基于Virtools的飞机装配仿真

王林林，付晓强

（1.西安航空职业技术学院 航空维修工程学院，陕西 西安 710089；2.西安飞豹科技发展公司 质量保证部，陕西 西安 710089）

飞机由于其零件及连接件数量多，产品结构形状复杂，质量要求高，而且在整个过程中飞机装配的劳动量和周期都是比较大的，周期也很长，飞机装配的劳动量约占整个制造飞机总劳动量的（45~60）%[1]，作为大型的复杂的运载设备，飞机更是综合运用了众多领域的先进技术，如新材料技术、先进的推进技术、通信技术、自动检测技术及电子对抗技术等。新技术的应用使得飞机的结构更加复杂，系统设备技术含量也日益增加，技术保障涉及的门类也日益广泛，因此飞机装配技术为延长飞机的使用寿命起着重要作用。在经济全球化、社会现代化的今天，将虚拟现实技术与传统的装配技术相融合是未来科技发展的必然趋势。虚拟装配式虚拟制造的核心技术之一[2]。传统装配技术一般在现场装配过程中或者生产出成品才发现其中的问题，虚拟装配能够大幅度提高产品的质量和开发的速度，减少了资金浪费。

在生产中飞机装配是指按一定要求，将零件、部件组合成总体飞机的过程。零件是指构成产品的最小单元。而飞机部件是由若干零件组成的飞机的某一的部分。而将飞机零件装配成飞机部件的过程称为飞机部件装配，简称飞机的部装。将飞机零件和飞机部件装配成整机的过程称为飞机的总装配，简称飞机的总装。

1 Virtools介绍

Virtools是一种虚拟现实软件，是法国达索公司（Dassault System）开发的一个强大的实时可视化的三维引擎平台。是一套具备多种互动行为模块的编辑软件，而且它能将3D模型、2D图形和音像等相结合，制作出符合不同客户需求的三维虚拟产品[3]。它的构建及其灵活，适用于不同类型的人群，对于普通的开发者也可以通过鼠标拖放脚本等方式，可以制作出高品质效果的作品。而对于高端的开发者，也可以利用Virtools软件中的 VSL（Virtools Scripting Language）和 SDK（Software Development Kit）创建自身需要的交换行为脚本和应用程序。它支持多种文件格式3dsmax、Maya等[4]，还可以直接导入导出具有达索系统标准的工业文件格式3D XML，使3D作品的制作更加方便，所以从其问世以来，收到广大虚拟爱好者的青睐，其应用领域也扩展到教学训练、装配仿真、产品展示等多个方面。片等，也包含临时创建的曲线、场景标识、对象的参数、属性等。所有这些对象都对应一个基类，即行为对象（Behavioral object），这些对象都是这个基类派生出来的[5]。Virtools中类的层次结构如图1所示。

图1 Virtools中类的结构图Fig.1 Diagram of class structure in virtools

2 总体装配工序步骤

1）建立模型：利用CATIA软件建立模型，飞机模型本文采用CATIA飞机装配体模型，其他如轨道、圆盘等是重新在CATIA中建立的，最终将所有模型导入Virtools创建的虚拟环境中[6]。

2）产品交互预装配：导入工件模型，定义工件的装配约束关系

3）工序信息提取：提取装配工序模型的基本信息，例如部件名称、结构层次、装配顺序等。

4）飞机装配的仿真：在Virtools软件中，建立飞机装配的虚拟环境，然后通过直观展示飞机装配过程中零部件的运动状态和空间位置关系，实现运动过程中的干涉检查和提示。接着运用检查结果优化飞机装配工艺，对装配顺序、装配路径等并进行修改。

3 飞机装配线的组织

1）飞机生产的装配车间的作业方式一般为流水线作业，这种作业方式具有以下特点：

2）装配流水线上每个工位只完成一种工作，专业性程度高。

3）流水线具有节奏性，能严格按着节拍生产。

4）装配流水线中各个工位完成生产所需时间大体相同，而起生产能力成比例而且平衡。如果设装配流水线各工位设备数目分别为 k1，k2，…，km，工位完成的时间设为 t1，t2，…，tm，则流水线节拍τ满足公式（1），就可以使生产线保持平衡。

5）运用这种流水线作业方式，当飞机批量生产时，其连续性会更加突出。

以某型号飞机装配线为例，将整个飞机生产过程分为6个工位，6个工位处放入6个圆盘，6个圆盘将轨道6等分，6个圆盘同时沿着轨道进行运动进入下一个工位，其具体工作过程如图2所示[7]。

图2 划分工位Fig.2 Division station

装配流水线节拍τ的公式为式（2）所示。

式中，N表示年计划产量，β表示装配流水线生产力的储备系数，f表示每个月计划的工作日，α表示装配工人出勤率，g表示每天工作的班数，γ表示时间的利用率，m表示工作时间的理论值，通常单位为s。

4 Virtools环境下装配流水线实现

我们以某型号飞机为例，介绍下Virtools环境下飞机装配流水线的实现，其主要分为两个部分，装配流水线运动的实现和各个工位上工作的完成。

装配流水线运动的实现主要是完成利用6个圆盘对轨道进行6等分，按着装顺序实现工位间的运动，每个工位运动一次就到了下一工位，而且在每个工位的停留时间是相同的，即每个工位工作的时间是相同的[8]。下面以其中的一个圆盘为例，实现圆盘的运动脚本流程如图3所示。

为了方便，每个工位的工作时间设为3 s，每个圆盘进入下一个工位的时间也设置为3 s，将轨道6等分是按着圆周的等分原理，其参数设置如图4所示。

在完成第一部分的基础上实现每个工位上工作的完成，本文中工位1是实现发动机、起落架的装配。工位2是实现飞机平尾的装配，工位3是实现飞机垂尾的装配，工位4是现实上下发动机罩的装配，工位5是现实左右机翼的装配，工位6实现机舱门的装配，工位6完成后飞机的总装完成，然后飞机直接进入厂房。本文只是一个仿真的装配主要是一个仿真作用，并没用做到碰撞检测，做好的飞机装配的效果图如图5所示。

通常在当生产的批量不大时，也可以用间歇式装配流水线。

5 结束语

飞机装配仿真技术不仅是现代飞机装配技术的重要组成部分，而且也是对飞机装配人员一项重要的培训内容。笔者通过运用仿真技术对某型号飞机进行虚拟装配线仿真，实现飞机装配生产线动态仿真、实践节拍计算，提供方案的手段，验证了飞机设计方案的合理性。结果表明：虚拟现实技术能够很好地应用在飞机装配仿真中，是对装配仿真的一种新的拓展。

图3 实现圆盘运动流程Fig.3 Implement the disc movement process

图4 轨道等分参数设置Fig.4 Rail uniform parameter setting

图5 飞机装配流水线图Fig.5 Diagram of the aircraft assembly line

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