飛機虛擬裝配技術應用及發(fā)展趨勢分析

徐云朋

摘要：隨著工業(yè)的發(fā)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(fā)展較為迅速。大型裝備的設計與生產(chǎn)帶來的問題就是產(chǎn)品結構復雜、裝配復雜，導致設計、生產(chǎn)過程經(jīng)常出現(xiàn)差錯。上個世紀80年代虛擬現(xiàn)實的概念提出，促進了大型裝備虛擬裝配技術的出現(xiàn)并迅速發(fā)展。虛擬裝配就是充分利用現(xiàn)代信息技術，在虛擬的環(huán)境中開展產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制造與產(chǎn)品裝配，在生產(chǎn)之前完成裝配過程，提前發(fā)現(xiàn)問題，減小差錯。

關鍵詞：飛機;虛擬裝配技術;應用

前言

虛擬裝配技術主要是實現(xiàn)了兩個層次的映射，第一個映射就是通過底層的產(chǎn)品虛擬模型實現(xiàn)對產(chǎn)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(xiàn)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(shù)字化建模技術，計算機仿真技術，分析優(yōu)化技術為基礎，在產(chǎn)品設計階段或產(chǎn)品制造之前，實時、并行地模擬出產(chǎn)品的未來制造全過程及其對產(chǎn)品設計的影響，預測產(chǎn)品的性能、成本和可制造性，以達到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本的最優(yōu)化，生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品的研發(fā)，其主要功能就是在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)產(chǎn)品的組裝，以產(chǎn)品設計為中心的虛擬裝配技術就是專注產(chǎn)品各個部件之間的因素制約，并依據(jù)設計原理開展各個部件的設計與裝配。以產(chǎn)品設計為中心的虛擬裝配的目的就是實現(xiàn)各部件之間制約關系的定量分析，在各個約束下實現(xiàn)最優(yōu)設計，解決部件設計的瑕疵和錯誤，并開展設計優(yōu)化與設計更改，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設計方案。這種設計可以在經(jīng)濟成本、人機工程、環(huán)保等社會因素上實現(xiàn)最優(yōu)，促進產(chǎn)品的成功。

1.2以工藝規(guī)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(chǎn)品的各個部件設計完成后，利用虛擬現(xiàn)實的概念，借助現(xiàn)代信息技術，采用電子計算機生產(chǎn)的虛擬環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品各個部件裝配工藝設計，并針對產(chǎn)品特點計算和分析裝配的最優(yōu)工藝方案，指導實際的產(chǎn)品生產(chǎn)與裝配工作。以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配可以分為系統(tǒng)級裝配規(guī)劃和作業(yè)級裝配規(guī)劃兩個層次。

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(huán)境，構建產(chǎn)品的外形、產(chǎn)品的功能、產(chǎn)品的性能，進而模擬產(chǎn)品的用途和功能，對產(chǎn)品進行檢驗和功能特性評價。這種虛擬裝配技術可以對產(chǎn)品的外形精度、制造公差進行優(yōu)化分析，并提供可視化功能。

2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(jù)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(shù)據(jù)模型，并根據(jù)其特點，開發(fā)各系統(tǒng)之間及其內部各分系統(tǒng)的集成平臺，以實現(xiàn)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(chǎn)。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(shù)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(huán)境中得以實現(xiàn)。在飛機總體布置中，可裝配性、可維修性和測試性是關鍵指標，輕量化技術是提高飛機虛擬裝配仿真效率的有效手段，在某機型研制階段，利用虛擬裝配仿真軟件對其關鍵裝配部件進行三維模擬裝配，預先發(fā)現(xiàn)并處理嚴重威脅裝配質量的問題，使裝配進度加快30%以上。為解決航空發(fā)動機燃油子系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣、拆裝維護困難等難題，在研制階段搭建虛擬裝配平臺，并進行裝配路徑仿真、可達性仿真、人機功效分析，實現(xiàn)維護工藝最優(yōu)化。

3飛機虛擬裝配過程設計

根據(jù)飛機各系統(tǒng)組成部件的裝配難易程度，在總體設計階段、裝配設計階段和詳細設計階段3個階段使用虛擬裝配技術，完成虛擬場景搭建、虛擬模型導入、虛擬裝配操作與虛擬裝配仿真等。在總體設計階段，為飛機部件建立主模型，仿真與實際裝配環(huán)境一致的虛擬裝配環(huán)境，根據(jù)需求為已有部件的三維模型和待裝配部件的三維模型劃分空間，完成初始總體布局，并利用感官反饋儀器在實際裝配環(huán)境中接收對應的信號。在裝配設計階段，大體實現(xiàn)飛機部件及相關連接結構的三維模型設計，建立模型裝配基準，確認虛擬裝配環(huán)境下的空間工作坐標，劃分模型的虛擬空間，規(guī)范其行為和動作的移動路徑。與實際裝配環(huán)境相結合，利用圖像處理技術獲取飛機部件的特征因素，并不斷調整真實環(huán)境和反饋儀器參數(shù)。在確定參數(shù)后，多次調整飛機部件的特征因素，以匹配真實裝配環(huán)境。在詳細設計階段，確定飛機部件裝配的最終模型。構建相關約束條件和約束范圍，確認裝配工藝順序，通過不斷的細節(jié)調整將虛擬裝配的全局最優(yōu)結果以數(shù)據(jù)庫形式匹配到真實環(huán)境，進行裝配仿真以驗證其可達性。確定裝配順序一般采用裝配法或拆卸法，比較而言，拆卸法的變化空間較小，更易被采納。最終，將虛擬裝配信息以動畫等形式由連接設備傳送給工作人員。

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）