虛擬裝配技術在飛機裝配中的應用

張慶輝

（航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，陜西西安710089）

0 引言

飛機裝配過程就是將大量的飛機零件按照設計圖紙、數(shù)模及技術文件等進行組合、連接的過程，飛機裝配流程如圖1所示。由于飛機結構復雜，零件數(shù)量巨大，協(xié)調關系繁多，因此飛機裝配是一項難度大、標準高、技術要求極其嚴格的制造技術?，F(xiàn)階段，飛機研制開始實施設計成熟度階段工藝并行工作，飛機裝配工藝人員在此過程中對于產品設計起著決定性作用，因此飛機裝配工藝人員在并行工作中就要考慮如何提高飛機裝配水平這一不可逾越的問題。

圖1 飛機裝配流程圖

1 虛擬裝配技術概述及其意義

虛擬裝配（Virtual Assembly，VA）是指利用虛擬現(xiàn)實技術、計算機工具、人工智能技術和仿真技術等構造虛擬環(huán)境，通過分析，預測產品模型，對產品數(shù)據(jù)進行交互分析并仿真產品裝配過程和裝配結果。虛擬裝配技術使得飛機裝配人員能夠影響產品設計，從而減少制造成本并避免由于設計問題影響飛機裝配周期和成本。仿真技術能夠在設計成熟度早期階段發(fā)現(xiàn)潛在問題，消除潛在的裝配缺陷；飛機裝配工藝可利用虛擬仿真技術進行裝配過程仿真，從而對飛機的設計和工藝進行評價和優(yōu)化，可提高生產效率，縮短產品裝配周期，降低成本，從而大幅提高飛機裝配專業(yè)水平。

在飛機裝配過程中，會出現(xiàn)各種不協(xié)調問題，如零件制造誤差、工裝制造誤差、鉚接變形等，虛擬裝配可基于實測模型進行數(shù)字化裝配，通過對每個裝配件的關鍵特征進行采集、分析，提取裝配件的實際關鍵尺寸，根據(jù)虛擬技術進行實測值的預裝配，從而提前發(fā)現(xiàn)干涉和不協(xié)調問題，并分析出最優(yōu)協(xié)調結果，將零件最優(yōu)裝配姿態(tài)反映在實際裝配中，從而進一步提升裝配質量。

2 虛擬裝配在設計成熟度早期飛機裝配中的應用

虛擬裝配技術基于軟件集成來實現(xiàn)，如Delmia軟件、Pro/E、Solidworks、UG、Flexsim等等，目前在設計成熟度早期飛機裝配中虛擬裝配技術主要采用Delmia軟件來實現(xiàn)。

Delmia（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）軟件是一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應用軟件。我們通常使用工藝模塊和人機工程模塊，工藝模塊就是DPM模塊，用來進行工藝驗證，人機工程模塊用來對工人操作進行模擬，在虛擬環(huán)境中利用三維人體模型來模擬人在實際工作環(huán)境的舒適性、可達性、可視性、操作性等。Delmia的仿真過程通過四個步驟來實現(xiàn)，從創(chuàng)建工作環(huán)境到創(chuàng)建工藝規(guī)劃再到創(chuàng)建仿真，最終優(yōu)化仿真。

2.1 創(chuàng)建工作環(huán)境

創(chuàng)建工作環(huán)境是建立仿真的第一步，其為后面的仿真工作做好準備。創(chuàng)建工作環(huán)境包括設置選項參數(shù)、插入資源、插入產品三個內容。設置選項參數(shù)如圖2所示。一般在插入資源時，插入工裝數(shù)模、工具數(shù)模、人員模型等，如圖3所示。在插入產品時，插入產品數(shù)模，如圖4所示。

圖2 設置選項參數(shù)

圖3 插入資源

圖4 插入產品

2.2 創(chuàng)建工藝規(guī)劃

首先創(chuàng)建Process Library，相當于一個數(shù)據(jù)存放庫，插入Process Library后進行一系列動作的創(chuàng)建。工藝規(guī)劃是創(chuàng)建裝配仿真一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。

2.3 創(chuàng)建仿真

通過創(chuàng)建基本動作來實現(xiàn)裝配仿真的創(chuàng)建，確定產品對象項目和資源項目的初始狀態(tài)沒有任何干涉，對它們的初始狀態(tài)進行記錄，通過移動產品，進行再一次行程記錄，達到最終需要狀態(tài)。運動軌跡生成圖如圖5所示。

圖5 運動軌跡生成

2.4 優(yōu)化仿真

包括創(chuàng)建文本注釋、創(chuàng)建視角、創(chuàng)建可視度、創(chuàng)建暫停和延遲、創(chuàng)建文本框信息。

2.5 裝配干涉的仿真

在虛擬環(huán)境中，依據(jù)裝配流程，通過對零件、組件、部件或工裝在裝配過程中與其他零件、組件、部件或工裝發(fā)生碰撞，不能達到裝配正確位置的情況進行裝配仿真，幫助飛機裝配工藝人員分析干涉原因，進一步改進裝配流程或優(yōu)化產品數(shù)模。

2.6 裝配順序的仿真

在虛擬環(huán)境中，依據(jù)現(xiàn)有裝配流程，對于零件、組件、部件裝配順序進行仿真，能直觀地發(fā)現(xiàn)零件、組件、部件是否能夠按照工藝設計裝配流程執(zhí)行下去，找到最優(yōu)裝配順序，提前避免因裝配流程導致的生產周期延誤等問題。

2.7 人機工程的仿真

Delmia軟件能根據(jù)國家、性別、身高、體重、承載能力等參數(shù)自動生成人體模型，在飛機裝配中可以根據(jù)操作工人體型來設定參數(shù)，實現(xiàn)人體模型與真正操作工人的一致性，是做仿真的必要基礎。一些特殊部位的工作環(huán)境，空間狹小的鉆孔、鉚接、螺接、涂膠等工作，可利用Delmia人機工程來進行仿真，設定具體參數(shù)，模擬真實生產現(xiàn)場情況，提前發(fā)現(xiàn)并解決問題。人機工程模塊人體模型參數(shù)值的設置如圖6所示。將設置好的人體模型插入產品環(huán)境中，對人行走、抓取、定位等姿態(tài)進行評估，利用數(shù)字化環(huán)境中的任務仿真工具，發(fā)現(xiàn)工藝設計中與人相關的錯誤，進行針對空間開敞性的檢查、可操作性的檢查、可視性的檢查、安全性能的檢查等。

2.8 工藝布局的仿真

在三維工藝布局設計中，針對產品物流、標準件物流、零件物流、信息物流按3P模擬出最優(yōu)結果，按照設計好的工藝流程進行產品、資源、流程及操作者之間的三維動態(tài)仿真，使現(xiàn)場更加符合工藝布局原則。工藝布局仿真為產品設計、工裝設計、工藝設計、裝配方案提供了可靠的依據(jù)，能夠縮短生產周期，降低裝配制造成本，提高裝配技術水平。

3 虛擬裝配在設計成熟度后期飛機裝配中的應用

圖6 人體模型參數(shù)設置

虛擬裝配技術正在迅速發(fā)展，從傳統(tǒng)的以實物為主的裝配方法+設計模型為基礎的虛擬預裝配發(fā)展到以測量模型為基礎的虛擬預裝配。飛機數(shù)字化預裝配是在數(shù)字化產品的基礎上利用計算機模擬裝配的全過程，因為真實零組件會受加工、裝配、受力變形等因素影響，并不能與數(shù)字化模型保持完全一致，如圖7所示，因此以實測零件模型為基礎的虛擬預裝配是發(fā)展趨勢。虛擬預裝配離不開多樣化、快速化、自動化的數(shù)字化測量手段，如激光雷達、激光掃描儀、拍照測量技術等。

圖7 基于實測模型的虛擬預裝配流程

實測模型建立了虛與實的閉環(huán)，通過數(shù)字化測量與實際零組件之間不斷進行數(shù)據(jù)和信息交互完善，利用數(shù)字化測量+預裝配軟件（如CATIA）+公差分析（如VSA）等一系列的虛擬裝配技術，實現(xiàn)飛機更好更快地裝配。

4 結語

虛擬裝配的應用能大幅提高飛機裝配水平，在設計成熟度不同階段開展虛擬仿真工作，采用虛擬裝配技術使得飛機裝配能夠真正地在高效、高質量、短時間、低成本的環(huán)境下完成。從產品裝配過程上講，它是根據(jù)產品設計的形狀特性、精度要求，真實地模擬產品三維裝配過程，并允許用戶交互式控制產品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性。

虛擬裝配是對裝配過程中的干涉情況及人機工效進行分析，通過對裝配順序、裝配空間、裝配路徑、人機工效等方面存在的問題進行優(yōu)化，對裝配路徑的改進、工藝流程的重新設計調整，得到合理的裝配工藝，從而提高裝配技術水平。