（沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點實驗室，沈陽 110136）

虛擬制造（Virtual Manufacturing，VM）技術自20世紀80年代由美國提出以來[1]，隨著計算機、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)仿真和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality,VR）等技術的進步，取得了迅速發(fā)展。虛擬制造技術自首次提出到現(xiàn)在已經出現(xiàn)了多種定義[2],但基本上可概括為：虛擬制造技術是利用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術，使實際制造過程在計算機上進行本質實現(xiàn)，以增強產品設計、制造、工藝、質量、性能以及企業(yè)的管理與控制等制造過程各層級的決策與控制能力。虛擬制造技術可在設計階段模擬出產品及其性能和制造過程，優(yōu)化設計質量、制造過程以及生產管理和資源規(guī)劃，以達到產品研發(fā)周期和成本最小化，設計質量和生產效率最優(yōu)化，從而形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢。虛擬制造技術高度依賴于虛擬現(xiàn)實仿真技術。虛擬現(xiàn)實技術的迅速發(fā)展使其在制造業(yè)特別是航空航天制造業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展。應用VR技術可以及早發(fā)現(xiàn)并彌補飛機設計及制造中存在的缺陷，實現(xiàn)“設計-分析-改進”的閉環(huán)迭代[3]。

目前，我國對VR技術的應用主要集中在虛擬設計、零件加工過程仿真和裝配仿真等方面，而歐美的波音、空客等先進航空企業(yè)在飛機制造過程中已經廣泛應用VR技術，利用VR技術對波音747進行虛擬設計獲得成功已經成為虛擬制造的經典案例。波音747上的300多萬個零件和飛機的整體設計均是在VR環(huán)境系統(tǒng)上進行的，該系統(tǒng)由數(shù)百臺工作站組成，設計人員利用頭盔顯示器，在虛擬的“飛機”中穿行并審視各項設計；波音777由于采用了虛擬裝配技術，修正了2500多處干涉問題，設計更改和返工率減少了50%以上，裝配時出現(xiàn)的問題減少了 50%～80%[4]；2003年美國密西根大學的“Michael Grieves”教授提出“Digital Twin”概念，并于2014年給出了詳細解釋，美國國防部提出將“Digital Twin”技術應用于航空航天飛行器的健康維護與保障方面[5]。

虛擬制造技術在飛機設計中的應用

虛擬設計技術是數(shù)字化時代最重要的技術之一，許多國家的科研機構進行了深入的研究。如：美國華盛頓州立大學的VRCIM實驗室與美國國家標準技術研究所NIST聯(lián)合開發(fā)了名為VADE的虛擬裝配系統(tǒng)[6]；德國Bielefeld大學人工智能與虛擬現(xiàn)實實驗室建立了一個虛擬裝配系統(tǒng)CODY[7]。在常規(guī)飛機設計、試驗和飛行過程中許多關鍵技術和試驗項目需要由實際飛行試驗來驗證，這將極大地增加研發(fā)成本與周期。而虛擬樣機是對物理樣機的仿真，可代替其對設計的各項指標進行分析、優(yōu)化，極大地降低研制成本和縮短研制周期。

VR技術在飛機設計中的方案論證階段，能夠虛擬構造、演示飛機整體性能和技術特征，使用戶直觀了解將要購買的飛機；在工程研制階段，應用VR技術進行設計更改評估和空地勤人員培訓；在初步設計和詳細初步設計階段，VR技術可以對駕駛艙人為因素、人機工效、艙門、通風窗功能、可裝配性、維修性等進行分析與評估，同時對飛機進行飛行仿真。2015年，賽峰短艙公司（Safran Nacelles）采用VR技術進行設備改造和技術升級，并應用于A330neo飛機短艙項目（圖1），使項目工期減少了18個月，并對操作員進行有效的訓練。

在飛機初始設計階段，需要采用“設計-分析-改進”迭代方法對飛機的氣動外形設計方案進行優(yōu)化，最終達到提高飛機設計質量以及經濟效益等目的。圖2為本實驗室開展的通用飛機外形及氣動布局虛擬設計的例子，左側為飛機CFD模型，右側為自行研發(fā)的SAUFS飛行仿真系統(tǒng)場景。首先利用CATIA軟件進行飛機外形設計，并利用Fluent軟件計算飛機氣動力數(shù)據(jù)，然后將氣動力數(shù)據(jù)及相關原始數(shù)據(jù)輸入到SAUFS系統(tǒng)進行可視化飛行仿真試驗，獲取并分析飛行性能數(shù)據(jù)。若對仿真結果不滿意可以調整飛機外形或載荷，重復上述的CFD計算和仿真過程，直到滿意為止。通過上述過程實現(xiàn)了在虛擬環(huán)境下對飛機初始設計方案進行評估和優(yōu)化。

虛擬制造技術在飛機裝配中的應用

虛擬裝配（Virtual Assembly，VA）技術的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)裝配中存在的諸多弊端得以改善或解決。虛擬裝配技術作為虛擬制造的關鍵技術之一，許多國家對其進行了較為廣泛的研究及應用，如：美國Sandia國家實驗室開發(fā)的裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)Archimedes[8]用交互式的方式實現(xiàn)了裝配工藝的生成、優(yōu)化和檢查；德國Jung等開發(fā)了基于知識的虛擬裝配系統(tǒng)CODY[9]；德國Michael Weyrich等的“虛擬工作臺Virtual Workbench[10]”實現(xiàn)了順序控制、運動仿真和裝配碰撞檢查等。虛擬裝配的主要目的是用可視化手段分析和解決產品的可裝配性問題[11]，在計算機上分析、設計產品零部件，模擬裝配過程，檢查裝配順序、干涉碰撞和公差配合等裝配關系，在設計階段及時發(fā)現(xiàn)產品設計和工藝規(guī)劃中存在的錯誤，從而提高產品的可裝配性，縮短制造周期，降低制造成本。

飛機裝配對飛機產品的質量、成本和效率等具有極其重要的影響，而虛擬裝配技術的應用使飛機裝配技術達到了一個新高度。目前關于虛擬裝配方面已有多種商用化軟件應用于機械及航空制造領域，典型的軟件包括 UG、Pro/E、Solidworks、Catia/DELMIA、SolidEdge等。以本實驗室開展的某通用飛機整機裝配工藝仿真項目為例，在零件和工裝制造之前，應用DELMIA裝配仿真平臺對裝配工藝、工裝結構和飛機結構的合理性進行建模仿真驗證，在整機33套工裝的裝配仿真中，及時發(fā)現(xiàn)和解決10處工裝問題和1處設計問題。圖3展示了該項目中機翼的虛擬裝配。

圖1 基于VR技術的A330neo飛機短艙虛擬設計Fig.1 Virtual design of A330neo aircraft nacelle based on VR technology

圖2 通用飛機外形及氣動布局虛擬設計實例Fig.2 Virtual design case of contour and aerodynamic layout of general aircraft

除了VR技術外，增強現(xiàn)實（Augment Reality，AR）技術也開始應用于飛機虛擬制造。應用AR 技術可以在虛擬環(huán)境中將模型信息疊加到現(xiàn)實場景中，綜合運用了AR 和VR 的混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）技術可以提供更集中、更全面的裝配信息，同時可以減少建模量，縮短飛機裝配前置時間，減少資源浪費并降低成本。1990年波音公司將AR技術應用于飛機電力線纜的鏈接和接線器的裝配[12]；2003年，德國的Arvika系統(tǒng)研制成功，歐洲宇航防務集團利用該系統(tǒng)成功解決歐洲某型戰(zhàn)斗機布線問題[13]。空客在2001年就啟動了MiRA/SART增強現(xiàn)實解決方案，到2015年廣泛用于空客A320、A380、A350和A400M生產線上。圖4為空客A400M飛機線纜裝配現(xiàn)場，其應用MiRA增強現(xiàn)實系統(tǒng)進行了線纜裝配及檢查。通過觀察疊加到現(xiàn)實場景中的安裝件模型，操作人員可以很直觀地獲取安裝件位置及裝配信息，使操作人員能夠精準地執(zhí)行飛機復雜管路、長達數(shù)百千米的電纜、數(shù)萬個托架以及連接器的安裝任務，同時快速檢測安裝質量，工作效率提高了5～7倍。

虛擬制造技術在生產線規(guī)劃中的應用

生產系統(tǒng)的狀態(tài)屬于離散事件系統(tǒng)的范疇，當在離散的時間點上有事件發(fā)生時，生產系統(tǒng)的狀態(tài)才發(fā)生變化。隨著計算機仿真、信息以及網絡等技術的不斷發(fā)展，目前世界上已有多款軟件用于生產系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化，常用的軟件包括Arena、ProModel、Quest等[14]。Arena軟件應用于生產過程制造、物流系統(tǒng)和服務系統(tǒng)仿真與優(yōu)化；ProModel軟件應用于車間生產能力規(guī)劃、物流配置與庫存控制、制造車間布局設計等方面；Quest軟件主要針對生產線布局、設備及生產線能力、物流效率等方面對系統(tǒng)進行仿真與優(yōu)化。

在飛機生產中，加工生產時間僅占10%～15%左右[15]，而大部分時間都花費在生產準備和物流供應上，因此對產品生產線的運行效率提出了更高的要求。近年來，隨著VM技術的不斷發(fā)展，在生產線設計與優(yōu)化方面采用VM技術已成為發(fā)展趨勢。圖5為本實驗室結合某航空企業(yè)蒙拉線開展的生產線優(yōu)化項目的仿真場景，該項目主要解決現(xiàn)有生產線低效率問題。根據(jù)年度生產計劃和鈑金零件種類，應用Quest離散事件仿真系統(tǒng)對鈑金件生產線生產流程進行了建模和仿真，通過可視化功能及實時數(shù)據(jù)分析了制品的物流情況和生產線設備的利用率，找出了制約生產線效率的瓶頸點，并給出了解決方案，最終使零件生產時間從6034h縮短到4890h，達到了提高生產效率的目的。

另外，國內上海江衡信息科技有限公司自主開發(fā)的虛擬工廠布局與仿真平臺JH-VRLayout[16]在國內航空及船舶工業(yè)中得到了應用。其具有交互式布局操作與3D場景中VR漫游、基于數(shù)據(jù)庫的大規(guī)模模型與布局數(shù)據(jù)管理、靜態(tài)工藝布局與動態(tài)過程仿真與分析等功能，并且與達索DELMIA/QUEST實現(xiàn)了集成。圖6為基于JH-VRLayout的某飛機總裝生產線設計案例，具體工作包括：根據(jù)初始設計方案建立3D虛擬工廠模型，通過VR進行可視化仿真和分析，及時發(fā)現(xiàn)生產線工位及物流效率問題；針對問題，通過反復調整和完善資源、工位劃分或工藝規(guī)劃等措施，使物流效率得到改進，最終滿足生產線產能要求。

虛擬制造技術在飛機零件制造中的應用

圖3 某通用飛機機翼DELMIA裝配工藝仿真Fig.3 Assembly process simulation of some general aircraft wing using DELMIA

圖4 應用MiRA/SART的A400M線纜裝配Fig.4 Application of MiRA/SART on A400M cable assembly site

圖5 飛機蒙拉生產線Quest仿真與優(yōu)化Fig.5 Simulation and optimization of aircraft skin production line using Quest

隨著對計算機技術和計算機圖形學研究的逐漸深入，數(shù)控加工仿真技術在產品制造過程中得以廣泛應 用。1981年，Voelcker等[17]用PADL模型做了一個試驗系統(tǒng)，用于進行NC程序檢驗；1982年，F(xiàn)ridshal等[18]將體素構造法CSG應用到多軸銑削加工中，研發(fā)出數(shù)控仿真系統(tǒng)GDTIPS；1986年，Jerard和Chappel將曲面離散技術應用于數(shù)控幾何仿真，極大地提高了數(shù)控仿真速度[19]。自20世紀80年代以來,國內外開發(fā)了大量數(shù)控加工仿真軟件,其中比較典型的有UG、Pro/E、CATIA等。圖7為應用CATIA軟件的飛機結構件數(shù)控加工仿真。數(shù)控加工仿真技術可以避免反復試加工或制造實物原型、檢查NC代碼的正確性、優(yōu)化切削過程，從而減少或避免加工缺陷、提高加工效率。如今，數(shù)控加工過程仿真技術已經從單純的幾何與運動仿真發(fā)展到了幾何與物理融合仿真，并將逐漸發(fā)展為智能加工技術的重要組成部分，與其互相促進、共同發(fā)展。

圖6 基于JH-VRLayout的飛機總裝生產線設計Fig.6 Design of aircraft assembly line based on JH-VRLayout

圖7 飛機結構件CATIA數(shù)控加工仿真Fig.7 NC machining simulation of aircraft parts using CATIA

鈑金工藝是飛機制造過程中被普遍應用的至關重要的加工手段。一直以來，科研人員對板料成形原理及仿真技術進行了大量的研究[18]。1965年Marcal將有限元應用到塑性加工領域[20]；1980年，Tang等開發(fā)出了 MTLFRM[21]系統(tǒng)用于實際生產；20世紀80年代后期,隨著計算機技術的迅速發(fā)展以及有限元方法研究的不斷深入,出現(xiàn)了用于有限元仿真的商業(yè)化軟件[22]，具有代表性的有LS-DYNA3D、AUTOFORM、ABAQUS等。傳統(tǒng)鈑金成形主要以經驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，存在費時、費力、費錢以及缺少科學性和可預見性等缺點，通過軟件對鈑金成形進行仿真可以預測成形過程中的板料起皺、減薄、回彈以及表面質量等，評估成形性能，為成形工藝和模具設計提供參考，減少了試模次數(shù)，產生了巨大經濟效益。采用ABAQUS軟件進行飛機蒙皮拉伸成形工藝仿真與分析（圖8），使得回彈量等工藝參數(shù)的設計由經驗型向科學計算型轉變，通過準確計算不同工藝條件下的回彈量等，確定最佳的工藝過程，提高了經濟效益和產品質量。

結論

VR技術的快速發(fā)展為虛擬制造提供了有效的技術手段，極大地促進了虛擬制造技術在飛機制造中的發(fā)展和應用。VR技術在航空制造業(yè)中的深入應用，使虛擬制造的3D環(huán)境的沉浸感和互動感大幅度提高，并且朝著可減少建模工作量的AR技術以及人機交互更靈活的MR技術不斷發(fā)展。而隨著網絡技術的發(fā)展以及制造資源、仿真資源的分布化，在飛機研制過程中采用分布式虛擬制造將成為一種必然趨勢。分布式虛擬制造系統(tǒng)通過建立高性能并行計算環(huán)境開展制造過程仿真的高性能計算，基于網絡對各種制造過程進行并行計算和分布式仿真。近年來，虛擬制造技術已經和人工智能、系統(tǒng)控制、網絡集成、信息處理等學科和技術相結合形成了智能制造，制造過程將朝著自動化、智能化、精益化、綠色化方向發(fā)展。智能制造已經被中、美、英、德等國家上升為國家戰(zhàn)略，而虛擬制造作為智能制造的重要組成部分必將實現(xiàn)以數(shù)字化為核心、自動化為基礎、集成化為措施、網絡化為道路、智能化為目標的發(fā)展應用前景。

圖8 飛機蒙皮ABAQUS拉伸成形工藝仿真與分析Fig.8 Simulation and analysis of stretch forming process of aircraft skin using ABAQUS

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