虚拟装配技术在飞机装配中的应用

张庆辉

（航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，陕西西安710089）

0 引言

飞机装配过程就是将大量的飞机零件按照设计图纸、数模及技术文件等进行组合、连接的过程，飞机装配流程如图1所示。由于飞机结构复杂，零件数量巨大，协调关系繁多，因此飞机装配是一项难度大、标准高、技术要求极其严格的制造技术。现阶段，飞机研制开始实施设计成熟度阶段工艺并行工作，飞机装配工艺人员在此过程中对于产品设计起着决定性作用，因此飞机装配工艺人员在并行工作中就要考虑如何提高飞机装配水平这一不可逾越的问题。

图1 飞机装配流程图

1 虚拟装配技术概述及其意义

虚拟装配（Virtual Assembly，VA）是指利用虚拟现实技术、计算机工具、人工智能技术和仿真技术等构造虚拟环境，通过分析，预测产品模型，对产品数据进行交互分析并仿真产品装配过程和装配结果。虚拟装配技术使得飞机装配人员能够影响产品设计，从而减少制造成本并避免由于设计问题影响飞机装配周期和成本。仿真技术能够在设计成熟度早期阶段发现潜在问题，消除潜在的装配缺陷；飞机装配工艺可利用虚拟仿真技术进行装配过程仿真，从而对飞机的设计和工艺进行评价和优化，可提高生产效率，缩短产品装配周期，降低成本，从而大幅提高飞机装配专业水平。

在飞机装配过程中，会出现各种不协调问题，如零件制造误差、工装制造误差、铆接变形等，虚拟装配可基于实测模型进行数字化装配，通过对每个装配件的关键特征进行采集、分析，提取装配件的实际关键尺寸，根据虚拟技术进行实测值的预装配，从而提前发现干涉和不协调问题，并分析出最优协调结果，将零件最优装配姿态反映在实际装配中，从而进一步提升装配质量。

2 虚拟装配在设计成熟度早期飞机装配中的应用

虚拟装配技术基于软件集成来实现，如Delmia软件、Pro/E、Solidworks、UG、Flexsim等等，目前在设计成熟度早期飞机装配中虚拟装配技术主要采用Delmia软件来实现。

Delmia（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）软件是一款数字化企业的互动制造应用软件。我们通常使用工艺模块和人机工程模块，工艺模块就是DPM模块，用来进行工艺验证，人机工程模块用来对工人操作进行模拟，在虚拟环境中利用三维人体模型来模拟人在实际工作环境的舒适性、可达性、可视性、操作性等。Delmia的仿真过程通过四个步骤来实现，从创建工作环境到创建工艺规划再到创建仿真，最终优化仿真。

2.1 创建工作环境

创建工作环境是建立仿真的第一步，其为后面的仿真工作做好准备。创建工作环境包括设置选项参数、插入资源、插入产品三个内容。设置选项参数如图2所示。一般在插入资源时，插入工装数模、工具数模、人员模型等，如图3所示。在插入产品时，插入产品数模，如图4所示。

图2 设置选项参数

图3 插入资源

图4 插入产品

2.2 创建工艺规划

首先创建Process Library，相当于一个数据存放库，插入Process Library后进行一系列动作的创建。工艺规划是创建装配仿真一个必不可少的重要环节。

2.3 创建仿真

通过创建基本动作来实现装配仿真的创建，确定产品对象项目和资源项目的初始状态没有任何干涉，对它们的初始状态进行记录，通过移动产品，进行再一次行程记录，达到最终需要状态。运动轨迹生成图如图5所示。

图5 运动轨迹生成

2.4 优化仿真

包括创建文本注释、创建视角、创建可视度、创建暂停和延迟、创建文本框信息。

2.5 装配干涉的仿真

在虚拟环境中，依据装配流程，通过对零件、组件、部件或工装在装配过程中与其他零件、组件、部件或工装发生碰撞，不能达到装配正确位置的情况进行装配仿真，帮助飞机装配工艺人员分析干涉原因，进一步改进装配流程或优化产品数模。

2.6 装配顺序的仿真

在虚拟环境中，依据现有装配流程，对于零件、组件、部件装配顺序进行仿真，能直观地发现零件、组件、部件是否能够按照工艺设计装配流程执行下去，找到最优装配顺序，提前避免因装配流程导致的生产周期延误等问题。

2.7 人机工程的仿真

Delmia软件能根据国家、性别、身高、体重、承载能力等参数自动生成人体模型，在飞机装配中可以根据操作工人体型来设定参数，实现人体模型与真正操作工人的一致性，是做仿真的必要基础。一些特殊部位的工作环境，空间狭小的钻孔、铆接、螺接、涂胶等工作，可利用Delmia人机工程来进行仿真，设定具体参数，模拟真实生产现场情况，提前发现并解决问题。人机工程模块人体模型参数值的设置如图6所示。将设置好的人体模型插入产品环境中，对人行走、抓取、定位等姿态进行评估，利用数字化环境中的任务仿真工具，发现工艺设计中与人相关的错误，进行针对空间开敞性的检查、可操作性的检查、可视性的检查、安全性能的检查等。

2.8 工艺布局的仿真

在三维工艺布局设计中，针对产品物流、标准件物流、零件物流、信息物流按3P模拟出最优结果，按照设计好的工艺流程进行产品、资源、流程及操作者之间的三维动态仿真，使现场更加符合工艺布局原则。工艺布局仿真为产品设计、工装设计、工艺设计、装配方案提供了可靠的依据，能够缩短生产周期，降低装配制造成本，提高装配技术水平。

3 虚拟装配在设计成熟度后期飞机装配中的应用

图6 人体模型参数设置

虚拟装配技术正在迅速发展，从传统的以实物为主的装配方法+设计模型为基础的虚拟预装配发展到以测量模型为基础的虚拟预装配。飞机数字化预装配是在数字化产品的基础上利用计算机模拟装配的全过程，因为真实零组件会受加工、装配、受力变形等因素影响，并不能与数字化模型保持完全一致，如图7所示，因此以实测零件模型为基础的虚拟预装配是发展趋势。虚拟预装配离不开多样化、快速化、自动化的数字化测量手段，如激光雷达、激光扫描仪、拍照测量技术等。

图7 基于实测模型的虚拟预装配流程

实测模型建立了虚与实的闭环，通过数字化测量与实际零组件之间不断进行数据和信息交互完善，利用数字化测量+预装配软件（如CATIA）+公差分析（如VSA）等一系列的虚拟装配技术，实现飞机更好更快地装配。

4 结语

虚拟装配的应用能大幅提高飞机装配水平，在设计成熟度不同阶段开展虚拟仿真工作，采用虚拟装配技术使得飞机装配能够真正地在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成。从产品装配过程上讲，它是根据产品设计的形状特性、精度要求，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户交互式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。

虚拟装配是对装配过程中的干涉情况及人机工效进行分析，通过对装配顺序、装配空间、装配路径、人机工效等方面存在的问题进行优化，对装配路径的改进、工艺流程的重新设计调整，得到合理的装配工艺，从而提高装配技术水平。