飞机数字化装配生产线布局仿真技术研究

王 巍，俞鸿均，安宏喜，谷天慧

（沈阳航空航天大学 航空航天工程学部，沈阳 110136）

0 引言

由于飞机装配零件数量巨大、形状复杂、材料多类、价值较高等特点，装配复杂度高、难度大、对现场操作工人要求比较严格[1]。国内外航空制造企业发展飞机数字化装配柔性化、自动化移动式装配生产线技术已迫在眉睫，然而针对不同的生产任务，快速合理地配置制造资源，规划生产线，前期布局生产线仿真技术得到了快速的发展。对于飞机装配生产线的布局设计模型构建有很多种方式表达，但目前生产线建模仿真软件存在诸多方面的不足：建模周期长、建模依赖人的经验、方案修改较慢、可视化效果不明显、缺少智能建模机制，对其生产线厂房及内部设备、工装、产品布局及装配工艺全局可视化仿真方面研究为数不多。

飞机数字化装配生产线布局设计是一个高投资、高风险过程。国外已运行的复杂制造系统（特别是FMS）约有80% 都没有完全达到设计要求，其中60%都是由于初期布局不合理或失误而造成的[2]。用传统的方法对飞机装配生产线设计、实施与控制很难达到预期的效果，通过图纸及实际场景采样图像观测方法，可以表达生产线布局部分造型，但这只是对于大概的布局表面化的了解，具有相当的局限性。因而，研究飞机数字化装配生产线三维虚拟仿真技术，成为当前飞机数字化制造一种行之有效的实验方法，已经广泛深入地应用在制造系统的设计、运作和优化中。如图1所示。

图1 某飞机装配生产线

就飞机数字化装配生产线布局而言，可对生产线不同的布局方案进行参数化仿真表达，在虚拟的空间内对生产线布局从多角度进行真实感还原，找出系统方案可能存在的问题，通过修改和调整参数、运行并进行比较，可寻求较优的规划方案。

飞机数字化装配生产线布局较复杂，外形的表达与观察方式比较局部，全方位的表达需求始终存在，由于软件本身与存贮量的局限性，大部分软件很难将生产线布局全方位的视觉表达及可参考价值比较局限。CATIA，ProE，UG，SolidWorks，DELMIA等具有仿真模块类软件对复杂的设备建模周期较长，建立生产线的仿真透视上比较局限。这些软件也很难对模型进行真实材质赋予，在形态与材质上的表达较欠缺。提供仿真方法只是对生产系统运行过程的模拟，而快速验证与选择生产线布局设计方案、运作方式、生产节拍合理性、设备利用率的合理匹配、车间生产能力等并没有详细表达与全局显示。

针对以上问题，详细阐述了生产线布局设计关键技术，对飞机数字化装配生产线可视化仿真快速建模与仿真方法等方面进行分析，并对Maya软件实际操作流程进行模块化的分析图解，按照操作流程，建立基于某型飞机机翼对接生产线模型，静态及动态的演示与表达。通过Maya软件在数字化生产线布局仿真技术的运用，解决了其他仿真软件在生产线布局仿真方面不足问题，方便设计者在设计之初快速得到合理的参考，加快飞机数字化装配生产线的研制。

1 飞机数字化装配生产线关键技术

飞机数字化装配生产线布局是根据产品装配类型（部装，总装）、生产批次纲领、装配工艺规程等主要因素选择柔性工装、测量与检测设备、存贮与停放设备、输送设备、物流管理并结合车间场地、空间的结构特点、装配工艺约束以及人员的分布合理布局。通过对柔性制造技术、自动化装配技术、数字化测量技术、精益制造及信息化等先进技术应用设备与规划进行集成[5]。不同机型数字化装配生产线采用模块化结构的自动化装配系统，关键技术如图2所示。

图2 生产线关键技术

在生产线布局仿真时主要通过各项关键技术进行布局仿真。建立数字化测量系统（包括激光跟踪仪、三坐标测量仪、激光传感器等）实时跟踪工装装配与产品装配时位置仿真，为装备的精确加工、产品位姿调整和对接装配提供依据。针对几种型号飞机零部件特点，多自由度柔性定位方法，建立基于误差反馈的多自由度联动，实现在容差约束下零部件定位误差实时调整仿真，保证多型号零部件装配准确度要求。建立自动钻铆机、钻铆过程刀具精准定位机械加工仿真，实现机构柔性化、钻铆定位精准化，提高装配后零部件装配精度和效率。建立装配单元多系统协同控制、集成管理物流仿真，满足各种需求的物流编码识别、监控和输送系统仿真，实现飞机数字化生产线集成控制可视化参考。

2 飞机数字化装配生产线布局仿真

布局仿真所用的设备模型制作与一般工程类的软件制作的模型有所不同，如自动钻铆机，柔性工装，电力控制室，移动小车等可直接依据其外形进行对应的真实模型构建，前期快速建模与生产线布局效果如图3所示。

图3 后机身部分生产线工位

飞机数字化装配生产线布局上所用的设备、工装等模型不仅是对外形的建模与模型处理，而且对辅助设备的停放空间及柔性工装等复杂装置内部结构的构造同等重要，在保证生产线布局与工艺仿真等功能完整的情况下实施渲染最终完整表达。

2.1 仿真技术软件对比

应用于飞机装配生产线仿真领域三维软件较多，如软件ProE，CATIA，DALMIA及一些三维实体效果的动画软件3DMAX等，相比之下该类软件在可视化效果表达之中缺乏有相应的灵活性。飞机数字化装配生产线众多软件在模型制作及效果处理中，软件Maya作为前期生产线快速建模与布局仿真参考已经得到了许多工程领域的应用。Maya在快速建模的过程中操作非常灵活，在材质和灯光处理方面也表现了强大的优势[4]。从生产线各方面引用来看，Maya的功能较齐全且便利，在飞机装配生产线前期方案布局仿真中深入的应用，为前期生产线虚拟规划参考具有重要意义。

2.2 制作流程分析

图4 模型制作流程图

飞机数字化装配生产线的设备、工装等布局三维模型的构建都需要参数化，在生产线布局上所用设备、工装等三维数字建模时，通过大量的收集相关实景采样图像和矢量图片，运用形态学原理对生产线布局所用模型外形尺寸进行形态分析，推测和模拟。生产线所用模型在Maya中制作流程如图4所示。

对飞机装配生产线上现有CATIA参数化的三维模型可以直接转换格式导入到Maya软件中进行虚拟仿真动态效果的制作。CATIA模型导入到Maya软件中转换方法如图5所示。

图5 模型转换格式及流程

2.3 数字化生产线仿真动态演示

仿真动态效果越来越广泛的应用和足够的重视，使生产线虚拟运转对前期布局参考较重要。飞机装配生产线的运行利用Maya做仿真主要有以下几种目的：

1）飞机装配生产线的全局布局进行三维立体全方位的展示，同时可以做3D效果；

2）模拟生产线上设备、工装等运行过程；统计设备的生产能力，对设备模型按照不同阶段与工时优化选取随时进行修改；

3）对整个装配生产线上所用设备系统、厂房配置及人员的分布进行真实的画面展示；

4）对生产线上产品与设备的整体布局在仿真运行时干涉和各种突发问题及时可视化解决。

Maya动画仿真模块，如离子碰撞，炸弹爆炸，物理化学现象分析等，对于生产线的仿真动画可以采用简单的序列帧制作，具体制作流程如图6所示。

图6 仿真动画输出流程图

飞机数字化装配生产线仿真动画和一般的展示动画有所不同，展示动画就是对生产线的全局进行动画演示，外形的准确把握，画面的调整及展示的角度相对比较重要，生产线装配动画包括设备内部结构、某个工位加工、装配过程与关键技术原理等都需表达，部分工位调整局部细节展示。

3 某型飞机机翼对接数字化装配生产线仿真

某型飞机机翼对接数字化生产线的布局包括产品、柔性工装、测量设备、机器人自动钻铆机与辅助设备等，通过对该模型的分析与建模，对产品及设备模型优化，最终完成生产线的布局仿真。

3.1 对产品及设备模型分析与建模

某型飞机机翼装配采用脉动流水线型的装配工艺过程，这就需要对装配线的布局、装配工艺过程所需的设备和模型内部结构有一个初步的计划，根据布局上所用设备及产品，对比现有图片和产品模型对整体形态初步理解。结合实际产品图片样式，对布局所用设备具体分析、优化与参考。Maya软件建模通常都选用Polygon，即多边形，层级来建立模型。用Maya建模命令做出的六自由度机械手如图7所示。

图7 六自由度机械手模型

对于多边形快速建模优势有很多，主要有点线面可以自由转换，边缘线可根据不同的模型需求随时添加和删除，对于倒角和圆角过渡的地方可直接光滑显示。对于机械手这种整体以圆柱形和矩形来表达模型构建与修改也是较方便。激光跟踪仪的模型表达如图8所示。

图8 激光跟踪仪模型

此类模型主要在curve命令下建模，对于柔性线缆的建模有优势，可以改变主曲线变化从而改变线缆模型变化。多数情况下在生产线上所用的设备模型，在前期建模阶段，没有相关的准确数据进行参数化建模，通常根据物体（数控机床，测量仪器，制孔与钻铆设备等）二维图形或形态学原理来构建，构建时为增加模型的真实性，利用插入循环边工具和面挤出等命令进行线面互相添加达到仿真效果。在建立模型时常用的几种命令为Extrude，Merge，Insert loop edge，Split Polygon Tool，以及CV Curve Tool等，通过各种命令与点线面之间的转换，将生产线布局在初期参考方案中通过虚拟三维技术得到数字化全方位的体现。

3.2 对产品及设备模型优化

模型无论是从CATIA软件IGS格式导入到Maya中的模型，还是用Maya构建的模型，都可以得到飞机机翼对接数字化装配生产线上所用的三维数字模型的原型。选取要细化的部分重新构建和细化，达到与实际效果相符。在细化的过程中为了做出仿真动态效果对原始模型拆分，有效部分提取，特殊细节重新比对制作，最终完成模型。Maya建模检验与校正之后，对模型最后的材质进行赋予部分进行绘制，用UV分割命令贴图及最后渲染完成。利用UV编辑器对模型的各部位贴图时，通常将分好UV点的贴图以图片PNG，TIFF或JPG的形式导出，在图片处理软件当中进行细化贴图绘制。清晰明确的表达数字化生产线布局所使用设备外观及部分内部结构的构成。某型飞机机翼对接装配生产线上模型仿真制作效果如图9所示。

图9 机翼对接生产线表达效果

4 结束语

通过介绍飞机数字化装配生产线布局关键技术，数字化仿真表达需求及操作方法，对部分工程类软件应用领域的介绍对比，研究了在飞机数字化装配生产线上布局仿真技术与该软件技术表达后的效果及优势。对于这种软件技术的引进和应用不仅提高了在信息表达上的真实感，更对装配生产线的前期布局方案的参考有重要意义。这种技术在各项目中成功应用证明了该技术的可靠性和前沿性。目前国内飞机装配生产线的研究起步较晚但进展比较迅速，因而将生产线的布局提前表达作为后期方案规划参考非常重要。

[1] 范玉清,梅中义,陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京航空工业出版社,2011.

[2] 毕利文,唐晓东,杨红宇.飞机数字化装配工艺仿真技术[J].航空制造技术,2008,20:48-50.

[3] 皮兴忠.装配线平衡和仿真技术的研究与应用[D].上海交通大学,2002.

[4] 董梁,高文婷.Maya完全学习手册[M].北京:清华大学出版社,2005.

[5] 黄雪梅,赵明扬,陈书宏.数字化生产线离散制造过程仿真研究[J].计算机工程与应用,2006.