劉蘇 胡曉婭 張博

(首都航天機械有限公司，北京，100076)

近年來，隨著航天復雜結構產品的設計與制造裝配需求以及計算機三維數(shù)字化工程、虛擬仿真技術的突飛猛進，面向航天產品型號研制的虛擬裝配仿真技術已成為型號研制不可或缺的重要推進力量。

隨著數(shù)字化制造的快速發(fā)展，越來越多的設計單位已經從原始的基于二維圖樣設計過渡到全三維無紙化的設計手段中。為了進一步縮短整個產品的研發(fā)周期，降低實際制造風險，數(shù)字化制造將不可避免的應用到從產品設計、工藝設計到下廠制造的各個環(huán)節(jié)。

產品設計人員通過在線協(xié)同環(huán)境，采取關聯(lián)設計手段，可在相對較短的時間內，完成結構復雜、零部件眾多的產品設計。在產品設計階段，工藝人員就可提前介入，通過數(shù)字樣機進行可裝配性檢查等分析，從而給設計人員提供可靠的分析數(shù)據，結合工藝將某些產品設計問題消滅在設計階段。同時將可視化虛擬裝配仿真流程固化，快速完成演示驗證工作。

1 可視化虛擬裝配仿真應用需求及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 需求分析

虛擬裝配基于產品信息模型和裝配資源模型，采用計算機仿真和虛擬顯示技術進行模擬裝配，可驗證裝配設計和操作正確與否。

現(xiàn)有的產品裝配性設計，依然依賴工藝人員的經驗以及實物試裝進行驗證，裝配質量很難實現(xiàn)預測與控制，并且多數(shù)產品存在裝配不可逆的問題。另外，由于缺乏前期裝配驗證手段，導致產品裝配返工率高、裝配質量不穩(wěn)定，從而導致產品裝配周期延長，制約產品制造能力的提升。利用裝配仿真手段，提前介入產品設計，提高產品裝配能力顯得尤為重要。

可視化虛擬裝配仿真技術是以工程數(shù)字化虛擬樣機模型為基礎，以沉浸式虛擬現(xiàn)實技術展示可交互操作的產品裝配制造過程，充分利用包括產品、工藝裝備在內的數(shù)字樣機三維數(shù)據，實現(xiàn)三維基礎上的工藝規(guī)劃，并對產品的裝配過程、規(guī)劃、生產環(huán)境布局進行模擬并驗證?？梢暬摂M裝配仿真技術是虛擬制造體系中重要的組成部分，其應用范圍涵蓋產品的設計、工藝、分析試驗、加工、裝配、產品后期維護維修等產品全生命周期的各個階段。

裝配仿真技術的虛擬可視化可通過對產品、資源及環(huán)境接近真實的模擬，形成一個高度仿真的可視化虛擬現(xiàn)實環(huán)境，提前發(fā)現(xiàn)產品潛在的設計薄弱環(huán)節(jié)、工藝方案遺漏，避免不必要的返工及人工、物料等資源的浪費。幫助設計人員、工藝人員更全面直觀的了解產品結構、裝配工藝過程。同時，可將產品工藝設計前置，提高設計的有效性。

1.2 技術應用現(xiàn)狀

在工業(yè)發(fā)達國家，尤其以德、美企業(yè)為代表的很多工業(yè)企業(yè)，對生產工藝布局的仿真已開展多年，擁有較為成熟的解決方案。我國的可視化虛擬裝配仿真技術研究起步較晚，但是在航空、船舶及各大汽車制造業(yè)已開展應用可視化的虛擬裝配仿真技術對產品裝配生產進行布局仿真研究，對產品工藝流程、操作人員行走路徑等進行驗證、評估和優(yōu)化。通過建立虛擬的環(huán)境、廠房布局以及交互式的虛擬仿真系統(tǒng)，將產品的裝配過程與生產現(xiàn)場的布局結合起來，采用沉浸式的體驗環(huán)境，實現(xiàn)完全真實、全面的感知仿真過程，從而快速、準確、全面地理解產品裝配要點及工藝資源使用情況。

2 線纜裝配工藝規(guī)劃

虛擬裝配工藝規(guī)劃，就是按照實際裝配過程中的設計、工藝要求，確定產品的裝配序列以及裝配路徑。首先按照工藝要求及仿真過程需求，梳理仿真時產品裝配的主要流程，并對產品裝配過程中所需要的廠房、設備、工裝、工具等資源環(huán)境以及各資源的布局予以確定，便于真實地展現(xiàn)裝配仿真流程的分析與優(yōu)化，有效指導裝配過程。線纜裝配工藝規(guī)劃步驟如下。

首先，將通過DELMIA軟件建立的廠房、設備、產品等模型導入軟件中進行渲染和輕量化處理，根據模型的結構、材料等屬性設置模型的幾何信息可增加模型的真實度。

其次，對產品中設計的柔性管線的固定卡頭位置、移動路徑和最小彎曲半徑等進行設置，這樣在仿真過程中可根據產品移動的情況實時分析計算，并通過不同的顏色反饋其管線狀態(tài)。

隨后，在裝配仿真的過程中，如遇到干涉情況，可使運動部件自動避讓環(huán)境中其他諸多模型，智能計算其可通過的方式，并結合實時人機交互，驗證其是否可順利通過。

最后，通過設置人體模型的身高、性別、年齡、體態(tài)，可得到人體在裝配操作過程中的操作范圍和視野范圍，實時地顯示出操作過程中人體的工作狀態(tài)。線纜布線效果如圖1所示。

圖1 線纜布線效果展示

3 線纜裝配仿真過程演示驗證

線纜產品的連接裝配是型號產品總裝測試過程中非常重要的環(huán)節(jié)，任何一個線纜的插接失效都會影響航天系統(tǒng)工程的成敗，對線纜的裝配仿真過程進行演示驗證尤為重要。

影響線纜插接可靠性的主要原因：①插接方法，即是否在充足的空間下進行正確連接；②外界因素，即線纜質量及多余物防控。

裝配仿真過程的演示驗證主要用于排查：①裝配空間是否滿足操作人員及工具使用；②線纜結構設計，其長度和型號規(guī)格能夠正確進行操作，排除易錯風險；③連接后是否可以進行人工檢查，是否存在檢查盲區(qū)，而對連接情況造成漏檢等問題。

3.1 包裝箱吊裝流程演示

將需要安裝的線纜包裝箱吊運到工位處，首選對現(xiàn)有包裝箱型號及物品進行目視檢查。然后綁扎吊運帶，將吊車移動至正確位置，采用專用吊掛對產品進行起吊，起吊后控制吊車將包裝箱運送至操作工位處，操作人員將產品取下，拆掉吊帶，吊車移開后，打開包裝箱進行總裝工作。其吊裝仿真過程如圖2所示。

圖2 包裝箱吊裝

3.2 線纜插接流程演示

將線纜從包裝箱內取出后，進行清理及相關準備工作。具體線纜裝配仿真流程如圖3所示。

圖3 線纜裝配仿真過程

操作人員對線纜進行人工插接過程，插接時將手掌（含相關工具）伸入產品裝配區(qū)內。線纜接頭分為兩端，首先進行接頭1的連接，插接過程中應避免與其他儀器設備碰撞造成線纜損傷，插接時避免歪斜，應保持手臂進入方向與插接處垂直進入，同時注意在插接過程中不要引入多余物。接頭1插接完成后，進行接頭2的插接工作，要求同上。

插接完成后，手臂伸出安裝區(qū)，人體站立姿勢下通過移動查看裝配區(qū)電纜插接情況。人眼的最小分辨視角為1′，而人眼的明視距離為25cm，由此人眼的最大分辨力約為0.1mm。最后確認人工檢查是否會出現(xiàn)檢查盲區(qū)，是否對多余物和歪斜插接情況造成漏檢。

綜上所述，通過建立可視化虛擬裝配標準化仿真流程設計，可直接避免在裝配現(xiàn)場發(fā)生各種預料之外的問題。在產品設計的同時，開展初步工藝設計、工裝設計，在產品設計階段完成所有的工藝設計、裝配布局優(yōu)化，提前發(fā)現(xiàn)工裝設計及制造過程中的問題，實現(xiàn)全三維驗證工藝設計流程。以達到真正的并行工程，在保證產品設計及工藝合理性的前提下，縮短產品研發(fā)周期。此外，將可視化虛擬裝配仿真流程固化，最終實現(xiàn)標準化流程演示驗證工作。