虛擬裝配技術(shù)在飛機制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

王同蘇

摘要：虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設(shè)計與制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用之一，目前已經(jīng)引起飛機制造業(yè)界和飛機設(shè)計機構(gòu)越來越廣泛的重視。本文在闡述虛擬裝配技術(shù)的研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，界定了虛擬裝配技術(shù)的分類，對國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r進行簡要對比分析，指出了目前虛擬裝配技術(shù)研究的主要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：虛擬裝配；虛擬現(xiàn)實；飛機裝配；裝配過程仿真

1虛擬裝配的研究內(nèi)容

在傳統(tǒng)的飛機制造過程中，裝配時可能會出現(xiàn)兩類問題，一是產(chǎn)品的設(shè)計有誤導(dǎo)致裝配無法進行，這往往導(dǎo)致產(chǎn)品的重新設(shè)計，二是裝配的過程不合理，需要重新調(diào)整裝配過程。

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

2虛擬裝配的分類

按照實現(xiàn)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(chǎn)品設(shè)計為中心的虛擬裝配、以工藝規(guī)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(chǎn)品設(shè)計為中心的虛擬裝配

虛擬裝配是在產(chǎn)品設(shè)計過程中，為了更好地幫助進行與裝配有關(guān)的設(shè)計決策，在虛擬環(huán)境下對計算機數(shù)據(jù)模型進行裝配關(guān)系分析的一項計算機輔助設(shè)計技術(shù)，它結(jié)合面向裝配設(shè)計（Design For Assembly，DFA）理論和方法，基本任務(wù)就是從設(shè)計原理方案出發(fā)在各種因素制約下尋求裝配結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，由此擬定裝配草圖。它以產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計巾不適合裝配或裝配性能不好的結(jié)構(gòu)特征，進行設(shè)計修改.最終保證所設(shè)計的產(chǎn)品從技術(shù)角度來講裝配是合理可行的，從經(jīng)濟角度來講應(yīng)盡可能降低產(chǎn)品總成本，同時還必須兼顧人機工程和環(huán)保等社會因素。

2.2以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配

針對產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計問題，基于產(chǎn)品信息模型和裝配資源模型，采用計算機仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計，從而獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝方案，指導(dǎo)實際裝配生產(chǎn)。根據(jù)涉及范疇和層次的不同，又分為系統(tǒng)級裝配規(guī)劃和作業(yè)級裝配規(guī)劃。前者是裝配生產(chǎn)的總體規(guī)劃，主要包括市場需求、投資狀況、生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)周期、資源分配、裝配車間布置、裝配生產(chǎn)線平衡等內(nèi)容，是裝配生產(chǎn)的綱領(lǐng)性文件。后者主要指裝配作業(yè)與過程規(guī)劃，主要包括裝配順序的規(guī)劃、裝配路徑的規(guī)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(dāng)?shù)纳傻葍?nèi)容。工藝規(guī)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(xiàn)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(chǎn)實際情況高度吻合，因而可以生動直觀地反映產(chǎn)品裝配的真實過程，使仿真結(jié)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(tǒng)在一定程度上實現(xiàn)產(chǎn)品的外形、功能和性能模擬，以產(chǎn)生與物理樣機具有可比性的效果來檢驗和評價產(chǎn)品特性。傳統(tǒng)的虛擬裝配系統(tǒng)都是以理想的剛性零件為基礎(chǔ)，虛擬裝配和虛擬原型技術(shù)的結(jié)合，可以有效分析零件制造和裝配過程巾的受力變形對產(chǎn)品裝配性能的影響，為產(chǎn)品形狀精度分析、公差優(yōu)化設(shè)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(nèi)容包括考慮切削力、變形和殘余應(yīng)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(jié)果可視化等方面。

3國內(nèi)外虛擬裝配研究現(xiàn)狀對比分析

根據(jù)目前的理解，虛擬裝配發(fā)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(gòu)在各自實驗室復(fù)制、建立虛擬裝配系統(tǒng)的階段，第三階段是各研究機構(gòu)對虛擬裝配各發(fā)展方向進行深入研究的階段。目前國外虛擬裝配技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進入了第三階段。

國內(nèi)對虛擬裝配技術(shù)的研究起步于20世紀90年代末期，發(fā)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(xué)CAD&CG國家重點實驗室是國內(nèi)最早開展虛擬裝配研究的機構(gòu)之一，他們目前的研究在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。此外，華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)以及上海交通大學(xué)等也進行了與虛擬裝配相關(guān)的研究，他們已經(jīng)或者正在著手建立自己的虛擬裝配系統(tǒng)。

4將來的發(fā)展方向

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

（1）CAD接口的標準化。虛擬裝配系統(tǒng)應(yīng)能接受CAD系統(tǒng)的模型信息，實現(xiàn)與主流CAD系統(tǒng)的無縫集成。目前各單位開發(fā)的虛擬裝配系統(tǒng)，都是根據(jù)自己的情況來定制CAD接口，實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，在數(shù)據(jù)的提取和表達、信息的存儲和管理等方面沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范。

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

（3）管路、線纜的布置與規(guī)劃。在工業(yè)級復(fù)雜產(chǎn)品中（如飛機、船舶、火箭發(fā)動機等），由于空間狹小、結(jié)構(gòu)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(chǎn)品裝配質(zhì)量的關(guān)鍵?，F(xiàn)有虛擬裝配系統(tǒng)缺乏這方面的有效工具，限制了在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

（4）考慮加工和使用環(huán)境的裝配過程建模。目前的虛擬裝配系統(tǒng)都以理想的零件模型為基礎(chǔ)，沒有考慮具體的加工和裝配環(huán)境對零件形狀精度和尺寸誤差的影響，導(dǎo)致實際生產(chǎn)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(yīng)力等因素的影響，零件的形狀精度和設(shè)計尺寸并不完全一致，裝配過程中由于環(huán)境溫度、裝配受力等因素，零件也會發(fā)生彈性變形，這些因素都會對產(chǎn)品裝配精度和裝配性能產(chǎn)生影響。

（5）面向虛擬裝配的工裝夾具設(shè)計。虛擬裝配技術(shù)應(yīng)和工裝設(shè)計、夾具設(shè)計結(jié)合起來，實現(xiàn)二者之間的集成。根據(jù)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(shù)相結(jié)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(jié)構(gòu)，再進行詳細設(shè)計。面向虛擬裝配的工裝夾具設(shè)計，可有效縮短夾具設(shè)計的周期，提高設(shè)計的成功率。

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（作者單位：沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司）