DELMIA虚拟装配技术在飞机研制中的应用

作者：沈阳飞机工业集团 张辉 孙茜    来源：航空制造技术

欢迎访问e展厅 展厅 8 航空与航天设备展厅 直升机, 无人机, 航空发动机, 航空材料, 飞机座椅, ... 飞机制造是一个装配精确度要求高，结构、装配协调关系极其复杂的过程，而飞机装配是飞机制造过程中一个非常重要的环节，不但工作量大、装配技术难度大，而且协调困难。因此在传统飞机装配基础上，采用先进制造技术对提高装配工艺质量，缩短研制周期、降低研制成本具有重要的意义[1]。 应用数字化技术和系统开展飞机装配过程的模拟可以预先发现并解决飞机装配制造中存在的诸多难以避免的工艺问题，如装配路线制定、装配时零件的定位和保证装配准确度的方法、装配中所用的各种连接技术、装配型架（夹具）的构造与制造技术等。数字企业精益制造交互式应用（Digital EnterpriseLean Manufacturing Interactive Application，DELMIA）虚拟装配技术能够真实模拟飞机的装配过程。在计算机上以可视化方式研究和解决飞机装配的可行性、可达性，验证装配工艺设计的合理性，及时发现工艺中存在的各种结构性和空间性等问题，并根据模拟、分析和装配工效评估的结果对工艺方法、工装结构和生产线布局等进行修改和优化，有效地提高了飞机装配质量、降低了研制成本和周期，是现代航空产品研制的新技术，也是并行工程的支持技术之一[2]。 飞机虚拟装配仿真软件及其运行平台要求 DELMIA是法国达索公司的产品，其核心为PPR（Process，Product，Resource）Hub，主要由DELMIA工艺工程师（DELMIA Process Engineer，DPE）、数字化制造工艺（DigitalProcess of Manufacturing，DPM）和DELMIA队列事件仿真工具（QueuingEvent Simulation Tool，QUEST）等组成[3]。这3部分可以通过PPRHub连接到一起，常规操作是通过E5来制定制造工艺和资源规划，通过V5和D5进行仿真，数据传输通过PPRHub来完成。 DELMIA虚拟装配仿真软件涵盖航空领域的机身装配、维修维护，汽车领域的发动机、总装和白车身，以及一般制造业的制造工艺。应用在飞机装配上可以利用数字实体模型完成飞机生产制造工艺的全面设计和校验。DELMIA虚拟装配仿真软件建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型（PPR）上，使得在整个研发过程中可以持续不断地进行飞机的工艺生成和验证。通过3D协同工作，PPR能够有效地支持设计变更，让参与制造设计的每个人都能随时掌握飞机装配的工艺与资源，提取专业知识，使最佳的产业经验得以重复利用。 因目前设计所创建的三维数模数据信息量非常庞大，所以建立虚拟装配仿真环境要充分考虑到客户端的计算机性能。DELMIA虚拟装配仿真软件运行平台需要客户端计算机中央处理器采用四核处理器，内存至少大于4G，显卡配置应为高端专业图形显卡，由于32位操作系统寻址时最大空间只能是4G，因此，操作系统最好是64位操作系统。 飞机虚拟装配过程设计 1 虚拟装配技术 虚拟装配（Virtual Assembly，VA）是虚拟制造的关键组成部分，利用计算机工具将实际对象的装配过程体现出来，而不需要实物产品模型作支持，即在计算机上完成产品零部件模型的装配过程[4]。通过模拟装配和干涉分析等多次协调的设计过程，在并行工程中将产品的设计与装配工艺规划进行有机的统一，再通过产品数据管理实现零部件三维研发过程与零部件制造、装配过程的高度统一。 依据虚拟装配过程中出现的不同侧重点，虚拟装配主要有3种形式：以设计为中心的虚拟装配突出以设计为核心的应用思想，主要是在产品研制过程中应用三维数字化定义；以过程控制为中心的虚拟装配包括对设计阶段的控制实现对产品总体设计进程的控制和对过程模型的有效管理，实现对产品研制过程中设计结果和加工工艺等相关信息的管理；以仿真为中心的虚拟装配主要目标是评价产品的可装配性，通过在产品装配设计模型中融入仿真技术来评估和优化装配过程。 2 飞机虚拟装配的基本原理和思路 飞机虚拟装配过程仿真的基本原理[5]是按照给定的装配工艺顺序，通过对飞机零部件的空间位置进行连续操作来达到预期的装配效果，同时将连续操作过程以动画的形式演示出来。本次采用“反装”的思路对飞机虚拟装配过程进行仿真研究，即基于“可拆即可装”的原理，将飞机的三维零件模型从正确的空间位置进行交互拆除，并记录零部件从装配体中拆卸的过程，最后将整个拆卸过程“反转倒置”，即可得到装配过程。飞机虚拟装配仿真过程研究所涉及的关键技术是位置变换技术，对飞机零部件空间位置的变换即是对其位置矩阵的变换[6]。 （1）飞机零部件坐标平移变换。设零部件的原始位置为（x，у，z），经过（a，b，c）距离的平移后，终点坐标为（x1，у1，z1），则零部件的位置变换矩阵如下：[x1,y1,z1]=[1 0 0,0 1 0,0 0 1,a b c],[x y z 1]。  （2）飞机零部件坐标旋转变换。设零部件的原始位置为（x1，у1，z1），分别绕x、y和z轴旋转θ角，终点坐标为（x2，у2，z2），则零部件绕x、y和z轴旋转的位置变换矩阵如下：Rx(Q)=[1 0 0 0,0 cosQ -sinQ 0,0 sinQ cosQ 0,0 0 0 -1],Ry(Q)=[cosQ 0 sinQ 0,0 1 0 0 ,-sinQ 0 cosQ 0,0 0 0 1],Rz(Q)=[cosQ -sinQ 0 0,sinQ cosQ 0 0 ,0 0 1 0,0 0 0 1]。 飞机虚拟装配过程仿真的基本思路是利用DELMIA系统，在计算机上直观展示出装配过程中飞机零部件的运动形态和空间位置关系，并对其运动过程进行干涉检验，检查飞机的可装配性。其流程如图1所示。 飞机虚拟装配工程仿真分析 1 飞机虚拟装配环境的构建 飞机虚拟装配环境的构建即是PPR装配结构树的构建，PPR结构树的构建包括以下3个方案。 （1）Product List的构建。 飞机装配零部件采用达索公司飞机设计专用设计软件CATIA VR18构建，将其保存为DELMIA系统所支持的格式*.CATProudct，将飞机零部件的三维数模导入到Product List中。 （2）Process List的构建。 采用“反装”方法虚拟整个飞机装配过程，依据装配仿真需要创建和编辑子工艺，主要包括视角变换（View Point Activity）、显示/隐藏（Visibility Activity-Ty）、拆装运动(Move Activity）等[7]。 （3）Resource List的构建。 DELMIA中的资源是指参与装配过程的所有非产品的实物元素，如飞机装配工装、运输工具、车间厂房、工人和机器人等。 本文飞机虚拟装配过程的PPR结构树如图2所示。 为使飞机装配过程得到细致、完整的展现，还大量创建了改变视角、添加文本等工艺子过程，利用PERT图调整装配顺序，快速设计出最优的飞机装配路径。 2 飞机装配过程的动态仿真 飞机装配过程的动态仿真是通过定义零部件的装配路径完成飞机的整个装配过程，即在工艺库内创建每个零部件的Move Activities子工艺，通过平移或旋转零部件来设计飞机的装配路径，其路径可用线条来表示。按飞机装配顺序定义加工路径，先将主要零部件的路径定义完毕后再定义其他细小零件的路径，使装配仿真细致且有条理地进行。 3 飞机装配过程干涉分析 在飞机装配过程中，依据自动生成的装配路径信息，同时借助DELMIA中的自动干涉检查模式，可对每个零、部件以及工装之间进行干涉检查。当系统发现零件之间、零件与工装之间存在干涉情况时将报警，并且可显示出干涉区域和干涉量，以方便工艺设计人员查找和分析发生干涉的原因。在整个飞机装配过程中发生干涉的部位如图3所示，主要包括由于零件数模重叠产生的干涉（见图3（a））、装配路径不合理产生的干涉和飞机零件与工装产生的干涉（见图3（b））。 飞机零件种类繁多，飞机装配过程中零部件之间以及零部件与工装之间极易发生干涉。其发生干涉的原因多为装配工艺顺序不合理或装配路径不合理。发生因零件数模重叠产生的干涉，设计人员可利用CATIA对发生干涉的零件重新设计来消除干涉；发生因装配工艺顺序和装配路径不合理产生的干涉，可通过对装配工艺顺序和装配路径进行详细分析，并不断修改，来消除干涉，直至获得最优的、无干涉的装配顺序和装配路径为止；发生因飞机零件与工装产生干涉，通过调整工装定位器来消除干涉。通过以上的实际应用表明，以DELMIA系统为平台对飞机进行虚拟装配过程仿真研究具有非常高的应用价值。 结束语 根据飞机装配的特点，利用DELMIA的虚拟装配技术，可以摆脱传统飞机装配的二维方式的束缚，使装配过程更形象、直观，同时可优化装配工艺设计，有效地提高飞机、工装的建模效率，有助于降低飞机研制开发成本、缩短飞机研制的开发周期。随着DELMIA虚拟装配技术的持续改善，通过使用DELMIA解决方案，能够极大地提高生产力和生产效率，同时在安全性和品质方面也会得到更大的效益。 参 考 文 献 [1] 范玉青.现代飞机制造技术.北京:北京航空航天大学出版社,2001. [2] 黄垒,夏平均,姚英学.虚拟装配工艺设计技术研究与应用.现代制造工程,2007(7):52-55. [3] 崔东.DELMIA在机械加工领域中的应用.航空制造技术,2007(12):100-102. [4] Liu GH, Yao YX.Development of anew virtual environment system for assembly. KeyEngineering Materials,2006,316(5):556-560. [5] 姜海涛.面向虚拟制造的装配仿真系统研究[D].南京:南京理工大学，2004. [6] Fuhrmann S.Designing a visualizationsystem for hydrological data.Computers &Geosciences,2000,26(1):11-19. [7] 刑莉,赵燕伟,苏楠,等.基于DELMIA的电动工具虚拟装配技术研究.机电工程，2008(25):35-38.(end)

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