杨静思

摘要：随着工业的发展，大型机械装备的设计、制造，尤其航空航天、军事装备领域发展较为迅速。大型装备的设计与生产带来的问题就是产品结构复杂、装配复杂，导致设计、生产过程经常出现差错。上个世纪80年代虚拟现实的概念提出，促进了大型装备虚拟装配技术的出现并迅速发展。虚拟装配就是充分利用现代信息技术，在虚拟的环境中开展产品设计、产品制造与产品装配，在生产之前完成装配过程，提前发现问题，减小差错。本文针对虚拟装配技术总结了其研究方向和研究重点，并基于工艺为中心的虚拟装配技术开展了飞机后机身模型构建、工艺设计、虚拟装配等工作。结合飞机后机身虚拟装配技术，跟踪后机身零部件生产、实际装配工作，总结和分析了虚拟装配技术在应用方面的问题。针对问题开展了虚拟装配技术发展趋势分析。

关键词：飞机;虚拟装配;工艺;产品

0  引言

虚拟装配技术主要是实现了两个层次的映射，第一个映射就是通过底层的产品虚拟模型实现对产品物理模型的映射，第二個映射就是利用虚拟的装配仿真实现真实物理装配过程。虚拟装配是虚拟制造研究领域的重要研究分支，其是许多先进学科领域知识的综合集成与应用，它以数字化建模技术，计算机仿真技术，分析优化技术为基础，在产品设计阶段或产品制造之前，实时、并行地模拟出产品的未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、成本和可制造性，以达到产品的开发周期和成本的最优化，生产效率的最高化之目的。

1  虚拟装配技术及研究方向

1.1 以产品设计为中心的虚拟装配技术研究

虚拟装配的重要内容就是产品的研发，其主要功能就是在虚拟环境中实现产品的组装，以产品设计为中心的虚拟装配技术就是专注产品各个部件之间的因素制约，并依据设计原理开展各个部件的设计与装配。以产品设计为中心的虚拟装配的目的就是实现各部件之间制约关系的定量分析，在各个约束下实现最优设计，解决部件设计的瑕疵和错误，并开展设计优化与设计更改，最终实现产品的最优设计方案。这种设计可以在经济成本、人机工程、环保等社会因素上实现最优，促进产品的成功。

1.2 以工艺规划为中心的虚拟装配技术研究

虚拟装配技术一个重要方面就是针对产品的各个部件设计完成后，利用虚拟现实的概念，借助现代信息技术，采用电子计算机生产的虚拟环境下实现产品各个部件装配工艺设计，并针对产品特点计算和分析装配的最优工艺方案，指导实际的产品生产与装配工作。以工艺规划为中心的虚拟装配可以分为系统级装配规划和作业级装配规划两个层次。系统级装配关注的是产品的总体规划，涉及的方面比较广，主要有产品的市场需求怎样、产品的投资状况、产品的生产规模、产品的生产周期、产品生产的资源分配情况、装配车间的布置情况等等内容，这些均是产品装配的纲领性文件。作业级的装配规划主要就是产品的装配顺序规划、产品的装配路径规划、产品的工艺路线规划、产品装配的操作路线干涉计算分析等等内容。

1.3 以虚拟原型为中心的虚拟装配技术研究

以虚拟原型为中心的虚拟装配技术就是充分利用虚拟环境，构建产品的外形、产品的功能、产品的性能，进而模拟产品的用途和功能，对产品进行检验和功能特性评价。这种虚拟装配技术可以对产品的外形精度、制造公差进行优化分析，并提供可视化功能。

2  基于DELMIA软件实现虚拟装配过程分析

DELMIA能够实现全面的、协同的数字虚拟装配功能，其包含的功能模块参见图1所示。利用“产品定义”的模块可以实现产品的定义，构建虚拟模型。“工艺/资源规划”模块对产品进行工艺设计、工艺优化和工艺改进。“工厂布局”可以实现虚拟装配的虚拟环境，并将“数字工艺（DPE）”和“数字制造（DPM）”进行联合，形成真正的数字工厂。DELMIA软件可以实现产品部件单元装配、产品生产线模拟、工厂物流路线模拟等等整个生产过程。

3  基于DELMIA软件后机身虚拟装配应用分析

后机身零部件CAD建模。虚拟装配基于CAD的零部件进行装备优化，首先就是对后机身的各个框进行建模。建模要注意各个部件零件的形状特征及装配关系，并对零部件特征关系进行约束定义，这些零组件模型将作为装配模拟中的“工件”。如图2所示为后机身框段建模模型。

后机身装配环境构建。利用工厂布局模块，构建数字车间中的基本设施，对装配工件、环境资源及人员活动空间等进行有序布置，确定装配所需的环境元素之间的相对空间关系。针对后机身装配所需要的资源、工艺参数、工艺知识相关文件开展编制，并完成文件管理机制。

后机身零件的装配工艺设计。后机身装配工艺设计需要充分了解飞机结构、飞机零部件制造工艺需求的基础上，依次完成各个零件的工艺设计。工艺设计包括：开展工艺分离面的布置、装配单元的设计;选定必须的制造设备、工艺装备;产品装配车间的空间布置、产品装配的基准、产品装配的方法以及顺序等等。

开展后机身装配的过程模拟，首先在DELMIA软件平台下根据后机身装配工艺大纲、装配工艺参数，利用软件虚拟环境开展装配工序。在装配过程中可实时发现装配的工人、工具、工件、产品等环境问题，并可以及时进行调整和修改，进而得到合理的工艺工序过程。如图3和图4为后机身装配模拟的Process Library及模拟结果。

通过后机身模拟装配过程中发现了大量设计问题和零部件设计过程中不合理的问题，并对其进行了及时更正。最终通过优化分析，实现了设计改进，最终满足零部件生产要求。

4  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：

4.1 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。

4.2 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，实现在虚拟装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。

参考文献：

[1]李斌，曲良斌.转位式牛头刨床夹具的虚拟设计[J].河南工程学院学报（自然科学版），2017（02）.

[2]张胜文，苏延浩.计算机辅助夹具设计技术发展综述[J].制造技术与机床，2015（04）.

[3]夏平均，陈朋，郎跃东，姚英学，唐文彦.虚拟装配技术的研究综述[J].系统仿真学报，2009（08）.

[4]余金睿.基于虚拟现实技术VR-Platform平台的产品展示研究[J].自动化技术与应用，2017（09）.

[5]徐飞.三维虚拟校园的漫游系统实现[J].电脑编程技巧与维护，2015（09）.

[6]王细洋.飞机结构件机械加工柔性夹具系统[J].航空制造技术，2012（17）.

[7]韩乐，吴秀芹，赵旦春，戴硕，孙奇.基于VRP的数字校园设计与实现[J].长江大学学报（自然科学版），2011（11）.

[8]田富君，田锡天，耿俊浩，张振明.基于视点跟随的装配路径规划与干涉检查研究[J].中国机械工程，2011（15）.