楊靜思

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)。本文針對(duì)虛擬裝配技術(shù)總結(jié)了其研究方向和研究重點(diǎn)，并基于工藝為中心的虛擬裝配技術(shù)開展了飛機(jī)后機(jī)身模型構(gòu)建、工藝設(shè)計(jì)、虛擬裝配等工作。結(jié)合飛機(jī)后機(jī)身虛擬裝配技術(shù)，跟蹤后機(jī)身零部件生產(chǎn)、實(shí)際裝配工作，總結(jié)和分析了虛擬裝配技術(shù)在應(yīng)用方面的問題。針對(duì)問題開展了虛擬裝配技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析。

關(guān)鍵詞：飛機(jī);虛擬裝配;工藝;產(chǎn)品

0? 引言

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。系統(tǒng)級(jí)裝配關(guān)注的是產(chǎn)品的總體規(guī)劃，涉及的方面比較廣，主要有產(chǎn)品的市場(chǎng)需求怎樣、產(chǎn)品的投資狀況、產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、產(chǎn)品生產(chǎn)的資源分配情況、裝配車間的布置情況等等內(nèi)容，這些均是產(chǎn)品裝配的綱領(lǐng)性文件。作業(yè)級(jí)的裝配規(guī)劃主要就是產(chǎn)品的裝配順序規(guī)劃、產(chǎn)品的裝配路徑規(guī)劃、產(chǎn)品的工藝路線規(guī)劃、產(chǎn)品裝配的操作路線干涉計(jì)算分析等等內(nèi)容。

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? 基于DELMIA軟件實(shí)現(xiàn)虛擬裝配過程分析

DELMIA能夠?qū)崿F(xiàn)全面的、協(xié)同的數(shù)字虛擬裝配功能，其包含的功能模塊參見圖1所示。利用“產(chǎn)品定義”的模塊可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定義，構(gòu)建虛擬模型。“工藝/資源規(guī)劃”模塊對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和工藝改進(jìn)?！肮S布局”可以實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的虛擬環(huán)境，并將“數(shù)字工藝（DPE）”和“數(shù)字制造（DPM）”進(jìn)行聯(lián)合，形成真正的數(shù)字工廠。DELMIA軟件可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品部件單元裝配、產(chǎn)品生產(chǎn)線模擬、工廠物流路線模擬等等整個(gè)生產(chǎn)過程。

3? 基于DELMIA軟件后機(jī)身虛擬裝配應(yīng)用分析

后機(jī)身零部件CAD建模。虛擬裝配基于CAD的零部件進(jìn)行裝備優(yōu)化，首先就是對(duì)后機(jī)身的各個(gè)框進(jìn)行建模。建模要注意各個(gè)部件零件的形狀特征及裝配關(guān)系，并對(duì)零部件特征關(guān)系進(jìn)行約束定義，這些零組件模型將作為裝配模擬中的“工件”。如圖2所示為后機(jī)身框段建模模型。

后機(jī)身裝配環(huán)境構(gòu)建。利用工廠布局模塊，構(gòu)建數(shù)字車間中的基本設(shè)施，對(duì)裝配工件、環(huán)境資源及人員活動(dòng)空間等進(jìn)行有序布置，確定裝配所需的環(huán)境元素之間的相對(duì)空間關(guān)系。針對(duì)后機(jī)身裝配所需要的資源、工藝參數(shù)、工藝知識(shí)相關(guān)文件開展編制，并完成文件管理機(jī)制。

后機(jī)身零件的裝配工藝設(shè)計(jì)。后機(jī)身裝配工藝設(shè)計(jì)需要充分了解飛機(jī)結(jié)構(gòu)、飛機(jī)零部件制造工藝需求的基礎(chǔ)上，依次完成各個(gè)零件的工藝設(shè)計(jì)。工藝設(shè)計(jì)包括：開展工藝分離面的布置、裝配單元的設(shè)計(jì);選定必須的制造設(shè)備、工藝裝備;產(chǎn)品裝配車間的空間布置、產(chǎn)品裝配的基準(zhǔn)、產(chǎn)品裝配的方法以及順序等等。

開展后機(jī)身裝配的過程模擬，首先在DELMIA軟件平臺(tái)下根據(jù)后機(jī)身裝配工藝大綱、裝配工藝參數(shù)，利用軟件虛擬環(huán)境開展裝配工序。在裝配過程中可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配的工人、工具、工件、產(chǎn)品等環(huán)境問題，并可以及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和修改，進(jìn)而得到合理的工藝工序過程。如圖3和圖4為后機(jī)身裝配模擬的Process Library及模擬結(jié)果。

通過后機(jī)身模擬裝配過程中發(fā)現(xiàn)了大量設(shè)計(jì)問題和零部件設(shè)計(jì)過程中不合理的問題，并對(duì)其進(jìn)行了及時(shí)更正。最終通過優(yōu)化分析，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終滿足零部件生產(chǎn)要求。

4? 虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用問題討論及展望

在后機(jī)身零部件生產(chǎn)、后機(jī)身實(shí)際裝配過程中還是發(fā)現(xiàn)了一些問題，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)還存在一定的局限性，這些局限性必定成為日后發(fā)展的方向，其分別為：

4.1 基于零部件生產(chǎn)模型的虛擬裝配

在現(xiàn)有的虛擬裝配過程中，零部件均是基于零部件設(shè)計(jì)模型，沒有考慮到零部件生產(chǎn)過程中加工過程引起的零部件變形、零部件缺陷、零部件表面處理等問題。導(dǎo)致在真實(shí)裝配過程中還是出現(xiàn)了較多問題。基于零部件生產(chǎn)模型的虛擬裝配技術(shù)將成為日后發(fā)展的方向。

4.2 基于零部件變形技術(shù)的虛擬裝配技術(shù)

在真實(shí)零部件裝配過程中，零部件在自身重力下會(huì)出現(xiàn)變形或者受力不均等問題，這些問題嚴(yán)重影響了實(shí)際的裝配過程。在飛機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備上這個(gè)問題尤其突出。日后的虛擬裝配技術(shù)將需要與CAE技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在虛擬裝備過程中考慮到零部件裝配過程中的受力和變形問題，提高虛擬裝配的真實(shí)性，盡量減少真實(shí)裝配中的問題。

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