基于CATIA系统虚拟装配技术应用研究

    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。

    1. 以设计为中心的虚拟装配
  以设计为中心的虚拟装配(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。