虚拟装配技术在飞机制造领域的应用现状

王同苏

摘要：虚拟装配技术是虚拟现实技术在设计与制造领域的重要应用之一，目前已经引起飞机制造业界和飞机设计机构越来越广泛的重视。本文在阐述虚拟装配技术的研究内容的基础上，界定了虚拟装配技术的分类，对国内外发展状况进行简要对比分析，指出了目前虚拟装配技术研究的主要发展方向。

关键词：虚拟装配；虚拟现实；飞机装配；装配过程仿真

1虚拟装配的研究内容

在传统的飞机制造过程中，装配时可能会出现两类问题，一是产品的设计有误导致装配无法进行，这往往导致产品的重新设计，二是装配的过程不合理，需要重新调整装配过程。

基于以上两类问题，虚拟装配技术的研究内容从整体上可以分为两部分：作为对产品装配过程的全面虚拟呈现，它面向产品的整个装配过程，因此，第一部分的研究内容与产品的装配过程息息相关；另外，虚拟装配作为一种体现计算技术的系统而出现，它必须与制造领域中的其他软件进行通讯，否则将成为“孤岛”而不能充分发挥其应有的作用，所以第二部分的研究内容与系统集成紧密相关。

2虚拟装配的分类

按照实现功能和目的的不同，目前针对虚拟装配的研究可以分为如下三类：以产品设计为中心的虚拟装配、以工艺规划为中心的虚拟装配和以虚拟原型为中心的虚拟装配。

2.1以产品设计为中心的虚拟装配

虚拟装配是在产品设计过程中，为了更好地帮助进行与装配有关的设计决策，在虚拟环境下对计算机数据模型进行装配关系分析的一项计算机辅助设计技术，它结合面向装配设计（Design For Assembly，DFA）理论和方法，基本任务就是从设计原理方案出发在各种因素制约下寻求装配结构的最优解，由此拟定装配草图。它以产品可装配性的全面改善为目的，通过模拟试装和定量分析，找出零部件结构设计巾不适合装配或装配性能不好的结构特征，进行设计修改.最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的，从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人机工程和环保等社会因素。

2.2以工艺规划为中心的虚拟装配

针对产品的装配工艺设计问题，基于产品信息模型和装配资源模型，采用计算机仿真和虚拟现实技术进行产品的装配工艺设计，从而获得可行且较优的装配工艺方案，指导实际装配生产。根据涉及范畴和层次的不同，又分为系统级装配规划和作业级装配规划。前者是装配生产的总体规划，主要包括市场需求、投资状况、生产规模、生产周期、资源分配、装配车间布置、装配生产线平衡等内容，是装配生产的纲领性文件。后者主要指装配作业与过程规划，主要包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定、操作空间的干涉验证、工艺卡片和文卡当的生成等内容。工艺规划为巾心的虚拟装配，以操作仿真的高逼真度为特色，主要体现在虚拟装配实施对象、操作过程以及所用的工装工具，均与生产实际情况高度吻合，因而可以生动直观地反映产品装配的真实过程，使仿真结果具有高可信度。

2.3以虚拟原型为中心的虚拟装配

虚拟原型是利用计算机仿真系统在一定程度上实现产品的外形、功能和性能模拟，以产生与物理样机具有可比性的效果来检验和评价产品特性。传统的虚拟装配系统都是以理想的刚性零件为基础，虚拟装配和虚拟原型技术的结合，可以有效分析零件制造和装配过程巾的受力变形对产品装配性能的影响，为产品形状精度分析、公差优化设计提供可视化手段。以虚拟原型为中心的虚拟装配主要研究内容包括考虑切削力、变形和残余应力的零件制造过程建模、有限元分析与仿真、配合公差与零件变形、以及计算结果可视化等方面。

3国内外虚拟装配研究现状对比分析

根据目前的理解，虚拟装配发展至今可以分为三个阶段，第一阶段是虚拟装配理论的提出阶段，第二阶段是各研究机构在各自实验室复制、建立虚拟装配系统的阶段，第三阶段是各研究机构对虚拟装配各发展方向进行深入研究的阶段。目前国外虚拟装配技术的发展已经进入了第三阶段。

国内对虚拟装配技术的研究起步于20世纪90年代末期，发展速度比较快，取得了不少研究成果，并提出了许多有价值的新理论和新方法。浙江大学CAD&CG国家重点实验室是国内最早开展虚拟装配研究的机构之一，他们目前的研究在国内处于领先地位。此外，华中科技大学、清华大学、北京理工大学、北京航空航天大学以及上海交通大学等也进行了与虚拟装配相关的研究，他们已经或者正在着手建立自己的虚拟装配系统。

4将来的发展方向

虚拟装配涉及的各项技术仍处在不断的发展之中，需要研究人员进一步的研究和探索，将来的发展方向主要体现在：

（1）CAD接口的标准化。虚拟装配系统应能接受CAD系统的模型信息，实现与主流CAD系统的无缝集成。目前各单位开发的虚拟装配系统，都是根据自己的情况来定制CAD接口，实现信息转换，在数据的提取和表达、信息的存储和管理等方面没有统一的标准和规范。

（2）虛拟装配/拆卸过程中人的合理性参与。人是产品装备拆卸过程中的重要因素，充分发挥人的主观能动性、积极性和创造性，真正体现以人为中心的设计，是提高产品装配质量和效率的关键。人机工效等技术和虚拟装配技术的结合是现阶段研究的热点，可以解决自动化装配中不能解决的技术难题。

（3）管路、线缆的布置与规划。在工业级复杂产品中（如飞机、船舶、火箭发动机等），由于空间狭小、结构紧凑，各种刚性管路和柔性电缆、线缆等交错缠杂在一起，给装配操作带来很大难度，成为影响产品装配质量的关键。现有虚拟装配系统缺乏这方面的有效工具，限制了在工业生产中的应用。

（4）考虑加工和使用环境的装配过程建模。目前的虚拟装配系统都以理想的零件模型为基础，没有考虑具体的加工和装配环境对零件形状精度和尺寸误差的影响，导致实际生产出来的零件装配不上或装配性能不满足要求。例如，实际加工中由于机床、刀具和残余应力等因素的影响，零件的形状精度和设计尺寸并不完全一致，装配过程中由于环境温度、装配受力等因素，零件也会发生弹性变形，这些因素都会对产品装配精度和装配性能产生影响。

（5）面向虚拟装配的工装夹具设计。虚拟装配技术应和工装设计、夹具设计结合起来，实现二者之间的集成。根据装配时零件的自由度情况、定位要求和精度要求，采用人工智能和知识库技术相结合的途径，推理出装配过程中需要使用的工装夹具的基本结构，再进行详细设计。面向虚拟装配的工装夹具设计，可有效缩短夹具设计的周期，提高设计的成功率。

参考文献：

[1]宁汝新、郑轶.虚拟装配技术的研究进展及发展趋势分析[J].中国机械工程第16卷第15期，1398～1404.

[2]夏平均、姚英学.虚拟装配的研究综述与分析（Ⅱ）[J].哈尔滨工业大学学报，第40卷第6期，2008年6月：942～947.

（作者单位：沈阳飞机工业（集团）有限公司）