基于CATIA系統(tǒng)的虛擬裝配技術(shù)應用研究

1、基于CATIA系統(tǒng)的虛擬裝配技術(shù)應用研究     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(chǎn)品研制周期、質(zhì)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(shù)應用于新產(chǎn)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(chǎn)品研制方法、手段以及實施途徑，實際上是產(chǎn)品研制質(zhì)量、成本、設(shè)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(chǎn)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(diào)他們充

2、分利用數(shù)字化研制技術(shù)以及產(chǎn)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(guān)鍵是依賴三維數(shù)字化設(shè)計與綜合設(shè)計隊伍(238個Team)的有效實施，保證飛機設(shè)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(shè)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(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)，在虛擬技術(shù)領(lǐng)域和仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應用研究。到底什么是虛擬裝配？它的內(nèi)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。  &#

3、160;  (1) 虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進行重新定位的過程，是有效分析產(chǎn)品設(shè)計合理性的一種手段。該定義強調(diào)虛擬裝配技術(shù)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(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性，真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程，并允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維真實模擬裝配過程，以檢驗產(chǎn)品的可裝配性。該定義著眼于產(chǎn)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(diào)的方面是不同的，但是作為一項新概念、新技術(shù)的提出與實施，必須與具體的行業(yè)設(shè)計特性相結(jié)合才具有實際的意義，才

4、能具有真正的內(nèi)涵。因此，本文結(jié)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(diào)的設(shè)計過程，并通過統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)>' target='_blank' class='infotextkey'>管理，實現(xiàn)飛機三維設(shè)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(shù)在飛機的應用研究中，是一種全新的設(shè)計概念，它為飛機研制提供了一種新的設(shè)計方法與實施途徑，它的成功依賴于對飛機總體設(shè)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(shù)的基礎(chǔ)。  

5、60;  在飛機研制中，虛擬裝配包括設(shè)計過程、過程控制和裝配仿真三部分。 二、虛擬裝配基本設(shè)計思想及內(nèi)涵     1. 以設(shè)計為中心的虛擬裝配     以設(shè)計為中心的虛擬裝配(designCentered Virtual Assembly)是指在產(chǎn)品三維數(shù)字化定義應用于產(chǎn)品研制過程中，結(jié)合產(chǎn)品研制的具體情況，突出以設(shè)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(shè)計(DFA)產(chǎn)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(chǎn)品研制初期即設(shè)計階段進行總體的協(xié)調(diào)

6、，主要是對產(chǎn)品協(xié)同工作進程的可行性與合理性分析，并且進行產(chǎn)品主體結(jié)構(gòu)物理裝配方案評價。傳統(tǒng)的設(shè)計過程與裝配過程嚴重脫節(jié)，需要采用面向裝配設(shè)計(DFA)方法，即在設(shè)計初期把產(chǎn)品設(shè)計過程與制造裝配過程有機結(jié)合，從設(shè)計的角度來保證產(chǎn)品的可裝配性。引入面向產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計思想，使設(shè)計的產(chǎn)品具有良好的結(jié)構(gòu)，能高效地進行物理裝配，能在產(chǎn)品研制初期使設(shè)計部門與制造部門之間更有效地協(xié)同工作。     (2)自頂向下(TopDown)的并行產(chǎn)品設(shè)計(CPD)基于并行產(chǎn)品設(shè)計的裝配技術(shù)支持自頂向下的設(shè)計方法，通過自頂向下的并行產(chǎn)品設(shè)計可以分層次地建立統(tǒng)一的產(chǎn)品動態(tài)電子樣機。

7、60;   并行產(chǎn)品設(shè)計是對產(chǎn)品及其相關(guān)過程集成、并行地進行設(shè)計，強調(diào)開發(fā)人員從一開始就考慮產(chǎn)品從概念設(shè)計直至消亡的整個生命周期里的所有相關(guān)因素的影響，把一切可能產(chǎn)生的錯誤和矛盾盡可能及早發(fā)現(xiàn)，以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。并行產(chǎn)品設(shè)計的重點是多個產(chǎn)品開發(fā)組(Integrated Product Team，簡稱IPT)協(xié)同地并行設(shè)計，要求分布在不同地點、不同部門的產(chǎn)品設(shè)計工程師突出以產(chǎn)品為核心的設(shè)計思想，從不同角度、不同需求出發(fā)進行并行設(shè)計。    (3)與Master Model相關(guān)的可制造性設(shè)計和可裝配性設(shè)計 產(chǎn)品研制不同階段的主模

8、型(Master Model)提供了一個面向設(shè)計群體的裝配設(shè)計環(huán)境，使得設(shè)計群體中每個成員的設(shè)計從產(chǎn)品設(shè)計的開始就被有效地控制在最終產(chǎn)品可裝配的范圍之內(nèi)，并且實現(xiàn)突出以產(chǎn)品為核心的設(shè)計思想，保證產(chǎn)品設(shè)計工程師的工作與整個產(chǎn)品的進展過程相關(guān)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(shè)計工作的重復。同時，產(chǎn)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(chǎn)條件等方面的限制，結(jié)合各個企業(yè)的可生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性，改進產(chǎn)品設(shè)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

9、階段的Master Model為核心，可以保證產(chǎn)品研制的不同階段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完整一致，保證產(chǎn)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(chǎn)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(ProcessCentered Virtual Assembly)主要包含以下兩方面內(nèi)容：     (1)實現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進程的控制在產(chǎn)品數(shù)字化定義過程中，結(jié)合產(chǎn)品研制特點，我們?nèi)藶榈貙⑻摂M裝配技術(shù)應用于產(chǎn)品設(shè)計過程劃分為三個階段：總體設(shè)計階段、裝配設(shè)計

10、階段、詳細設(shè)計階段。通過對三個設(shè)計階段的控制，實現(xiàn)對產(chǎn)品總體設(shè)計進程的控制，虛擬裝配設(shè)計流程。     1)總體設(shè)計階段總體設(shè)計階段是產(chǎn)品研制的初期階段，在此階段進行產(chǎn)品初步的總體布局，主要包括：     建立主模型(Master Model)空間；     進行產(chǎn)品初步的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)總體布局。     2) 裝配設(shè)計階段裝配設(shè)計階段為產(chǎn)品研制的主要階段，在此階段產(chǎn)品三維實體模型設(shè)計已經(jīng)基本完成，主要包括：     產(chǎn)品模型空間分配(裝配區(qū)域、裝配

11、層次的劃分)；     具體模型定義(建立幾何約束關(guān)系、三維實體模型等)；      應力控制。     3)詳細設(shè)計階段詳細設(shè)計階段為產(chǎn)品研制的完善階段，在此階段完成產(chǎn)品三維實體模型的最終設(shè)計，主要包括：完成產(chǎn)品三維實體模型的最終設(shè)計，進行產(chǎn)品模型的計算機裝配，進行全機干涉檢查。     4)過程控制>' target='_blank' class='infotextkey'>管理過程模型包含了產(chǎn)品開發(fā)的過程描述、過程內(nèi)部

12、相互關(guān)系和過程間的協(xié)作等方面內(nèi)容。我們希望通過對過程模型的有效>' target='_blank' class='infotextkey'>管理，實現(xiàn)對工程研制過程中各種產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果和加工工藝等產(chǎn)品相關(guān)信息的>' target='_blank' class='infotextkey'>管理，從而實現(xiàn)優(yōu)化產(chǎn)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(SimulateCentered Virtual Asse