飛機(jī)虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢分析

張星宇

【摘?要】本文首先闡述了虛擬裝配技術(shù)概述，接著分析了虛擬裝配技術(shù)概念及在飛機(jī)研制中的應(yīng)用，最后對虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用問題討論及展望進(jìn)行了探討。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有益的參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī);虛擬裝配;工藝;產(chǎn)品

引言

產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中任務(wù)量最大、用時(shí)最長的程序。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)，產(chǎn)品生產(chǎn)過程中約33%的人工專注于產(chǎn)品裝配相關(guān)工作，超過40%的生產(chǎn)成本用于產(chǎn)品的裝配和調(diào)試，50%以上的制造時(shí)間花費(fèi)在與裝配有關(guān)的活動中。飛機(jī)外形復(fù)雜、部附件數(shù)目龐大、裝配精度要求高，裝配和安裝工作的勞動量占飛機(jī)制造總勞動量的50%～60%，可見對虛擬裝配技術(shù)知識在飛機(jī)制造中的應(yīng)用進(jìn)行探索十分緊迫。

1 虛擬裝配技術(shù)概述

隨著信息技術(shù)的迅速變革及其與制造業(yè)的不斷融合，先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)逐漸取代了簡單的疊加設(shè)計(jì)制造形式，將串行工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿泄ぷ髂Ｊ?，給飛機(jī)設(shè)計(jì)制造業(yè)帶來了巨大的、突破性的發(fā)展。并行工程側(cè)重于產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)開發(fā)人員從產(chǎn)品的初始階段開始就考慮產(chǎn)品生命周期各個(gè)階段的所有需求，包括質(zhì)量、成本、進(jìn)度和用戶需求。

當(dāng)前的國內(nèi)外設(shè)計(jì)制造單位普遍應(yīng)用數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)。開發(fā)工程師利用鼠標(biāo)、鍵盤與顯示器等二維設(shè)備進(jìn)行交互操作，仿真產(chǎn)品的幾何模型，在零件加工前完成檢測。但是，鼠標(biāo)、鍵盤和屏幕等交互設(shè)備具有一些缺陷。選用數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器等高端三維信號傳輸工具可解決這一缺陷，在虛擬環(huán)境中，產(chǎn)品模型的交互與行為表現(xiàn)均接近真實(shí)物體，開發(fā)工程師不需使用實(shí)體樣機(jī)即可對產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果展開質(zhì)量檢驗(yàn)，以保障產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、可維修性和循環(huán)使用性。

2 虛擬裝配技術(shù)概念及在飛機(jī)研制中的應(yīng)用

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)是一種協(xié)同計(jì)算機(jī)、傳感器測量、模擬仿真于微電子等領(lǐng)域的媒介，通過感知或接收感官體驗(yàn)反饋為用戶創(chuàng)造的三維環(huán)境的仿真世界。典型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)共有3類。第一，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，用密閉的場景和聲音系統(tǒng)將用戶的眼耳器官與現(xiàn)實(shí)世界分離，使用戶身處計(jì)算機(jī)編程而建的虛擬環(huán)境中。第二，非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，通過部分實(shí)物疊加計(jì)算機(jī)模擬的三維場景服務(wù)用戶。此系統(tǒng)無需感官反饋設(shè)備，可多用戶參與，且費(fèi)用較低，但其帶入性和沉浸性較差。第三，將沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和非沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相結(jié)合的疊加虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，不僅滿足了用戶體驗(yàn)真實(shí)環(huán)境的需要，而且在觀察點(diǎn)（即真實(shí)環(huán)境）上疊加了虛擬圖像，例如新型電動汽車虛擬樣機(jī)的檢測。

2.2 虛擬裝配技術(shù)的定義

虛擬裝配技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能技術(shù)和仿真技術(shù)等眾多虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)融合而成的產(chǎn)物，僅依靠計(jì)算機(jī)等模擬仿真工具，不需借助產(chǎn)品實(shí)體、工藝裝備資源或者支持過程的實(shí)際運(yùn)作。在虛擬裝配環(huán)境中，運(yùn)用分析、預(yù)建模、可視化與數(shù)據(jù)表示等環(huán)節(jié)，經(jīng)過多次協(xié)調(diào)，確定裝配件最佳位置，以實(shí)現(xiàn)或者輔助實(shí)現(xiàn)與裝配有關(guān)的工程決斷。目前的虛擬裝配技術(shù)逐漸趨于集成化。典型的集成方案是直接在系統(tǒng)中使用三維操作和語音命令，區(qū)別于傳統(tǒng)的信息單向傳遞，及時(shí)創(chuàng)建、修改、操縱和觀察基于約束的模型，再進(jìn)行虛擬裝配并反饋到其他設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，這種方案明顯比傳統(tǒng)CAD模型更高效。另一種集成方案為：在CAD系統(tǒng)中添加VR功能模塊，開發(fā)虛擬裝配環(huán)境。此方案的繼承性和規(guī)范性良好，CAD的相關(guān)算法和接口直接適用，但目前相關(guān)理論、技術(shù)不夠完善。

2.3 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)虛擬裝配場景工藝，提出基于PPR的飛機(jī)虛擬裝配場景工藝數(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，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)。

3 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：

3.1 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?；诹悴考a(chǎn)模型的虛擬裝配技術(shù)將成為日后發(fā)展的方向。

3.2 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。

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)對提高飛機(jī)質(zhì)量、市場競爭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）