟件在數(shù)字化生產(chǎn)線布局仿真技術(shù)的運(yùn)用，解決了其他仿真軟件在生產(chǎn)線布局仿真方面不足問題，方便設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)之初快速得到合理的參考，加快飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線的研制。

1 飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局是根據(jù)產(chǎn)品裝配類型（部裝，總裝）、生產(chǎn)批次綱領(lǐng)、裝配工藝規(guī)程等主要因素選擇柔性工裝、測(cè)量與檢測(cè)設(shè)備、存貯與停放設(shè)備、輸送設(shè)備、物流管理并結(jié)合車間場(chǎng)地、空間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、裝配工藝約束以及人員的分布合理布局。通過對(duì)柔性制造技術(shù)、自動(dòng)化裝配技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)、精益制造及信息化等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用設(shè)備與規(guī)劃進(jìn)行集成[5]。不同機(jī)型數(shù)字化裝配生產(chǎn)線采用模塊化結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

在生產(chǎn)線布局仿真時(shí)主要通過各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行布局仿真。建立數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)（包括激光跟蹤儀、三坐標(biāo)測(cè)量儀、激光傳感器等）實(shí)時(shí)跟蹤工裝裝配與產(chǎn)品裝配時(shí)位置仿真，為裝備的精確加工、產(chǎn)品位姿調(diào)整和對(duì)接裝配提供依據(jù)。針對(duì)幾種型號(hào)飛機(jī)零部件特點(diǎn)，多自由度柔性定位方法，建立基于誤差反饋的多自由度聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在容差約束下零部件定位誤差實(shí)時(shí)調(diào)整仿真，保證多型號(hào)零部件裝配準(zhǔn)確度要求。建立自動(dòng)鉆鉚機(jī)、鉆鉚過程刀具精準(zhǔn)定位機(jī)械加工仿真，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)柔性化、鉆鉚定位精準(zhǔn)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(tǒng)協(xié)同控制、集成管理物流仿真，滿足各種需求的物流編碼識(shí)別、監(jiān)控和輸送系統(tǒng)仿真，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化生產(chǎn)線集成控制可視化參考。

2 飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局仿真

布局仿真所用的設(shè)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(dòng)鉆鉚機(jī)，柔性工裝，電力控制室，移動(dòng)小車等可直接依據(jù)其外形進(jìn)行對(duì)應(yīng)的真實(shí)模型構(gòu)建，前期快速建模與生產(chǎn)線布局效果如圖3所示。

圖3 后機(jī)身部分生產(chǎn)線工位

飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局上所用的設(shè)備、工裝等模型不僅是對(duì)外形的建模與模型處理，而且對(duì)輔助設(shè)備的停放空間及柔性工裝等復(fù)雜裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)造同等重要，在保證生產(chǎn)線布局與工藝仿真等功能完整的情況下實(shí)施渲染最終完整表達(dá)。

2.1 仿真技術(shù)軟件對(duì)比

應(yīng)用于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線仿真領(lǐng)域三維軟件較多，如軟件ProE，CATIA，DALMIA及一些三維實(shí)體效果的動(dòng)畫軟件3DMAX等，相比之下該類軟件在可視化效果表達(dá)之中缺乏有相應(yīng)的靈活性。飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)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(chǎn)線快速建模與布局仿真參考已經(jīng)得到了許多工程領(lǐng)域的應(yīng)用。Maya在快速建模的過程中操作非常靈活，在材質(zhì)和燈光處理方面也表現(xiàn)了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[4]。從生產(chǎn)線各方面引用來看，Maya的功能較齊全且便利，在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線前期方案布局仿真中深入的應(yīng)用，為前期生產(chǎn)線虛擬規(guī)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(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線的設(shè)備、工裝等布局三維模型的構(gòu)建都需要參數(shù)化，在生產(chǎn)線布局上所用設(shè)備、工裝等三維數(shù)字建模時(shí)，通過大量的收集相關(guān)實(shí)景采樣圖像和矢量圖片，運(yùn)用形態(tài)學(xué)原理對(duì)生產(chǎn)線布局所用模型外形尺寸進(jìn)行形態(tài)分析，推測(cè)和模擬。生產(chǎn)線所用模型在Maya中制作流程如圖4所示。

對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線上現(xiàn)有CATIA參數(shù)化的三維模型可以直接轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入到Maya軟件中進(jìn)行虛擬仿真動(dòng)態(tài)效果的制作。CATIA模型導(dǎo)入到Maya軟件中轉(zhuǎn)換方法如圖5所示。

圖5 模型轉(zhuǎn)換格式及流程

2.3 數(shù)字化生產(chǎn)線仿真動(dòng)態(tài)演示

仿真動(dòng)態(tài)效果越來越廣泛的應(yīng)用和足夠的重視，使生產(chǎn)線虛擬運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)前期布局參考較重要。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的運(yùn)行利用Maya做仿真主要有以下幾種目的：

1）飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的全局布局進(jìn)行三維立體全方位的展示，同時(shí)可以做3D效果；

2）模擬生產(chǎn)線上設(shè)備、工裝等運(yùn)行過程；統(tǒng)計(jì)設(shè)備的生產(chǎn)能力，對(duì)設(shè)備模型按照不同階段與工時(shí)優(yōu)化選取隨時(shí)進(jìn)行修改；

3）對(duì)整個(gè)裝配生產(chǎn)線上所用設(shè)備系統(tǒng)、廠房配置及人員的分布進(jìn)行真實(shí)的畫面展示；

4）對(duì)生產(chǎn)線上產(chǎn)品與設(shè)備的整體布局在仿真運(yùn)行時(shí)干涉和各種突發(fā)問題及時(shí)可視化解決。

Maya動(dòng)畫仿真模塊，如離子碰撞，炸彈爆炸，物理化學(xué)現(xiàn)象分析等，對(duì)于生產(chǎn)線的仿真動(dòng)畫可以采用簡(jiǎn)單的序列幀制作，具體制作流程如圖6所示。

圖6 仿真動(dòng)畫輸出流程圖

飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線仿真動(dòng)畫和一般的展示動(dòng)畫有所不同，展示動(dòng)畫就是對(duì)生產(chǎn)線的全局進(jìn)行動(dòng)畫演示，外形的準(zhǔn)確把握，畫面的調(diào)整及展示的角度相對(duì)比較重要，生產(chǎn)線裝配動(dòng)畫包括設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、某個(gè)工位加工、裝配過程與關(guān)鍵技術(shù)原理等都需表達(dá)，部分工位調(diào)整局部細(xì)節(jié)展示。

3 某型飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接數(shù)字化裝配生產(chǎn)線仿真

某型飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接數(shù)字化生產(chǎn)線的布局包括產(chǎn)品、柔性工裝、測(cè)量設(shè)備、機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚機(jī)與輔助設(shè)備等，通過對(duì)該模型的分析與建模，對(duì)產(chǎn)品及設(shè)備模型優(yōu)化，最終完成生產(chǎn)線的布局仿真。

3.1 對(duì)產(chǎn)品及設(shè)備模型分析與建模

某型飛機(jī)機(jī)翼裝配采用脈動(dòng)流水線型的裝配工藝過程，這就需要對(duì)裝配線的布局、裝配工藝過程所需的設(shè)備和模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)初步的計(jì)劃，根據(jù)布局上所用設(shè)備及產(chǎn)品，對(duì)比現(xiàn)有圖片和產(chǎn)品模型對(duì)整體形態(tài)初步理解。結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品圖片樣式，對(duì)布局所用設(shè)備具體分析、優(yōu)化與參考。Maya軟件建模通常都選用Polygon，即多邊形，層級(jí)來建立模型。用Maya建模命令做出的六自由度機(jī)械手如圖7所示。

圖7 六自由度機(jī)械手模型

對(duì)于多邊形快速建模優(yōu)勢(shì)有很多，主要有點(diǎn)線面可以自由轉(zhuǎn)換，邊緣線可根據(jù)不同的模型需求隨時(shí)添加和刪除，對(duì)于倒角和圓角過渡的地方可直接光滑顯示。對(duì)于機(jī)械手這種整體以圓柱形和矩形來表達(dá)模型構(gòu)建與修改也是較方便。激光跟蹤儀的模型表達(dá)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(duì)于柔性線纜的建模有優(yōu)勢(shì)，可以改變主曲線變化從而改變線纜模型變化。多數(shù)情況下在生產(chǎn)線上所用的設(shè)備模型，在前期建模階段，沒有相關(guān)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化建模，通常根據(jù)物體（數(shù)控機(jī)床，測(cè)量儀器，制孔與鉆鉚設(shè)備等）二維圖形或形態(tài)學(xué)原理來構(gòu)建，構(gòu)建時(shí)為增加模型的真實(shí)性，利用插入循環(huán)邊工具和面擠出等命令進(jìn)行線面互相添加達(dá)到仿真效果。在建立模型時(shí)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(diǎn)線面之間的轉(zhuǎn)換，將生產(chǎn)線布局在初期參考方案中通過虛擬三維技術(shù)得到數(shù)字化全方位的體現(xiàn)。

3.2 對(duì)產(chǎn)品及設(shè)備模型優(yōu)化

模型無論是從CATIA軟件IGS格式導(dǎo)入到Maya中的模型，還是用Maya構(gòu)建的模型，都可以得到飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接數(shù)字化裝配生產(chǎn)線上所用的三維數(shù)字模型的原型。選取要細(xì)化的部分重新構(gòu)建和細(xì)化，達(dá)到與實(shí)際效果相符。在細(xì)化的過程中為了做出仿真動(dòng)態(tài)效果對(duì)原始模型拆分，有效部分提取，特殊細(xì)節(jié)重新比對(duì)制作，最終完成模型。Maya建模檢驗(yàn)與校正之后，對(duì)模型最后的材質(zhì)進(jìn)行賦予部分進(jìn)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(duì)模型的各部位貼圖時(shí)，通常將分好UV點(diǎn)的貼圖以圖片PNG，TIFF或JPG的形式導(dǎo)出，在圖片處理軟件當(dāng)中進(jìn)行細(xì)化貼圖繪制。清晰明確的表達(dá)數(shù)字化生產(chǎn)線布局所使用設(shè)備外觀及部分內(nèi)部結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。某型飛機(jī)機(jī)翼對(duì)接裝配生產(chǎn)線上模型仿真制作效果如圖9所示。

圖9 機(jī)翼對(duì)接生產(chǎn)線表達(dá)效果

4 結(jié)束語

通過介紹飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線布局關(guān)鍵技術(shù)，數(shù)字化仿真表達(dá)需求及操作方法，對(duì)部分工程類軟件應(yīng)用領(lǐng)域的介紹對(duì)比，研究了在飛機(jī)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線上布局仿真技術(shù)與該軟件技術(shù)表達(dá)后的效果及優(yōu)勢(shì)。對(duì)于這種軟件技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用不僅提高了在信息表達(dá)上的真實(shí)感，更對(duì)裝配生產(chǎn)線的前期布局方案的參考有重要意義。這種技術(shù)在各項(xiàng)目中成功應(yīng)用證明了該技術(shù)的可靠性和前沿性。目前國內(nèi)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的研究起步較晚但進(jìn)展比較迅速，因而將生產(chǎn)線的布局提前表達(dá)作為后期方案規(guī)劃參考非常重要。

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