一、引 言

　　近年來，世界航空制造業(yè)市場的競爭日趨激烈，為了適應變化迅速的市場需求，產品研制周期、質量、成本、服務是每一個現(xiàn)代企業(yè)必須面對的問題。近20年來的實踐證明，將信息技術應用于新產品研制以及實施途徑的改造，是現(xiàn)代化企業(yè)生存、發(fā)展的必由之路。同時，人們逐步認識到先進的產品研制方法、手段以及實施途徑，實際上是產品研制質量、成本、設計周期等方面最有利的保證。以波音公司為例，在數(shù)字化代表產品——波音777的展示中，不像以往那樣重點宣傳新型飛機本身性能如何優(yōu)越，而是強調他們充分利用數(shù)字化研制技術以及產品研發(fā)人員的重新編隊等方面。波音777飛機項目順利完成的關鍵是依賴三維數(shù)字化設計與綜合設計隊伍(238個Team)的有效實施，保證飛機設計、裝配、測試以及試飛均在計算機上完成。研制周期從過去的8年時間縮減到5年，其中虛擬裝配的工程設計思想在研制過程中發(fā)揮了巨大的作用。

　　“虛擬裝配”(Virtual Assembly)是產品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術領域和仿真領域中得到了廣泛的應用研究。到底什么是虛擬裝配?它的內涵是什么?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系進行重新定位的過程，是有效分析產品設計合理性的一種手段。該定義強調虛擬裝配技術是一種模型重新進行定位、分析過程。

　　(2) 虛擬裝配是根據(jù)產品設計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產品的可裝配性。該定義著眼于產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，上述定義強調的方面是不同的，但是作為一項新概念、新技術的提出與實施，必須與具體的行業(yè)設計特性相結合才具有實際的意義，才能具有真正的內涵。因此，本文結合飛機研制的特點，給出如下的定義：虛擬裝配是在計算機上完成飛機零部件的實體造型，進行計算機裝配、干涉分析等多次協(xié)調的設計過程，并通過統(tǒng)一的產品數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)飛機三維設計過程與飛機零部件制造、裝配過程的高度統(tǒng)一。虛擬裝配技術在飛機的應用研究中，是一種全新的設計概念，它為飛機研制提供了一種新的設計方法與實施途徑，它的成功依賴于對飛機總體設計進程的控制。同時，飛機零部件模型數(shù)據(jù)的合理流動與彼此共享是實現(xiàn)虛擬裝配技術的基礎。

　　在飛機研制中，虛擬裝配包括設計過程、過程控制和裝配仿真三部分。

　　二、虛擬裝配基本設計思想及內涵

　　1. 以設計為中心的虛擬裝配

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

　　(1)面向裝配設計(DFA)產品研制過程是一項復雜的跨學科、跨部門的系統(tǒng)工程，需要在產品研制初期即設計階段進行總體的協(xié)調，主要是對產品協(xié)同工作進程的可行性與合理性分析，并且進行產品主體結構物理裝配方案評價。傳統(tǒng)的設計過程與裝配過程嚴重脫節(jié)，需要采用面向裝配設計(DFA)方法，即在設計初期把產品設計過程與制造裝配過程有機結合，從設計的角度來保證產品的可裝配性。引入面向產品裝配過程的設計思想，使設計的產品具有良好的結構，能高效地進行物理裝配，能在產品研制初期使設計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)的并行產品設計(CPD)基于并行產品設計的裝配技術支持自頂向下的設計方法，通過自頂向下的并行產品設計可以分層次地建立統(tǒng)一的產品動態(tài)電子樣機。

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

　　(3)與Master Model相關的可制造性設計和可裝配性設計 產品研制不同階段的主模型(Master Model)提供了一個面向設計群體的裝配設計環(huán)境，使得設計群體中每個成員的設計從產品設計的開始就被有效地控制在最終產品可裝配的范圍之內，并且實現(xiàn)突出以產品為核心的設計思想，保證產品設計工程師的工作與整個產品的進展過程相關聯(lián)，部件模型的變化將只反映到相應的裝配部件上，從而保證了模型數(shù)據(jù)的集成性，避免了設計工作的重復。同時，產品研制是多部門的協(xié)同工作過程，主機廠與輔機廠的合作往往受到各個企業(yè)的生產條件等方面的限制，結合各個企業(yè)的可生產能力和生產特性，改進產品設計模型的可制造性、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，使用標準化、模塊化的零部件，是非常必要的。以不同階段的Master Model為核心，可以保證產品研制的不同階段數(shù)據(jù)結構完整一致，保證產品研制的各個部門協(xié)同工作，實現(xiàn)CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的高度集成，有效地提高產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容：

　　(1)實現(xiàn)對產品總體設計進程的控制在產品數(shù)字化定義過程中，結合產品研制特點，我們人為地將虛擬裝配技術應用于產品設計過程劃分為三個階段：總體設計階段、裝配設計階段、詳細設計階段。通過對三個設計階段的控制，實現(xiàn)對產品總體設計進程的控制，虛擬裝配設計流程。

　　1)總體設計階段總體設計階段是產品研制的初期階段，在此階段進行產品初步的總體布局，主要包括：

　　☆ 建立主模型(Master Model)空間;

　　☆ 進行產品初步的結構、系統(tǒng)總體布局。

　　2) 裝配設計階段裝配設計階段為產品研制的主要階段，在此階段產品三維實體模型設計已經(jīng)基本完成，主要包括：

　　☆ 產品模型空間分配(裝配區(qū)域、裝配層次的劃分);

　　☆ 具體模型定義(建立幾何約束關系、三維實體模型等);

　　☆ 應力控制。

　　3)詳細設計階段詳細設計階段為產品研制的完善階段，在此階段完成產品三維實體模型的最終設計，主要包括：完成產品三維實體模型的最終設計，進行產品模型的計算機裝配，進行全機干涉檢查。

　　4)過程控制管理過程模型包含了產品開發(fā)的過程描述、過程內部相互關系和過程間的協(xié)作等方面內容。我們希望通過對過程模型的有效管理，實現(xiàn)對工程研制過程中各種產品設計結果和加工工藝等產品相關信息的管理，從而實現(xiàn)優(yōu)化產品開發(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)是在產品裝配設計模型中溶入仿真技術，并以此來評估和優(yōu)化裝配過程。其主要目標是評價產品可裝配性。

　　(1)優(yōu)化裝配過程目的是使產品能適應當?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行裝配。

　　(2)可裝配性評價主要是評價產品裝配的相對難易程度，計算裝配費用，并以此決定產品設計是否需要修改。

　　三、應用研究

　　1.基礎應用環(huán)境

　　虛擬裝配技術在飛機設計中的應用，需要一定的基礎應用環(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)、航空通用基礎標準和系統(tǒng)集成環(huán)境。

　　(1)協(xié)同工作環(huán)境飛機研制過程實際上是多部門、多學科、多系統(tǒng)之間的反復協(xié)調的工作過程。在飛機研制中，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某一方面的性能指標，而忽略了飛機的綜合性能指標，因此，有一個協(xié)同工作的基礎環(huán)境，實現(xiàn)支持異地設計、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、人機交互的基礎環(huán)境是非常必要的。

　　(2)統(tǒng)一的PDM與信息編碼系統(tǒng)飛機設計是一項復雜的系統(tǒng)工程，各項工程數(shù)據(jù)在IPT內部以及IPT之間的合理流動，有效管理是實現(xiàn)虛擬裝配技術的重要環(huán)節(jié)，必須能夠實現(xiàn)跨網(wǎng)絡平臺的協(xié)同設計，實現(xiàn)應用工具的“即插即用”，又能對應用工具產生的各種異構產品數(shù)據(jù)進行管理和傳遞，保證在正確的時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，這可以實現(xiàn)應用的集成。同時，為了便于對飛機設計數(shù)據(jù)管理，對飛機研制全過程的數(shù)據(jù)進行有效控制和管理，采用統(tǒng)一的信息編碼系統(tǒng)也是一項重要的應用基礎環(huán)節(jié)。

　　(3)航空通用基礎標準虛擬裝配技術在國外先進飛機公司得到了廣泛應用，他們各自建立了相關的標準體系，形成了良好的技術平臺。我國航空領域近幾年雖然積極推行該項技術，但只限于軟件技術的應用，普遍存在應用思想、方法以及實施途徑不一致的現(xiàn)象，無法實現(xiàn)行業(yè)CAD/CAE /CAPP/CAM技術的有效集成和廠所之間的數(shù)據(jù)交換。因此，在虛擬裝配應用于飛機研制過程中，建立航空通用基礎標準是一項基礎環(huán)節(jié)。

　　(4)系統(tǒng)集成環(huán)境系統(tǒng)集成絕不是把單項系統(tǒng)互連在一起，而是作為一個統(tǒng)一的基礎平臺進行考慮。包括兩個層次：物理系統(tǒng)集成環(huán)境，應用集成環(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，也就是將基礎物理平臺和信息處理設備用通信網(wǎng)絡互連起來。

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

　　2.飛機部件級產品實施方法及途徑

　　(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)某型飛機方向舵虛擬裝配技術應用研究我們選擇某型飛機方向舵的虛擬裝配技術應用研究作為工程實例，對虛擬裝配技術的工程應用思想、方法、具體實施途徑作進一步研究，為下一階段全機的應用提供一種基本的理論支持。

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

　　☆ 根據(jù)已經(jīng)建立的全機理論外形，提取方向舵結構理論外形;

　　☆ 布置方向舵主要的結構部分初始模型(舵梁、翼肋等);

　　☆ 系統(tǒng)構件進行初步布置、建立初始模型。

　　本階段結束時，必須凍結已經(jīng)建立的產品主模型空間，作為研制工作的基礎。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，作為模型設計共享的基礎。

　　2)裝配設計階段這是飛機模型具體建立階段。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：

　　☆ 建立方向舵主體結構簡單的實體模型;

　　☆ 定義具體結構裝配的分解線路(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(原則上與結構設計界面一致);

　　☆ 對于系統(tǒng)主要的走向，用簡單實體方式，進行初期布局;

　　☆ 建立模型間的具體裝配約束(Constraints)關系;

　　☆ 進行方向舵三維實體模型的具體設計;

　　☆ 通過PM系統(tǒng)從共享數(shù)據(jù)庫中提取相應的結構模型;

　　☆ 進行系統(tǒng)和設備的空間模型的具體設計;

　　☆ 進行計算機裝配(Computer Mock-Up 簡稱CMU)，干涉檢查;

　　☆ 進行初步的應力分析，如果模型的幾何要素作更改，需要重新進行計算機裝配(CMU)以及干涉檢查;

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

　　3)詳細設計階段本階段完成方向舵所有零件的設計工作，保證方向舵所有零件干涉自由，設計模型。本階段包括以下基本內容：

　　☆ 完善方向舵三維實體模型的細節(jié)設計;

　　☆ 傳遞本階段的設計模型至方向舵共享數(shù)據(jù)庫;

　　☆ 進行方向舵模型的計算機裝配(CMU)、干涉檢查，做到模型干涉自由;

　　☆ 通過PM系統(tǒng)傳遞最終的設計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、結束語

　　虛擬裝配的應用研究在國內主機廠和研究所才剛剛起步，但人們已經(jīng)逐漸地認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裝配技術的應用研究中逐漸體會到：改變產品研制人員的研制習慣和觀念、采用合理的虛擬裝配應用方法、建立一定的組織機構是實現(xiàn)虛擬裝配的核心，產品數(shù)據(jù)在研制中的合理管理和流動是實現(xiàn)虛擬裝配的基礎。