隨著飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬裝配仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)，該技術(shù)的應(yīng)用明顯加快了裝配工藝方案制定和實(shí)施的速度，有利于優(yōu)化裝配工藝方案，從而有效保證飛機(jī)的裝配質(zhì)量。在并行工程中，虛擬裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用，能在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問題，有效地減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、縮短研制周期、降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)約成本。飛機(jī)裝配過程的虛擬仿真，涉及到大量的飛機(jī)零部件模型、裝配型架(夾具)模型、工具模型和人機(jī)工程中的人體模型等，故裝配仿真場景包含的三維數(shù)模較多，且參與構(gòu)建裝配場景的原始模型通常存在大量的冗余數(shù)據(jù)，導(dǎo)致參與飛機(jī)裝配過程虛擬仿真的三維模型數(shù)據(jù)過大，對(duì)用于裝配仿真的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備提出了極高的要求。

三維模型的輕量化技術(shù)得到了國內(nèi)外很多專家學(xué)者及相關(guān)軟件供應(yīng)商的重視并進(jìn)行了研究。但因都需要將產(chǎn)品三維模型定義為特定的三維模型輕量化格式，難以在飛機(jī)裝配過程虛擬仿真軟件Delmia中實(shí)際應(yīng)用。為此，本文結(jié)合飛機(jī)裝配過程虛擬仿真的特點(diǎn)，提出了一種基于輕量化模型的裝配過程虛擬仿真方法，大大降低了飛機(jī)裝配過程虛擬仿真對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的性能要求。

飛機(jī)裝配過程的虛擬仿真內(nèi)容

飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配層次較多、裝配流程較長，裝配過程中涉及大量的型架、工具等。
由于飛機(jī)裝配固有的復(fù)雜性，依靠傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)手段很難在設(shè)計(jì)的早期階段就對(duì)裝配和維護(hù)有關(guān)的問題做出準(zhǔn)確分析，這些問題往往只會(huì)在產(chǎn)品開發(fā)的后期或最終產(chǎn)品試制過程中，甚至在投人使用一段時(shí)間后才能暴露出來。虛擬裝配技術(shù)正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，其目的不僅是為了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程存在的問題，而且虛擬裝配技術(shù)允許裝配工程師在虛擬環(huán)境下生成產(chǎn)品的裝配工藝計(jì)劃，并且對(duì)產(chǎn)品可裝配性進(jìn)行驗(yàn)證。

利用虛擬裝配，可以驗(yàn)證裝配設(shè)計(jì)和操作的正確與否，以便及早地發(fā)現(xiàn)裝配中的問題，對(duì)模型進(jìn)行修改，并通過可視化顯示裝配過程，進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃、現(xiàn)場布局、裝配操作模擬等。

機(jī)裝配過程虛擬仿真的主要內(nèi)容包括：

(1)預(yù)裝配分析。預(yù)裝配分析是產(chǎn)品裝配完成后，檢查產(chǎn)品各零部件間有無干涉現(xiàn)象存在及產(chǎn)品樣機(jī)功能是否符合設(shè)計(jì)要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零部件間的干涉問題及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理之處，以更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)。某型飛機(jī)中機(jī)身預(yù)裝配仿真結(jié)果，如圖1所示。

圖1 中機(jī)身預(yù)裝配分析

(2)裝配序列及裝配路徑規(guī)劃。在虛擬裝配仿真環(huán)境中可以動(dòng)態(tài)直觀地顯示其裝配序列和裝配路徑等。通過初步的觀察，可實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配過程中各種明顯的工件、工裝和工具等環(huán)境元素間的空間干涉和碰撞情況，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，得到較為合理的裝配序列和裝配路徑。圖2為某型飛機(jī)平尾裝配序列及裝配路徑仿真結(jié)果。

    

圖2 平尾裝配序列及裝配路徑規(guī)劃

(3)干涉檢查和分析。通過整體干涉檢查、可拆卸性檢查、約束分析、自由度分析和精度分析等各種分析工具，直觀或定量化地考察工件裝配的約束狀態(tài)、細(xì)節(jié)定義以及空間準(zhǔn)確度等問題。其中，干涉檢測分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和運(yùn)動(dòng)等3類方式，利用這些方式對(duì)裝配路徑上的障礙實(shí)施自動(dòng)鑒別，通過計(jì)算工件的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)體并判斷該包絡(luò)體與環(huán)境元素間是否相交來確定工件在裝卸中有無干涉問題等。圖3為某型飛機(jī)導(dǎo)管裝配干涉檢查仿真結(jié)果。 

圖3 導(dǎo)管裝配干涉檢查

(4)人機(jī)工程仿真。對(duì)裝配過程中影響工人作業(yè)的空間開敞性、姿態(tài)舒適性和勞動(dòng)強(qiáng)度等諸多因素進(jìn)行工藝評(píng)估和優(yōu)化。圖4為飛機(jī)壁板裝配人機(jī)工程仿真結(jié)果。

圖4 人機(jī)工程仿真

裝配過程模型的輕量化技術(shù)裝配過程模型的輕量化技術(shù)主要包括多量級(jí)輕量化模型生成和復(fù)雜裝配場景的分層級(jí)拆分。首先，按仿真過程對(duì)數(shù)模信息量的要求不同，運(yùn)用多量級(jí)輕量化模型技術(shù)生成滿足不同要求的多量級(jí)輕量化模型，達(dá)到對(duì)裝配場景進(jìn)行輕量化的目的；其次，運(yùn)用分層級(jí)裝配場景拆分技術(shù)將裝配仿真過程劃分為多個(gè)簡單裝配場景，降低仿真裝配場景對(duì)硬件的要求；最后，運(yùn)用變分辨率技術(shù)在創(chuàng)建、執(zhí)行裝配仿真任務(wù)的時(shí)候，通過動(dòng)態(tài)載入載出模型細(xì)節(jié)，只對(duì)當(dāng)前活動(dòng)零部件模型和與其可能存在干涉的零部件模型詳細(xì)顯示，其他零部件模型則粗略顯示，達(dá)到降低對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的過度依賴，提高裝配仿真的效率。

1 多量級(jí)輕量化模型生成

在進(jìn)行飛機(jī)虛擬裝配仿真過程中，各零部件的功能作用不同，對(duì)其模型信息的要求也不同，可以將參與裝配的模型劃分為原始模型、高級(jí)輕量化模型、中級(jí)輕量化模型、低級(jí)輕量化模型4個(gè)量級(jí)。

(1)原始模型是指包含零部件完整信息的模型，如進(jìn)行產(chǎn)品預(yù)裝配分析時(shí)，僅進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，可采用原始模型。

(2)高級(jí)輕量化模型為包含模型實(shí)體信息及輔助實(shí)體特征的輕量化模型，如活動(dòng)零部件數(shù)模，需要對(duì)其創(chuàng)建一定的裝配路徑，需要包含一些路徑規(guī)劃所必需的輔助實(shí)體特征，故需采用包含輔助實(shí)體特征的輕量化模型。

(3)中級(jí)輕量化模型為僅包含模型實(shí)體信息的輕量化模型，如僅僅作為裝配環(huán)境的零部件數(shù)模，只用于檢查與活動(dòng)零部件是否存在干涉，可采用僅包含實(shí)體信息的輕量化模型。

(4)低級(jí)輕量化模型為簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅保留外部輪廓實(shí)體信息的零部件數(shù)模，如在部件裝配和整體裝配時(shí)，組件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對(duì)裝配仿真過程影響不大，裝配仿真過程僅需要組件外形輪廓實(shí)體信息，故可以對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)簡化，去除內(nèi)部零部件的實(shí)體信息，僅保留零部件的裝配信息。

2 復(fù)雜裝配場景的分層級(jí)拆分

分層級(jí)裝配場景的實(shí)質(zhì)是，將一個(gè)復(fù)雜裝配場景拆分為幾個(gè)簡單的裝配場景，然后再進(jìn)行裝配仿真，分散復(fù)雜裝配場景對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能的高要求。復(fù)雜裝配場景的拆分原則有：

(1)按產(chǎn)品裝配層次拆分。產(chǎn)品的裝配層次可分為：組件裝配；段、部件裝配；產(chǎn)品整體裝配。對(duì)應(yīng)地，裝配場景可劃分為：組件裝配場景；段部件裝配場景；產(chǎn)品整體裝配場景。組件裝配場景完成零件到組件的裝配仿真，段部件裝配場景完成組合件和零件到段部件的裝配仿真，產(chǎn)品整體裝配場景完成段部件、組合件及零件到產(chǎn)品整體的裝配仿真。

(2)按產(chǎn)品裝配工位拆分。結(jié)合生產(chǎn)制造單位的布局情況，制定裝配工藝方案。復(fù)雜裝配場景依據(jù)裝配工藝方案，依據(jù)裝配工位拆分為不同的裝配場景，再進(jìn)行裝配仿真。由于生成的裝配仿真結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際緊密結(jié)合，可基本無需編輯嵌入三維AO中，指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，提高現(xiàn)場裝配效率。

基于輕量化模型的虛擬裝配仿真

結(jié)合飛機(jī)虛擬裝配仿真應(yīng)用實(shí)踐，本文提出了一種基于輕量化模型的裝配過程虛擬仿真方法。首先對(duì)參與裝配的零部件進(jìn)行多量級(jí)模型生成，得到4個(gè)不同量級(jí)的模型，依次分別為原始模型、高級(jí)輕量化模型、中級(jí)輕量化模型、低級(jí)輕量化模型。圖5為某型飛機(jī)水平尾翼外伸段的高級(jí)輕量化模型、中級(jí)輕量化模型及低級(jí)輕量化模型。高級(jí)輕量化模型包含水平尾翼外伸段的實(shí)體信息，并包含一些輔助特征信息，如圖5(a)與中央盒段進(jìn)行裝配的特征信息；中級(jí)輕量化模型僅包含水平尾翼外伸段的實(shí)體信息；低級(jí)輕量化模型則去除水平尾翼外伸段內(nèi)部肋等零件信息，僅包含外形零件的裝配信息。處理后的水平尾翼的部分零部件多量級(jí)輕量化模型情況如表1所示。

圖5 水平尾翼外伸段輕量化模型

表1 水平尾翼部分零部件輕量化模型

然后進(jìn)行裝配序列規(guī)劃。以某型飛機(jī)水平尾翼的裝配為例，可對(duì)水平尾翼進(jìn)行裝配場景的劃分，將水平尾翼的裝配場景劃分為4級(jí)裝配場景。一級(jí)裝配場景：水平安定面與左右升降舵裝配為水平尾翼；二級(jí)裝配場景：中央盒段與左右外伸段裝配為水平安定面；三級(jí)裝配場景：前梁、后梁、前緣、后緣艙等裝配為外伸段；四級(jí)裝配場景：緣條、腹板、口蓋等零件裝配為前后梁，蒙皮、長桁、角片等零件裝配上下壁板等。

在劃分裝配場景后，低層次裝配場景完成的裝配組件，以低級(jí)輕量化模型形式組建高一層次的裝配場景，進(jìn)行高一層次的裝配。如在四級(jí)裝配場景中完成裝配的翼尖罩，以低級(jí)輕量化模型形式來組建三級(jí)裝配場景，進(jìn)行外伸段的裝配；外伸段完成裝配后，也以低級(jí)輕量化模型組建二級(jí)裝配場景，進(jìn)行水平安定面的裝配等。

最后進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，在進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃時(shí)需同步進(jìn)行干涉檢查分析及人機(jī)工程仿真分析，以保證裝配路徑的正確性。在干涉檢查分析及人機(jī)工程仿真分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，采用優(yōu)化策略，動(dòng)態(tài)載人相應(yīng)量級(jí)的輕量化模型，提高裝配仿真效率。通過活動(dòng)零部件包圍盒算法，根據(jù)活動(dòng)零部件裝配路徑，搜索可能與活動(dòng)零部件發(fā)生干涉的模型，載人相應(yīng)的輕量化模型，進(jìn)行干涉檢查。圖6為水平尾翼外伸段裝配仿真模型，在進(jìn)行水平尾翼外伸段裝配工作某一階段，后緣艙為活動(dòng)部件，采用高級(jí)輕量化模型，其裝配過程中可能與升降舵鉸鏈支架發(fā)生干涉，升降舵鉸鏈支架采用中級(jí)輕量化模型。

圖6 水平尾翼外伸段裝配仿真

結(jié)束語

虛擬裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用顯著加快了飛機(jī)裝配工藝方案制定和實(shí)施的速度，有利于優(yōu)化裝配工藝方案，從而有效保證了飛機(jī)的裝配質(zhì)量。輕量化技術(shù)是提高飛機(jī)虛擬裝配仿真效率的有效手段，本文結(jié)合飛機(jī)虛擬裝配應(yīng)用實(shí)踐，從分層級(jí)裝配場景、多量級(jí)輕量化模型和變分辨率裝配仿真3方面對(duì)飛機(jī)虛擬裝配過程進(jìn)行處理，提出了基于輕量化模型的虛擬裝配技術(shù)，降低了飛機(jī)虛擬裝配仿真對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的性能要求，提高了虛擬裝配仿真的效率。