徐云朋

摘要：隨著工業(yè)的發(fā)展，大型機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)、制造，尤其航空航天、軍事裝備領(lǐng)域發(fā)展較為迅速。大型裝備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)帶來的問題就是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過程經(jīng)常出現(xiàn)差錯(cuò)。上個(gè)世紀(jì)80年代虛擬現(xiàn)實(shí)的概念提出，促進(jìn)了大型裝備虛擬裝配技術(shù)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(shù)，在虛擬的環(huán)境中開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)、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(cuò)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī);虛擬裝配技術(shù);應(yīng)用

前言

虛擬裝配技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)層次的映射，第一個(gè)映射就是通過底層的產(chǎn)品虛擬模型實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品物理模型的映射，第二個(gè)映射就是利用虛擬的裝配仿真實(shí)現(xiàn)真實(shí)物理裝配過程。虛擬裝配是虛擬制造研究領(lǐng)域的重要研究分支，其是許多先進(jìn)學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的綜合集成與應(yīng)用，它以數(shù)字化建模技術(shù)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，分析優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段或產(chǎn)品制造之前，實(shí)時(shí)、并行地模擬出產(chǎn)品的未來制造全過程及其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能、成本和可制造性，以達(dá)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(shù)及研究方向

1.1以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配技術(shù)研究

虛擬裝配的重要內(nèi)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的組裝，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配技術(shù)就是專注產(chǎn)品各個(gè)部件之間的因素制約，并依據(jù)設(shè)計(jì)原理開展各個(gè)部件的設(shè)計(jì)與裝配。以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配的目的就是實(shí)現(xiàn)各部件之間制約關(guān)系的定量分析，在各個(gè)約束下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，解決部件設(shè)計(jì)的瑕疵和錯(cuò)誤，并開展設(shè)計(jì)優(yōu)化與設(shè)計(jì)更改，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。這種設(shè)計(jì)可以在經(jīng)濟(jì)成本、人機(jī)工程、環(huán)保等社會(huì)因素上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，促進(jìn)產(chǎn)品的成功。

1.2以工藝規(guī)劃為中心的虛擬裝配技術(shù)研究

虛擬裝配技術(shù)一個(gè)重要方面就是針對(duì)產(chǎn)品的各個(gè)部件設(shè)計(jì)完成后，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的概念，借助現(xiàn)代信息技術(shù)，采用電子計(jì)算機(jī)生產(chǎn)的虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品各個(gè)部件裝配工藝設(shè)計(jì)，并針對(duì)產(chǎn)品特點(diǎn)計(jì)算和分析裝配的最優(yōu)工藝方案，指導(dǎo)實(shí)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(jí)裝配規(guī)劃和作業(yè)級(jí)裝配規(guī)劃兩個(gè)層次。

1.3以虛擬原型為中心的虛擬裝配技術(shù)研究

以虛擬原型為中心的虛擬裝配技術(shù)就是充分利用虛擬環(huán)境，構(gòu)建產(chǎn)品的外形、產(chǎn)品的功能、產(chǎn)品的性能，進(jìn)而模擬產(chǎn)品的用途和功能，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)和功能特性評(píng)價(jià)。這種虛擬裝配技術(shù)可以對(duì)產(chǎn)品的外形精度、制造公差進(jìn)行優(yōu)化分析，并提供可視化功能。

2虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用

論證和方案階段僅占飛機(jī)設(shè)計(jì)總研制工作量或成本的20%～30%，卻占設(shè)計(jì)方案技術(shù)可行性論證的70%～80%。針對(duì)國內(nèi)飛機(jī)制造單位裝配技術(shù)落后的情況，根據(jù)飛機(jī)虛擬裝配場(chǎng)景工藝，提出基于PPR的飛機(jī)虛擬裝配場(chǎng)景工藝數(shù)據(jù)模型，并根據(jù)其特點(diǎn)，開發(fā)各系統(tǒng)之間及其內(nèi)部各分系統(tǒng)的集成平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)信息交互。大型飛機(jī)構(gòu)成復(fù)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(jī)水平尾翼的裝配問題，利用delmia軟件對(duì)人員行為進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤模擬仿真，以更好地服務(wù)生產(chǎn)。飛機(jī)總體布置工作量龐大，且受結(jié)構(gòu)空間的影響，所以飛機(jī)制造單位在設(shè)計(jì)階段應(yīng)用數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)，在保證客艙和貨艙空間的基礎(chǔ)上，了解虛擬裝配技術(shù)的工作原理和實(shí)施過程，并以某型短程支線飛機(jī)為例，對(duì)其裝配步驟與裝配途徑進(jìn)行設(shè)置，最終此短程支線飛機(jī)的裝配在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中得以實(shí)現(xiàn)。在飛機(jī)總體布置中，可裝配性、可維修性和測(cè)試性是關(guān)鍵指標(biāo)，輕量化技術(shù)是提高飛機(jī)虛擬裝配仿真效率的有效手段，在某機(jī)型研制階段，利用虛擬裝配仿真軟件對(duì)其關(guān)鍵裝配部件進(jìn)行三維模擬裝配，預(yù)先發(fā)現(xiàn)并處理嚴(yán)重威脅裝配質(zhì)量的問題，使裝配進(jìn)度加快30%以上。為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油子系統(tǒng)工作環(huán)境惡劣、拆裝維護(hù)困難等難題，在研制階段搭建虛擬裝配平臺(tái)，并進(jìn)行裝配路徑仿真、可達(dá)性仿真、人機(jī)功效分析，實(shí)現(xiàn)維護(hù)工藝最優(yōu)化。

3飛機(jī)虛擬裝配過程設(shè)計(jì)

根據(jù)飛機(jī)各系統(tǒng)組成部件的裝配難易程度，在總體設(shè)計(jì)階段、裝配設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段3個(gè)階段使用虛擬裝配技術(shù)，完成虛擬場(chǎng)景搭建、虛擬模型導(dǎo)入、虛擬裝配操作與虛擬裝配仿真等。在總體設(shè)計(jì)階段，為飛機(jī)部件建立主模型，仿真與實(shí)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(shí)際裝配環(huán)境中接收對(duì)應(yīng)的信號(hào)。在裝配設(shè)計(jì)階段，大體實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件及相關(guān)連接結(jié)構(gòu)的三維模型設(shè)計(jì)，建立模型裝配基準(zhǔn)，確認(rèn)虛擬裝配環(huán)境下的空間工作坐標(biāo)，劃分模型的虛擬空間，規(guī)范其行為和動(dòng)作的移動(dòng)路徑。與實(shí)際裝配環(huán)境相結(jié)合，利用圖像處理技術(shù)獲取飛機(jī)部件的特征因素，并不斷調(diào)整真實(shí)環(huán)境和反饋儀器參數(shù)。在確定參數(shù)后，多次調(diào)整飛機(jī)部件的特征因素，以匹配真實(shí)裝配環(huán)境。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，確定飛機(jī)部件裝配的最終模型。構(gòu)建相關(guān)約束條件和約束范圍，確認(rèn)裝配工藝順序，通過不斷的細(xì)節(jié)調(diào)整將虛擬裝配的全局最優(yōu)結(jié)果以數(shù)據(jù)庫形式匹配到真實(shí)環(huán)境，進(jìn)行裝配仿真以驗(yàn)證其可達(dá)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(dòng)畫等形式由連接設(shè)備傳送給工作人員。

結(jié)束語

簡單闡述了虛擬裝配的相關(guān)概念和方案，并舉例說明了虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用，進(jìn)一步說明研究虛擬裝配技術(shù)對(duì)提高飛機(jī)質(zhì)量、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和降低成本都十分有意義。

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（作者單位：中航飛機(jī)股份有限公司）