隨著飛機數(shù)字化設(shè)計制造技術(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施的速度，有利于優(yōu)化裝配工藝方案，從而有效保證飛機的裝配質(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)計階段發(fā)現(xiàn)問題，有效地減少設(shè)計錯誤、縮短研制周期、降低風(fēng)險、節(jié)約成本。飛機裝配過程的虛擬仿真，涉及到大量的飛機零部件模型、裝配型架(夾具)模型、工具模型和人機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)致參與飛機裝配過程虛擬仿真的三維模型數(shù)據(jù)過大，對用于裝配仿真的計算機硬件設(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，難以在飛機裝配過程虛擬仿真軟件Delmia中實際應(yīng)用。為此，本文結(jié)合飛機裝配過程虛擬仿真的特點，提出了一種基于輕量化模型的裝配過程虛擬仿真方法，大大降低了飛機裝配過程虛擬仿真對計算機硬件的性能要求。

飛機裝配過程的虛擬仿真內(nèi)容

飛機結(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。
由于飛機裝配固有的復(fù)雜性，依靠傳統(tǒng)的計算機手段很難在設(shè)計的早期階段就對裝配和維護有關(guān)的問題做出準(zhǔn)確分析，這些問題往往只會在產(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間后才能暴露出來。虛擬裝配技術(shù)正是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，其目的不僅是為了在產(chǎn)品設(shè)計階段發(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)品的裝配工藝計劃，并且對產(chǎn)品可裝配性進行驗證。

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

機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)品樣機功能是否符合設(shè)計要求，及時發(fā)現(xiàn)零部件間的干涉問題及運動機構(gòu)設(shè)計不合理之處，以更改產(chǎn)品設(shè)計。某型飛機中機身預(yù)裝配仿真結(jié)果，如圖1所示。

圖1 中機身預(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，可實時發(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，以便及時進行調(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)、動態(tài)和運動等3類方式，利用這些方式對裝配路徑上的障礙實施自動鑒別，通過計算工件的運動包絡(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)人機工程仿真。對裝配過程中影響工人作業(yè)的空間開敞性、姿態(tài)舒適性和勞動強度等諸多因素進行工藝評估和優(yōu)化。圖4為飛機壁板裝配人機工程仿真結(jié)果。

圖4 人機工程仿真

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)主要包括多量級輕量化模型生成和復(fù)雜裝配場景的分層級拆分。首先，按仿真過程對數(shù)模信息量的要求不同，運用多量級輕量化模型技術(shù)生成滿足不同要求的多量級輕量化模型，達到對裝配場景進行輕量化的目的；其次，運用分層級裝配場景拆分技術(shù)將裝配仿真過程劃分為多個簡單裝配場景，降低仿真裝配場景對硬件的要求；最后，運用變分辨率技術(shù)在創(chuàng)建、執(zhí)行裝配仿真任務(wù)的時候，通過動態(tài)載入載出模型細節(jié)，只對當(dāng)前活動零部件模型和與其可能存在干涉的零部件模型詳細顯示，其他零部件模型則粗略顯示，達到降低對計算機硬件性能的過度依賴，提高裝配仿真的效率。

1 多量級輕量化模型生成

在進行飛機虛擬裝配仿真過程中，各零部件的功能作用不同，對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、高級輕量化模型、中級輕量化模型、低級輕量化模型4個量級。

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

(2)高級輕量化模型為包含模型實體信息及輔助實體特征的輕量化模型，如活動零部件數(shù)模，需要對其創(chuàng)建一定的裝配路徑，需要包含一些路徑規(guī)劃所必需的輔助實體特征，故需采用包含輔助實體特征的輕量化模型。

(3)中級輕量化模型為僅包含模型實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，只用于檢查與活動零部件是否存在干涉，可采用僅包含實體信息的輕量化模型。

(4)低級輕量化模型為簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅保留外部輪廓實體信息的零部件數(shù)模，如在部件裝配和整體裝配時，組件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對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體信息，故可以對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)簡化，去除內(nèi)部零部件的實體信息，僅保留零部件的裝配信息。

2 復(fù)雜裝配場景的分層級拆分

分層級裝配場景的實質(zhì)是，將一個復(fù)雜裝配場景拆分為幾個簡單的裝配場景，然后再進行裝配仿真，分散復(fù)雜裝配場景對計算機硬件性能的高要求。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，再進行裝配仿真。由于生成的裝配仿真結(jié)果與生產(chǎn)實際緊密結(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)合飛機虛擬裝配仿真應(yīng)用實踐，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。首先對參與裝配的零部件進行多量級模型生成，得到4個不同量級的模型，依次分別為原始模型、高級輕量化模型、中級輕量化模型、低級輕量化模型。圖5為某型飛機水平尾翼外伸段的高級輕量化模型、中級輕量化模型及低級輕量化模型。高級輕量化模型包含水平尾翼外伸段的實體信息，并包含一些輔助特征信息，如圖5(a)與中央盒段進行裝配的特征信息；中級輕量化模型僅包含水平尾翼外伸段的實體信息；低級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

然后進行裝配序列規(guī)劃。以某型飛機水平尾翼的裝配為例，可對水平尾翼進行裝配場景的劃分，將水平尾翼的裝配場景劃分為4級裝配場景。一級裝配場景：水平安定面與左右升降舵裝配為水平尾翼；二級裝配場景：中央盒段與左右外伸段裝配為水平安定面；三級裝配場景：前梁、后梁、前緣、后緣艙等裝配為外伸段；四級裝配場景：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，以低級輕量化模型形式組建高一層次的裝配場景，進行高一層次的裝配。如在四級裝配場景中完成裝配的翼尖罩，以低級輕量化模型形式來組建三級裝配場景，進行外伸段的裝配；外伸段完成裝配后，也以低級輕量化模型組建二級裝配場景，進行水平安定面的裝配等。

最后進行裝配路徑規(guī)劃，在進行裝配路徑規(guī)劃時需同步進行干涉檢查分析及人機工程仿真分析，以保證裝配路徑的正確性。在干涉檢查分析及人機工程仿真分析時，應(yīng)根據(jù)實際情況，采用優(yōu)化策略，動態(tài)載人相應(yīng)量級的輕量化模型，提高裝配仿真效率。通過活動零部件包圍盒算法，根據(jù)活動零部件裝配路徑，搜索可能與活動零部件發(fā)生干涉的模型，載人相應(yīng)的輕量化模型，進行干涉檢查。圖6為水平尾翼外伸段裝配仿真模型，在進行水平尾翼外伸段裝配工作某一階段，后緣艙為活動部件，采用高級輕量化模型，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)用顯著加快了飛機裝配工藝方案制定和實施的速度，有利于優(yōu)化裝配工藝方案，從而有效保證了飛機的裝配質(zhì)量。輕量化技術(shù)是提高飛機虛擬裝配仿真效率的有效手段，本文結(jié)合飛機虛擬裝配應(yīng)用實踐，從分層級裝配場景、多量級輕量化模型和變分辨率裝配仿真3方面對飛機虛擬裝配過程進行處理，提出了基于輕量化模型的虛擬裝配技術(shù)，降低了飛機虛擬裝配仿真對計算機硬件的性能要求，提高了虛擬裝配仿真的效率。