飞机虚拟装配技术应用及发展趋势分析

张星宇

【摘 要】本文首先阐述了虚拟装配技术概述，接着分析了虚拟装配技术概念及在飞机研制中的应用，最后对虚拟装配技术应用问题讨论及展望进行了探讨。希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。

【关键词】飞机;虚拟装配;工艺;产品

引言

产品装配设计是产品设计中任务量最大、用时最长的程序。据统计，在工业发达的国家和地区，产品生产过程中约33%的人工专注于产品装配相关工作，超过40%的生产成本用于产品的装配和调试，50%以上的制造时间花费在与装配有关的活动中。飞机外形复杂、部附件数目庞大、装配精度要求高，装配和安装工作的劳动量占飞机制造总劳动量的50%～60%，可见对虚拟装配技术知识在飞机制造中的应用进行探索十分紧迫。

1 虚拟装配技术概述

随着信息技术的迅速变革及其与制造业的不断融合，先进的数字化设计制造技术逐渐取代了简单的叠加设计制造形式，将串行工作模式转变为并行工作模式，给飞机设计制造业带来了巨大的、突破性的发展。并行工程侧重于产品的并行设计，强调开发人员从产品的初始阶段开始就考虑产品生命周期各个阶段的所有需求，包括质量、成本、进度和用户需求。

当前的国内外设计制造单位普遍应用数字化预装配技术。开发工程师利用鼠标、键盘与显示器等二维设备进行交互操作，仿真产品的几何模型，在零件加工前完成检测。但是，鼠标、键盘和屏幕等交互设备具有一些缺陷。选用数据手套、头盔显示器等高端三维信号传输工具可解决这一缺陷，在虚拟环境中，产品模型的交互与行为表现均接近真实物体，开发工程师不需使用实体样机即可对产品设计结果展开质量检验，以保障产品的可制造性、可装配性、可维修性和循环使用性。

2 虚拟装配技术概念及在飞机研制中的应用

2.1 虚拟现实技术

虚拟现实是一种协同计算机、传感器测量、模拟仿真于微电子等领域的媒介，通过感知或接收感官体验反馈为用户创造的三维环境的仿真世界。典型虚拟现实系统共有3类。第一，沉浸式虚拟现实系统，用密闭的场景和声音系统将用户的眼耳器官与现实世界分离，使用户身处计算机编程而建的虚拟环境中。第二，非沉浸式虚拟现实系统，通过部分实物叠加计算机模拟的三维场景服务用户。此系统无需感官反馈设备，可多用户参与，且费用较低，但其带入性和沉浸性较差。第三，将沉浸式虚拟现实系统和非沉浸式虚拟现实系统相结合的叠加虚拟现实系统，不仅满足了用户体验真实环境的需要，而且在观察点（即真实环境）上叠加了虚拟图像，例如新型电动汽车虚拟样机的检测。

2.2 虚拟装配技术的定义

虚拟装配技术是虚拟现实技术、计算机辅助设计技术、计算机图形学、人工智能技术和仿真技术等众多虚拟现实技术与产品装配设计融合而成的产物，仅依靠计算机等模拟仿真工具，不需借助产品实体、工艺装备资源或者支持过程的实际运作。在虚拟装配环境中，运用分析、预建模、可视化与数据表示等环节，经过多次协调，确定装配件最佳位置，以实现或者辅助实现与装配有关的工程决断。目前的虚拟装配技术逐渐趋于集成化。典型的集成方案是直接在系统中使用三维操作和语音命令，区别于传统的信息单向传递，及时创建、修改、操纵和观察基于约束的模型，再进行虚拟装配并反馈到其他设计环节中，这种方案明显比传统CAD模型更高效。另一种集成方案为：在CAD系统中添加VR功能模块，开发虚拟装配环境。此方案的继承性和规范性良好，CAD的相关算法和接口直接适用，但目前相关理论、技术不够完善。

2.3 虚拟装配技术在飞机研制中的应用

论证和方案阶段仅占飞机设计总研制工作量或成本的20%～30%，却占设计方案技术可行性论证的70%～80%。针对国内飞机制造单位装配技术落后的情况，根据飞机虚拟装配场景工艺，提出基于PPR的飞机虚拟装配场景工艺数据模型，并根据其特点，开发各系统之间及其内部各分系统的集成平台，以实现信息交互。大型飞机构成复杂，组成零部件众多，且安装拆卸困难，为解决利用人力模拟飞机水平尾翼的装配问题，利用delmia软件对人员行为进行实时跟踪模拟仿真，以更好地服务生产。飞机总体布置工作量庞大，且受结构空间的影响，所以飞机制造单位在设计阶段应用数字化预装配技术，在保证客舱和货舱空间的基础上，了解虚拟装配技术的工作原理和实施过程，并以某型短程支线飞机为例，对其装配步骤与装配途径进行设置，最终此短程支线飞机的装配在计算机虚拟环境中得以实现。

3 虚拟装配技术应用问题讨论及展望

在后机身零部件生产、后机身实际装配过程中还是发现了一些问题，进而发现虚拟装配技术还存在一定的局限性，这些局限性必定成为日后发展的方向，其分别为：

3.1 基于零部件生产模型的虚拟装配

在现有的虚拟装配过程中，零部件均是基于零部件设计模型，没有考虑到零部件生产过程中加工过程引起的零部件变形、零部件缺陷、零部件表面处理等问题。导致在真实装配过程中还是出现了较多问题。基于零部件生产模型的虚拟装配技术将成为日后发展的方向。

3.2 基于零部件变形技术的虚拟装配技术

在真实零部件装配过程中，零部件在自身重力下会出现变形或者受力不均等问题，这些问题严重影响了实际的装配过程。在飞机等大型机械设备上这个问题尤其突出。日后的虚拟装配技术将需要与CAE技术相结合，实现在虚拟裝备过程中考虑到零部件装配过程中的受力和变形问题，提高虚拟装配的真实性，尽量减少真实装配中的问题。

结束语

简单阐述了虚拟装配的相关概念和方案，并举例说明了虚拟装配技术在飞机研制中的应用，进一步说明研究虚拟装配技术对提高飞机质量、市场竞争力和降低成本都十分有意义。

参考文献：

[1]刘贡平.飞机装配过程质量数据深度分析与控制[J].中国新技术新产品.（14）

[2]赵建国，邓春利，郭洪杰，于思阳.飞机装配协同测量技术应用[J].航空制造技术.2018（13）

[3]曲学军，孟飙.飞机装配工艺装备保障状态的多层次综合评价方法[J].制造业自动化.2017（01）

（作者单位：中航飞机股份有限公司）