基于CATIA系统的虚拟装配技术应用研究

    [摘 要]　虚拟装配技术是在虚拟设计环境下，完成对产品的总体设计进程控制并进行具体模型定义与分析的过程。它可有效支持自顶向下的并行产品设计以及与Master Model相关的可制造性设计和可装配性设计，以缩短产品开发周期。本文在分析了虚拟装配技术基本思想后，提出了在飞机设计中实施虚拟装配技术应用的基础环境以及具体的实施方法和途径。

一、引言

    近年来，世界航空制造业市场的竞争日趋激烈，为了适应变化迅速的市场需求，产品研制周期、质量、成本、服务是每一个现代企业必须面对的问题。近20年来的实践证明，将信息技术应用于新产品研制以及实施途径的改造，是现代化企业生存、发展的必由之路。同时，人们逐步认识到先进的产品研制方法、手段以及实施途径，实际上是产品研制质量、成本、设计周期等方面最有利的保证。以波音公司为例，在数字化代表产品——波音777的展示中，不像以往那样重点宣传新型飞机本身性能如何优越，而是强调他们充分利用数字化研制技术以及产品研发人员的重新编队等方面。波音777飞机项目顺利完成的关键是依赖三维数字化设计与综合设计队伍（238个Team）的有效实施，保证飞机设计、装配、测试以及试飞均在计算机上完成。研制周期从过去的8年时间缩减到5年，其中虚拟装配的工程设计思想在研制过程中发挥了巨大的作用。

    “虚拟装配”（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。到底什么是虚拟装配？它的内涵是什么？这些至今仍然是人们讨论的问题。很多人曾经为虚拟装配进行定义，比较有代表性的有两个。

    (1) 虚拟装配是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效分析产品设计合理性的一种手段。该定义强调虚拟装配技术是一种模型重新进行定位、分析过程。

    (2) 虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实地模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。该定义着眼于产品物理装配过程的仿真过程，体现的思想也是一种分析过程。

    显然，上述定义强调的方面是不同的，但是作为一项新概念、新技术的提出与实施，必须与具体的行业设计特性相结合才具有实际的意义，才能具有真正的内涵。因此，本文结合飞机研制的特点，给出如下的定义：虚拟装配是在计算机上完成飞机零部件的实体造型，进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程，并通过统一的产品数据管理，实现飞机三维设计过程与飞机零部件制造、装配过程的高度统一。虚拟装配技术在飞机的应用研究中，是一种全新的设计概念，它为飞机研制提供了一种新的设计方法与实施途径，它的成功依赖于对飞机总体设计进程的控制。同时，飞机零部件模型数据的合理流动与彼此共享是实现虚拟装配技术的基础。

    在飞机研制中，虚拟装配包括设计过程、过程控制和装配仿真三部分。

二、虚拟装配基本设计思想及内涵

    1. 以设计为中心的虚拟装配

    以设计?中心的虚拟装配（Design—Centered Virtual Assembly）是指在产品三维数字化定义应用于产品研制过程中，结合产品研制的具体情况，突出以设计为核心的应用思想，这表现在以下三个层次。

    （1）面向装配设计（DFA）　产品研制过程是一项复杂的跨学科、跨部门的系统工程，需要在产品研制初期即设计阶段进行总体的协调，主要是对产品协同工作进程的可行性与合理性分析，并且进行产品主体结构物理装配方案评价。传统的设计过程与装配过程严重脱节，需要采用面向装配设计（DFA）方法，即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想，使设计的产品具有良好的结构，能高效地进行物理装配，能在产品研制初期使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。

    （2）自顶向下（Top—Down）的并行产品设计（CPD）　基于并行产品设计的装配技术支持自顶向下的设计方法，通过自顶向下的并行产品设计可以分层次地建立统一的产品动态电子样机。

    并行产品设计是对产品及其相关过程集成、并行地进行设计，强调开发人员从一开始就考虑产品从概念设计直至消亡的整个生命周期里的所有相关因素的影响，把一切可能产生的错误和矛盾尽可能及早发现，以缩短产品开发周期，降低产品成本，提高产品质量。并行产品设计的重点是多个产品开发组（Integrated Product Team，简称IPT）协同地并行设计，要求分布在不同地点、不同部门的产品设计工程师突出以产品为核心的设计思想，从不同角度、不同需求出发进行并行设计。

    （3）与Master Model相关的可制造性设计和可装配性设计 产品研制不同阶段的主模型（Master Model）提供了一个面向设计群体的装配设计环境，使得设计群体中每个成员的设计从产品设计的开始就被有效地控制在最终产品可装配的范围之内，并且实现突出以产品为核心的设计思想，保证产品设计工程师的工作与整个产品的进展过程相关联，部件模型的变化将只反映到相应的装配部件上，从而保证了模型数据的集成性，避免了设计工作的重复。同时，产品研制是多部门的协同工作过程，主机厂与辅机厂的合作往往受到各个企业的生产条件等方面的限制，结合各个企业的可生产能力和生产特性，改进产品设计模型的可制造性、可装配性，减少零部件模型的数量和特殊类型，减少材料种类，使用标准化、模块化的零部件，是非常必要的。以不同阶段的Master Model为核心，可以保证产品研制的不同阶段数据结构完整一致，保证产品研制的各个部门协同工作，实现CAD/CAM/CAE系统的高度集成，有效地提高产品可制造性和可装配性。

2．以过程控制为中心的虚拟装配

    以过程控制为中心的虚拟装配（Process—Centered Virtual Assembly）主要包含以下两方面内容：

    （1）实现对产品总体设计进程的控制　在产品数字化定义过程中，结合产品研制特点，我们人为地将虚拟装配技术应用于产品设计过程划分为三个阶段：总体设计阶段、装配设计阶段、详细设计阶段。通过对三个设计阶段的控制，实现对产品总体设计进程的控制，虚拟装配设计流程。

    1）总体设计阶段　总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产品初步的总体布局，主要包括：

☆ 建立主模型（Master Model）空间；
☆ 进行产品初步的结构、系统总体布局。

    2） 装配设计阶段　装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三维实体模型设计已经基本完成，主要包括：

☆ 产品模型空间分配（装配区域、装配层次的划分）；
☆ 具体模型定义（建立几何约束关系、三维实体模型等）；
☆ 应力控制。

    3）详细设计阶段　详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产品三维实体模型的最终设计，主要包括：完成产品三维实体模型的最终设计，进行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。

    （2）过程控制管理　过程模型包含了产品开发的过程描述、过程内部相互关系和过程间的协作等方面内容。我们希望通过对过程模型的有效管理，实现对工程研制过程中各种产品设计结果和加工工艺等产品相关信息的管理，从而实现优化产品开发过程的目的。

3. 以仿真为中心的虚拟装配

    以仿真为中心的虚拟装配（Simulate—Centered Virtual Assembly）是在产品装配设计模型中溶入仿真技术，并以此来评估和优化装配过程。其主要目标是评价产品可装配性。

    （1）优化装配过程　目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配单元，使装配单元能并行地进行装配。

    （2）可装配性评价　主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用，并以此决定产品设计是否需要修改。

三、应用研究

1．基础应用环境

    虚拟装配技术在飞机设计中的应用，需要一定的基础应用环境作为平台，主要包括以下几个方面：协同工作环境、统一的PDM与信息编码系统、航空通用基础标准和系统集成环境。

    （1）协同工作环境　飞机研制过程实际上是多部门、多学科、多系统之间的反复协调的工作过程。在飞机研制中，每一个专业、部门的工程师由于受专业和主观因素的制约，总是会过多地考虑飞机某一方面的性能指标，而忽略了飞机的综合性能指标，因此，有一个协同工作的基础环境，实现支持异地设计、异地装配、异地测试的工作环境，特别是基于广域网的三维图形的异地快速传递、过程控制、人机交互的基础环境是非常必要的。

    （2）统一的PDM与信息编码系统　飞机设计是一项复杂的系统工程，各项工程数据在IPT内部以及IPT之间的合理流动，有效管理是实现虚拟装配技术的重要环节，必须能够实现跨网络平台的协同设计，实现应用工具的“即插即用”，又能对应用工具产生的各种异构产品数据进行管理和传递，保证在正确的时间把正确的信息以正确的方式传递给正确使用的人。采用统一的PDM软件实现了人、数据、过程这三者的集成，而且通过软件提供的用户化集成工具箱，这可以实现应用的集成。同时，为了便于对飞机设计数据管理，对飞机研制全过程的数据进行有效控制和管理，采用统一的信息编码系统也是一项重要的应用基础环节。

    （3）航空通用基础标准　虚拟装配技术在国外先进飞机公司得到了广泛应用，他们各自建立了相关的标准体系，形成了良好的技术平台。我国航空领域近几年虽然积极推行该项技术，但只限于软件技术的应用，普遍存在应用思想、方法以及实施途径不一致的现象，无法实现行业CAD/CAE /CAPP/CAM技术的有效集成和厂所之间的数据交换。因此，在虚拟装配应用于飞机研制过程中，建立航空通用基础标准是一项基础环节。

    （4）系统集成环境　系统集成绝不是把单项系统互连在一起，而是作为一个统一的基础平台进行考虑。包括两个层次：物理系统集成环境，应用集成环境。

    物理系统集成环境是把各个“自动化孤岛”沟通起来，使之能够相互交换数据和信息，也就是将基础物理平台和信息处理设备用通信网络互连起来。

    应用集成环境是系统内各部分的应用及其用户之间的集成，包括人和机器之间的控制和信息集成。应用集成的实施要有公共数据库，要通过系统内或系统间的通讯、共享和处理各种信息资源。由于实际系统中异构问题的普遍存在，在应用集成的层次上就要提供一个技术的基础环境，能在全系统范围内，存取所需要的有关信息。

2．飞机部件级产品实施方法及途径

    （1）软硬件环境　我们所使用的软硬件环境如下：

硬件：IBM RISC/6000工作站；
软件：CATIA V4.1.9　PM V3.1及其支持环境。

    （2）某型飞机方向舵虚拟装配技术应用研究　我们选择某型飞机方向舵的虚拟装配技术应用研究作为工程实例，对虚拟装配技术的工程应用思想、方法、具体实施途径作进一步研究，为下一阶段全机的应用提供一种基本的理论支持。

    1）总体设计阶段　IPT根据飞机总体设计要求以及基本的总体设计参数，建立方向舵主模型空间，并进行初步的总体布局。总体设计阶段的模型。在此阶段，主要包括以下基本步骤：

☆ 根据已经建立的全机理论外形，提取方向舵结构理论外形；
☆ 布置方向舵主要的结构部分初始模型（舵梁、翼肋等）；
☆ 系统构件进行初步布置、建立初始模型。

    本阶段结束时，必须冻结已经建立的产品主模型空间，作为研制工作的基础。通过PM系统传递主模型空间数据到共享数据库，作为模型设计共享的基础。

    2）装配设计阶段　这是飞机模型具体建立阶段。本阶段主要包括以下三个重要环节：部件模型空间分配、应力控制、具体模型定义，主要包括以下基本步骤：

☆ 建立方向舵主体结构简单的实体模型；
☆ 定义具体结构装配的分解线路（建立装配层次、装配区域）；
☆ 按“系统最大空间”原理进行初步的系统布局；
☆ 定义各系统之间的界面（原则上与结构设计界面一致）；
☆ 对于系统主要的走向，用简单实体方式，进行初期布局；
☆ 建立模型间的具体装配约束（Constraints）关系；
☆ 进行方向舵三维实体模型的具体设计；
☆ 通过PM系统从共享数据库中提取相应的结构模型；
☆ 进行系统和设备的空间模型的具体设计；
☆ 进行计算机装配（Computer Mock-Up 简称CMU），干涉检查；
☆ 进行初步的应力分析，如果模型的几何要素作更改，需要重新进行计算机装配（CMU）以及干涉检查；
☆ 确定合理计算数据，通过PM系统传递计算数据至方向舵共享数据库。

    3）详细设计阶段　本阶段完成方向舵所有零件的设计工作，保证方向舵所有零件干涉自由，设计模型。本阶段包括以下基本内容：

☆ 完善方向舵三维实体模型的细节设计；
☆ 传递本阶段的设计模型至方向舵共享数据库；
☆ 进行方向舵模型的计算机装配（CMU）、干涉检查，做到模型干涉自由；
☆ 通过PM系统传递最终的设计模型至方向舵共享数据库；
☆ 释放方向舵的模型数据。

四、结束语

    虚拟装配的应用研究在国内主机厂和研究所才刚刚起步，但人们已经逐渐地认识到虚拟装配所能发挥的巨大作用和发展潜力。我们在虚拟装配技术的应用研究中逐渐体会到：改变产品研制人员的研制习惯和观念、采用合理的虚拟装配应用方法、建立一定的组织机构是实现虚拟装配的核心，产品数据在研制中的合理管理和流动是实现虚拟装配的基础。