虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用

張慶輝

（航空工業(yè)西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，陜西西安710089）

0 引言

飛機(jī)裝配過程就是將大量的飛機(jī)零件按照設(shè)計圖紙、數(shù)模及技術(shù)文件等進(jìn)行組合、連接的過程，飛機(jī)裝配流程如圖1所示。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件數(shù)量巨大，協(xié)調(diào)關(guān)系繁多，因此飛機(jī)裝配是一項(xiàng)難度大、標(biāo)準(zhǔn)高、技術(shù)要求極其嚴(yán)格的制造技術(shù)。現(xiàn)階段，飛機(jī)研制開始實(shí)施設(shè)計成熟度階段工藝并行工作，飛機(jī)裝配工藝人員在此過程中對于產(chǎn)品設(shè)計起著決定性作用，因此飛機(jī)裝配工藝人員在并行工作中就要考慮如何提高飛機(jī)裝配水平這一不可逾越的問題。

圖1 飛機(jī)裝配流程圖

1 虛擬裝配技術(shù)概述及其意義

虛擬裝配（Virtual Assembly，VA）是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計算機(jī)工具、人工智能技術(shù)和仿真技術(shù)等構(gòu)造虛擬環(huán)境，通過分析，預(yù)測產(chǎn)品模型，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行交互分析并仿真產(chǎn)品裝配過程和裝配結(jié)果。虛擬裝配技術(shù)使得飛機(jī)裝配人員能夠影響產(chǎn)品設(shè)計，從而減少制造成本并避免由于設(shè)計問題影響飛機(jī)裝配周期和成本。仿真技術(shù)能夠在設(shè)計成熟度早期階段發(fā)現(xiàn)潛在問題，消除潛在的裝配缺陷；飛機(jī)裝配工藝可利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行裝配過程仿真，從而對飛機(jī)的設(shè)計和工藝進(jìn)行評價和優(yōu)化，可提高生產(chǎn)效率，縮短產(chǎn)品裝配周期，降低成本，從而大幅提高飛機(jī)裝配專業(yè)水平。

在飛機(jī)裝配過程中，會出現(xiàn)各種不協(xié)調(diào)問題，如零件制造誤差、工裝制造誤差、鉚接變形等，虛擬裝配可基于實(shí)測模型進(jìn)行數(shù)字化裝配，通過對每個裝配件的關(guān)鍵特征進(jìn)行采集、分析，提取裝配件的實(shí)際關(guān)鍵尺寸，根據(jù)虛擬技術(shù)進(jìn)行實(shí)測值的預(yù)裝配，從而提前發(fā)現(xiàn)干涉和不協(xié)調(diào)問題，并分析出最優(yōu)協(xié)調(diào)結(jié)果，將零件最優(yōu)裝配姿態(tài)反映在實(shí)際裝配中，從而進(jìn)一步提升裝配質(zhì)量。

2 虛擬裝配在設(shè)計成熟度早期飛機(jī)裝配中的應(yīng)用

虛擬裝配技術(shù)基于軟件集成來實(shí)現(xiàn)，如Delmia軟件、Pro/E、Solidworks、UG、Flexsim等等，目前在設(shè)計成熟度早期飛機(jī)裝配中虛擬裝配技術(shù)主要采用Delmia軟件來實(shí)現(xiàn)。

Delmia（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）軟件是一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應(yīng)用軟件。我們通常使用工藝模塊和人機(jī)工程模塊，工藝模塊就是DPM模塊，用來進(jìn)行工藝驗(yàn)證，人機(jī)工程模塊用來對工人操作進(jìn)行模擬，在虛擬環(huán)境中利用三維人體模型來模擬人在實(shí)際工作環(huán)境的舒適性、可達(dá)性、可視性、操作性等。Delmia的仿真過程通過四個步驟來實(shí)現(xiàn)，從創(chuàng)建工作環(huán)境到創(chuàng)建工藝規(guī)劃再到創(chuàng)建仿真，最終優(yōu)化仿真。

2.1 創(chuàng)建工作環(huán)境

創(chuàng)建工作環(huán)境是建立仿真的第一步，其為后面的仿真工作做好準(zhǔn)備。創(chuàng)建工作環(huán)境包括設(shè)置選項(xiàng)參數(shù)、插入資源、插入產(chǎn)品三個內(nèi)容。設(shè)置選項(xiàng)參數(shù)如圖2所示。一般在插入資源時，插入工裝數(shù)模、工具數(shù)模、人員模型等，如圖3所示。在插入產(chǎn)品時，插入產(chǎn)品數(shù)模，如圖4所示。

圖2 設(shè)置選項(xiàng)參數(shù)

圖3 插入資源

圖4 插入產(chǎn)品

2.2 創(chuàng)建工藝規(guī)劃

首先創(chuàng)建Process Library，相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)存放庫，插入Process Library后進(jìn)行一系列動作的創(chuàng)建。工藝規(guī)劃是創(chuàng)建裝配仿真一個必不可少的重要環(huán)節(jié)。

2.3 創(chuàng)建仿真

通過創(chuàng)建基本動作來實(shí)現(xiàn)裝配仿真的創(chuàng)建，確定產(chǎn)品對象項(xiàng)目和資源項(xiàng)目的初始狀態(tài)沒有任何干涉，對它們的初始狀態(tài)進(jìn)行記錄，通過移動產(chǎn)品，進(jìn)行再一次行程記錄，達(dá)到最終需要狀態(tài)。運(yùn)動軌跡生成圖如圖5所示。

圖5 運(yùn)動軌跡生成

2.4 優(yōu)化仿真

包括創(chuàng)建文本注釋、創(chuàng)建視角、創(chuàng)建可視度、創(chuàng)建暫停和延遲、創(chuàng)建文本框信息。

2.5 裝配干涉的仿真

在虛擬環(huán)境中，依據(jù)裝配流程，通過對零件、組件、部件或工裝在裝配過程中與其他零件、組件、部件或工裝發(fā)生碰撞，不能達(dá)到裝配正確位置的情況進(jìn)行裝配仿真，幫助飛機(jī)裝配工藝人員分析干涉原因，進(jìn)一步改進(jìn)裝配流程或優(yōu)化產(chǎn)品數(shù)模。

2.6 裝配順序的仿真

在虛擬環(huán)境中，依據(jù)現(xiàn)有裝配流程，對于零件、組件、部件裝配順序進(jìn)行仿真，能直觀地發(fā)現(xiàn)零件、組件、部件是否能夠按照工藝設(shè)計裝配流程執(zhí)行下去，找到最優(yōu)裝配順序，提前避免因裝配流程導(dǎo)致的生產(chǎn)周期延誤等問題。

2.7 人機(jī)工程的仿真

Delmia軟件能根據(jù)國家、性別、身高、體重、承載能力等參數(shù)自動生成人體模型，在飛機(jī)裝配中可以根據(jù)操作工人體型來設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人體模型與真正操作工人的一致性，是做仿真的必要基礎(chǔ)。一些特殊部位的工作環(huán)境，空間狹小的鉆孔、鉚接、螺接、涂膠等工作，可利用Delmia人機(jī)工程來進(jìn)行仿真，設(shè)定具體參數(shù)，模擬真實(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場情況，提前發(fā)現(xiàn)并解決問題。人機(jī)工程模塊人體模型參數(shù)值的設(shè)置如圖6所示。將設(shè)置好的人體模型插入產(chǎn)品環(huán)境中，對人行走、抓取、定位等姿態(tài)進(jìn)行評估，利用數(shù)字化環(huán)境中的任務(wù)仿真工具，發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計中與人相關(guān)的錯誤，進(jìn)行針對空間開敞性的檢查、可操作性的檢查、可視性的檢查、安全性能的檢查等。

2.8 工藝布局的仿真

在三維工藝布局設(shè)計中，針對產(chǎn)品物流、標(biāo)準(zhǔn)件物流、零件物流、信息物流按3P模擬出最優(yōu)結(jié)果，按照設(shè)計好的工藝流程進(jìn)行產(chǎn)品、資源、流程及操作者之間的三維動態(tài)仿真，使現(xiàn)場更加符合工藝布局原則。工藝布局仿真為產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計、工藝設(shè)計、裝配方案提供了可靠的依據(jù)，能夠縮短生產(chǎn)周期，降低裝配制造成本，提高裝配技術(shù)水平。

3 虛擬裝配在設(shè)計成熟度后期飛機(jī)裝配中的應(yīng)用

圖6 人體模型參數(shù)設(shè)置

虛擬裝配技術(shù)正在迅速發(fā)展，從傳統(tǒng)的以實(shí)物為主的裝配方法+設(shè)計模型為基礎(chǔ)的虛擬預(yù)裝配發(fā)展到以測量模型為基礎(chǔ)的虛擬預(yù)裝配。飛機(jī)數(shù)字化預(yù)裝配是在數(shù)字化產(chǎn)品的基礎(chǔ)上利用計算機(jī)模擬裝配的全過程，因?yàn)檎鎸?shí)零組件會受加工、裝配、受力變形等因素影響，并不能與數(shù)字化模型保持完全一致，如圖7所示，因此以實(shí)測零件模型為基礎(chǔ)的虛擬預(yù)裝配是發(fā)展趨勢。虛擬預(yù)裝配離不開多樣化、快速化、自動化的數(shù)字化測量手段，如激光雷達(dá)、激光掃描儀、拍照測量技術(shù)等。

圖7 基于實(shí)測模型的虛擬預(yù)裝配流程

實(shí)測模型建立了虛與實(shí)的閉環(huán)，通過數(shù)字化測量與實(shí)際零組件之間不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息交互完善，利用數(shù)字化測量+預(yù)裝配軟件（如CATIA）+公差分析（如VSA）等一系列的虛擬裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)更好更快地裝配。

4 結(jié)語

虛擬裝配的應(yīng)用能大幅提高飛機(jī)裝配水平，在設(shè)計成熟度不同階段開展虛擬仿真工作，采用虛擬裝配技術(shù)使得飛機(jī)裝配能夠真正地在高效、高質(zhì)量、短時間、低成本的環(huán)境下完成。從產(chǎn)品裝配過程上講，它是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度要求，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶交互式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。

虛擬裝配是對裝配過程中的干涉情況及人機(jī)工效進(jìn)行分析，通過對裝配順序、裝配空間、裝配路徑、人機(jī)工效等方面存在的問題進(jìn)行優(yōu)化，對裝配路徑的改進(jìn)、工藝流程的重新設(shè)計調(diào)整，得到合理的裝配工藝，從而提高裝配技術(shù)水平。