一、引 言

　　近年來，世界航空制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，為了適應(yīng)變化迅速的市場需求，產(chǎn)品研制周期、質(zhì)量、成本、服務(wù)是每一個現(xiàn)代企業(yè)必須面對的問題。近20年來的實(shí)踐證明，將信息技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品研制以及實(shí)施途徑的改造，是現(xiàn)代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時(shí)，人們逐步認(rèn)識到先進(jìn)的產(chǎn)品研制方法、手段以及實(shí)施途徑，實(shí)際上是產(chǎn)品研制質(zhì)量、成本、設(shè)計(jì)周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數(shù)字化代表產(chǎn)品——波音777的展示中，不像以往那樣重點(diǎn)宣傳新型飛機(jī)本身性能如何優(yōu)越，而是強(qiáng)調(diào)他們充分利用數(shù)字化研制技術(shù)以及產(chǎn)品研發(fā)人員的重新編隊(duì)等方面。波音777飛機(jī)項(xiàng)目順利完成的關(guān)鍵是依賴三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與綜合設(shè)計(jì)隊(duì)伍(238個Team)的有效實(shí)施，保證飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配、測試以及試飛均在計(jì)算機(jī)上完成。研制周期從過去的8年時(shí)間縮減到5年，其中虛擬裝配的工程設(shè)計(jì)思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用。

　　“虛擬裝配”(Virtual Assembly)是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用研究。到底什么是虛擬裝配?它的內(nèi)涵是什么?這些至今仍然是人們討論的問題。很多人曾經(jīng)為虛擬裝配進(jìn)行定義，比較有代表性的有兩個。

　　(1) 虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段。該定義強(qiáng)調(diào)虛擬裝配技術(shù)是一種模型重新進(jìn)行定位、分析過程。

　　(2) 虛擬裝配是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性，真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實(shí)模擬裝配過程，以檢驗(yàn)產(chǎn)品的可裝配性。該定義著眼于產(chǎn)品物理裝配過程的仿真過程，體現(xiàn)的思想也是一種分析過程。

　　顯然，上述定義強(qiáng)調(diào)的方面是不同的，但是作為一項(xiàng)新概念、新技術(shù)的提出與實(shí)施，必須與具體的行業(yè)設(shè)計(jì)特性相結(jié)合才具有實(shí)際的意義，才能具有真正的內(nèi)涵。因此，本文結(jié)合飛機(jī)研制的特點(diǎn)，給出如下的定義：虛擬裝配是在計(jì)算機(jī)上完成飛機(jī)零部件的實(shí)體造型，進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)過程，并通過統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)三維設(shè)計(jì)過程與飛機(jī)零部件制造、裝配過程的高度統(tǒng)一。虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)的應(yīng)用研究中，是一種全新的設(shè)計(jì)概念，它為飛機(jī)研制提供了一種新的設(shè)計(jì)方法與實(shí)施途徑，它的成功依賴于對飛機(jī)總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制。同時(shí)，飛機(jī)零部件模型數(shù)據(jù)的合理流動與彼此共享是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的基礎(chǔ)。

　　在飛機(jī)研制中，虛擬裝配包括設(shè)計(jì)過程、過程控制和裝配仿真三部分。

　　二、虛擬裝配基本設(shè)計(jì)思想及內(nèi)涵

　　1. 以設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配

　　以設(shè)計(jì)為中心的虛擬裝配(design—Centered Virtual Assembly)是指在產(chǎn)品三維數(shù)字化定義應(yīng)用于產(chǎn)品研制過程中，結(jié)合產(chǎn)品研制的具體情況，突出以設(shè)計(jì)為核心的應(yīng)用思想，這表現(xiàn)在以下三個層次。

　　(1)面向裝配設(shè)計(jì)(DFA)產(chǎn)品研制過程是一項(xiàng)復(fù)雜的跨學(xué)科、跨部門的系統(tǒng)工程，需要在產(chǎn)品研制初期即設(shè)計(jì)階段進(jìn)行總體的協(xié)調(diào)，主要是對產(chǎn)品協(xié)同工作進(jìn)程的可行性與合理性分析，并且進(jìn)行產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)物理裝配方案評價(jià)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程與裝配過程嚴(yán)重脫節(jié)，需要采用面向裝配設(shè)計(jì)(DFA)方法，即在設(shè)計(jì)初期把產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程與制造裝配過程有機(jī)結(jié)合，從設(shè)計(jì)的角度來保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計(jì)思想，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品具有良好的結(jié)構(gòu)，能高效地進(jìn)行物理裝配，能在產(chǎn)品研制初期使設(shè)計(jì)部門與制造部門之間更有效地協(xié)同工作。

　　(2)自頂向下(Top—Down)的并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CPD)基于并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的裝配技術(shù)支持自頂向下的設(shè)計(jì)方法，通過自頂向下的并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以分層次地建立統(tǒng)一的產(chǎn)品動態(tài)電子樣機(jī)。

　　并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程集成、并行地進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)開發(fā)人員從一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)直至消亡的整個生命周期里的所有相關(guān)因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯誤和矛盾盡可能及早發(fā)現(xiàn)，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。并行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是多個產(chǎn)品開發(fā)組(Integrated Product Team，簡稱IPT)協(xié)同地并行設(shè)計(jì)，要求分布在不同地點(diǎn)、不同部門的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師突出以產(chǎn)品為核心的設(shè)計(jì)思想，從不同角度、不同需求出發(fā)進(jìn)行并行設(shè)計(jì)。

　　(3)與Master Model相關(guān)的可制造性設(shè)計(jì)和可裝配性設(shè)計(jì) 產(chǎn)品研制不同階段的主模型(Master Model)提供了一個面向設(shè)計(jì)群體的裝配設(shè)計(jì)環(huán)境，使得設(shè)計(jì)群體中每個成員的設(shè)計(jì)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開始就被有效地控制在最終產(chǎn)品可裝配的范圍之內(nèi)，并且實(shí)現(xiàn)突出以產(chǎn)品為核心的設(shè)計(jì)思想，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師的工作與整個產(chǎn)品的進(jìn)展過程相關(guān)聯(lián)，部件模型的變化將只反映到相應(yīng)的裝配部件上，從而保證了模型數(shù)據(jù)的集成性，避免了設(shè)計(jì)工作的重復(fù)。同時(shí)，產(chǎn)品研制是多部門的協(xié)同工作過程，主機(jī)廠與輔機(jī)廠的合作往往受到各個企業(yè)的生產(chǎn)條件等方面的限制，結(jié)合各個企業(yè)的可生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型的可制造性、可裝配性，減少零部件模型的數(shù)量和特殊類型，減少材料種類，使用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的零部件，是非常必要的。以不同階段的Master Model為核心，可以保證產(chǎn)品研制的不同階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整一致，保證產(chǎn)品研制的各個部門協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的高度集成，有效地提高產(chǎn)品可制造性和可裝配性。

　　2.以過程控制為中心的虛擬裝配

　　以過程控制為中心的虛擬裝配(Process—Centered Virtual Assembly)主要包含以下兩方面內(nèi)容：

　　(1)實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制在產(chǎn)品數(shù)字化定義過程中，結(jié)合產(chǎn)品研制特點(diǎn)，我們?nèi)藶榈貙⑻摂M裝配技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程劃分為三個階段：總體設(shè)計(jì)階段、裝配設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。通過對三個設(shè)計(jì)階段的控制，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)進(jìn)程的控制，虛擬裝配設(shè)計(jì)流程。

　　1)總體設(shè)計(jì)階段總體設(shè)計(jì)階段是產(chǎn)品研制的初期階段，在此階段進(jìn)行產(chǎn)品初步的總體布局，主要包括：

　　☆ 建立主模型(Master Model)空間;

　　☆ 進(jìn)行產(chǎn)品初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。

　　2) 裝配設(shè)計(jì)階段裝配設(shè)計(jì)階段為產(chǎn)品研制的主要階段，在此階段產(chǎn)品三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成，主要包括：

　　☆ 產(chǎn)品模型空間分配(裝配區(qū)域、裝配層次的劃分);

　　☆ 具體模型定義(建立幾何約束關(guān)系、三維實(shí)體模型等);

　　☆ 應(yīng)力控制。

　　3)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段詳細(xì)設(shè)計(jì)階段為產(chǎn)品研制的完善階段，在此階段完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)計(jì)，主要包括：完成產(chǎn)品三維實(shí)體模型的最終設(shè)計(jì)，進(jìn)行產(chǎn)品模型的計(jì)算機(jī)裝配，進(jìn)行全機(jī)干涉檢查。

　　4)過程控制管理過程模型包含了產(chǎn)品開發(fā)的過程描述、過程內(nèi)部相互關(guān)系和過程間的協(xié)作等方面內(nèi)容。我們希望通過對過程模型的有效管理，實(shí)現(xiàn)對工程研制過程中各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的管理，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)過程的目的。

　　3. 以仿真為中心的虛擬裝配

　　以仿真為中心的虛擬裝配(Simulate—Centered Virtual Assembly)是在產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)模型中溶入仿真技術(shù)，并以此來評估和優(yōu)化裝配過程。其主要目標(biāo)是評價(jià)產(chǎn)品可裝配性。

　　(1)優(yōu)化裝配過程目的是使產(chǎn)品能適應(yīng)當(dāng)?shù)鼐唧w情況，合理劃分成裝配單元，使裝配單元能并行地進(jìn)行裝配。

　　(2)可裝配性評價(jià)主要是評價(jià)產(chǎn)品裝配的相對難易程度，計(jì)算裝配費(fèi)用，并以此決定產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否需要修改。

　　三、應(yīng)用研究

　　1.基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境

　　虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，需要一定的基礎(chǔ)應(yīng)用環(huán)境作為平臺，主要包括以下幾個方面：協(xié)同工作環(huán)境、統(tǒng)一的PDM與信息編碼系統(tǒng)、航空通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)集成環(huán)境。

　　(1)協(xié)同工作環(huán)境飛機(jī)研制過程實(shí)際上是多部門、多學(xué)科、多系統(tǒng)之間的反復(fù)協(xié)調(diào)的工作過程。在飛機(jī)研制中，每一個專業(yè)、部門的工程師由于受專業(yè)和主觀因素的制約，總是會過多地考慮飛機(jī)某一方面的性能指標(biāo)，而忽略了飛機(jī)的綜合性能指標(biāo)，因此，有一個協(xié)同工作的基礎(chǔ)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)支持異地設(shè)計(jì)、異地裝配、異地測試的工作環(huán)境，特別是基于廣域網(wǎng)的三維圖形的異地快速傳遞、過程控制、人機(jī)交互的基礎(chǔ)環(huán)境是非常必要的。

　　(2)統(tǒng)一的PDM與信息編碼系統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各項(xiàng)工程數(shù)據(jù)在IPT內(nèi)部以及IPT之間的合理流動，有效管理是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)平臺的協(xié)同設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用工具的“即插即用”，又能對應(yīng)用工具產(chǎn)生的各種異構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和傳遞，保證在正確的時(shí)間把正確的信息以正確的方式傳遞給正確使用的人。采用統(tǒng)一的PDM軟件實(shí)現(xiàn)了人、數(shù)據(jù)、過程這三者的集成，而且通過軟件提供的用戶化集成工具箱，這可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的集成。同時(shí)，為了便于對飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理，對飛機(jī)研制全過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效控制和管理，采用統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)也是一項(xiàng)重要的應(yīng)用基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

　　(3)航空通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)虛擬裝配技術(shù)在國外先進(jìn)飛機(jī)公司得到了廣泛應(yīng)用，他們各自建立了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，形成了良好的技術(shù)平臺。我國航空領(lǐng)域近幾年雖然積極推行該項(xiàng)技術(shù)，但只限于軟件技術(shù)的應(yīng)用，普遍存在應(yīng)用思想、方法以及實(shí)施途徑不一致的現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)行業(yè)CAD/CAE /CAPP/CAM技術(shù)的有效集成和廠所之間的數(shù)據(jù)交換。因此，在虛擬裝配應(yīng)用于飛機(jī)研制過程中，建立航空通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。

　　(4)系統(tǒng)集成環(huán)境系統(tǒng)集成絕不是把單項(xiàng)系統(tǒng)互連在一起，而是作為一個統(tǒng)一的基礎(chǔ)平臺進(jìn)行考慮。包括兩個層次：物理系統(tǒng)集成環(huán)境，應(yīng)用集成環(huán)境。

　　物理系統(tǒng)集成環(huán)境是把各個“自動化孤島”溝通起來，使之能夠相互交換數(shù)據(jù)和信息，也就是將基礎(chǔ)物理平臺和信息處理設(shè)備用通信網(wǎng)絡(luò)互連起來。

　　應(yīng)用集成環(huán)境是系統(tǒng)內(nèi)各部分的應(yīng)用及其用戶之間的集成，包括人和機(jī)器之間的控制和信息集成。應(yīng)用集成的實(shí)施要有公共數(shù)據(jù)庫，要通過系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)間的通訊、共享和處理各種信息資源。由于實(shí)際系統(tǒng)中異構(gòu)問題的普遍存在，在應(yīng)用集成的層次上就要提供一個技術(shù)的基礎(chǔ)環(huán)境，能在全系統(tǒng)范圍內(nèi)，存取所需要的有關(guān)信息。

　　2.飛機(jī)部件級產(chǎn)品實(shí)施方法及途徑

　　(1)軟硬件環(huán)境我們所使用的軟硬件環(huán)境如下：

　　硬件：IBM RISC/6000工作站;

　　軟件：CATIA V4.1.9PM V3.1及其支持環(huán)境。

　　(2)某型飛機(jī)方向舵虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究我們選擇某型飛機(jī)方向舵的虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究作為工程實(shí)例，對虛擬裝配技術(shù)的工程應(yīng)用思想、方法、具體實(shí)施途徑作進(jìn)一步研究，為下一階段全機(jī)的應(yīng)用提供一種基本的理論支持。

　　1)總體設(shè)計(jì)階段IPT根據(jù)飛機(jī)總體設(shè)計(jì)要求以及基本的總體設(shè)計(jì)參數(shù)，建立方向舵主模型空間，并進(jìn)行初步的總體布局。總體設(shè)計(jì)階段的模型。在此階段，主要包括以下基本步驟：

　　☆ 根據(jù)已經(jīng)建立的全機(jī)理論外形，提取方向舵結(jié)構(gòu)理論外形;

　　☆ 布置方向舵主要的結(jié)構(gòu)部分初始模型(舵梁、翼肋等);

　　☆ 系統(tǒng)構(gòu)件進(jìn)行初步布置、建立初始模型。

　　本階段結(jié)束時(shí)，必須凍結(jié)已經(jīng)建立的產(chǎn)品主模型空間，作為研制工作的基礎(chǔ)。通過PM系統(tǒng)傳遞主模型空間數(shù)據(jù)到共享數(shù)據(jù)庫，作為模型設(shè)計(jì)共享的基礎(chǔ)。

　　2)裝配設(shè)計(jì)階段這是飛機(jī)模型具體建立階段。本階段主要包括以下三個重要環(huán)節(jié)：部件模型空間分配、應(yīng)力控制、具體模型定義，主要包括以下基本步驟：

　　☆ 建立方向舵主體結(jié)構(gòu)簡單的實(shí)體模型;

　　☆ 定義具體結(jié)構(gòu)裝配的分解線路(建立裝配層次、裝配區(qū)域);

　　☆ 按“系統(tǒng)最大空間”原理進(jìn)行初步的系統(tǒng)布局;

　　☆ 定義各系統(tǒng)之間的界面(原則上與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界面一致);

　　☆ 對于系統(tǒng)主要的走向，用簡單實(shí)體方式，進(jìn)行初期布局;

　　☆ 建立模型間的具體裝配約束(Constraints)關(guān)系;

　　☆ 進(jìn)行方向舵三維實(shí)體模型的具體設(shè)計(jì);

　　☆ 通過PM系統(tǒng)從共享數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型;

　　☆ 進(jìn)行系統(tǒng)和設(shè)備的空間模型的具體設(shè)計(jì);

　　☆ 進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配(Computer Mock-Up 簡稱CMU)，干涉檢查;

　　☆ 進(jìn)行初步的應(yīng)力分析，如果模型的幾何要素作更改，需要重新進(jìn)行計(jì)算機(jī)裝配(CMU)以及干涉檢查;

　　☆ 確定合理計(jì)算數(shù)據(jù)，通過PM系統(tǒng)傳遞計(jì)算數(shù)據(jù)至方向舵共享數(shù)據(jù)庫。

　　3)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段本階段完成方向舵所有零件的設(shè)計(jì)工作，保證方向舵所有零件干涉自由，設(shè)計(jì)模型。本階段包括以下基本內(nèi)容：

　　☆ 完善方向舵三維實(shí)體模型的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì);

　　☆ 傳遞本階段的設(shè)計(jì)模型至方向舵共享數(shù)據(jù)庫;

　　☆ 進(jìn)行方向舵模型的計(jì)算機(jī)裝配(CMU)、干涉檢查，做到模型干涉自由;

　　☆ 通過PM系統(tǒng)傳遞最終的設(shè)計(jì)模型至方向舵共享數(shù)據(jù)庫;

　　☆ 釋放方向舵的模型數(shù)據(jù)。

　　四、結(jié)束語

　　虛擬裝配的應(yīng)用研究在國內(nèi)主機(jī)廠和研究所才剛剛起步，但人們已經(jīng)逐漸地認(rèn)識到虛擬裝配所能發(fā)揮的巨大作用和發(fā)展?jié)摿ΑＮ覀冊谔摂M裝配技術(shù)的應(yīng)用研究中逐漸體會到：改變產(chǎn)品研制人員的研制習(xí)慣和觀念、采用合理的虛擬裝配應(yīng)用方法、建立一定的組織機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的核心，產(chǎn)品數(shù)據(jù)在研制中的合理管理和流動是實(shí)現(xiàn)虛擬裝配的基礎(chǔ)。