沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 劉 春 張洪瑞 史紅祥

北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院 王 巍

20世紀(jì)90年代以來，飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用表明，數(shù)字化裝配技術(shù)是保證和提升飛機(jī)綜合質(zhì)量的有效途徑。隨著數(shù)字化制造技術(shù)的逐步發(fā)展，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)已成為現(xiàn)代制造業(yè)中不可或缺的重要手段和技術(shù)，特別是零部件數(shù)量龐大、技術(shù)含量和綜合程度高、研制周期長和成本開銷大的制造業(yè)，如航空、航天、汽車、船舶等領(lǐng)域[1]。

通過應(yīng)用數(shù)字化裝配過程仿真技術(shù)，在工裝結(jié)構(gòu)、裝配工藝設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)員不僅可以通過屏幕上的三維動(dòng)態(tài)仿真直觀地看到整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，而且可以分析運(yùn)動(dòng)的極限位置轉(zhuǎn)角、干涉情況、空間運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)等，設(shè)計(jì)人員還可以提前對(duì)設(shè)計(jì)和制造中可能出現(xiàn)的問題和缺陷做出高效的預(yù)測(cè)和改進(jìn)，為設(shè)計(jì)和制造提供一種理論依據(jù)[2]。例如，Boeing777在研制的過程中，采用數(shù)字化、無紙化設(shè)計(jì)，并采用裝配仿真技術(shù),使產(chǎn)品開發(fā)周期縮短了40%～60%，制造成本降低了30%～40%[3]，由此可見，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)在現(xiàn)代制造業(yè)中具有重要的作用和意義。

本文重點(diǎn)研究了在DELMIA平臺(tái)上通過運(yùn)用DPM-Assembly Process Simulation模塊和Ergonomics Design & Analysis模塊對(duì)某通用飛機(jī)機(jī)翼進(jìn)行全過程裝配仿真和分析，在該虛擬裝配環(huán)境中完成機(jī)翼的裝配順序仿真、裝配干涉仿真和人機(jī)工程仿真等，并根據(jù)仿真驗(yàn)證和評(píng)估的結(jié)果對(duì)其裝配工藝方法進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

裝配仿真技術(shù)

裝配仿真技術(shù)又稱數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，即為廣義的虛擬裝配技術(shù)，從本質(zhì)上講，裝配仿真主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)層次的映射[4]：(1)用產(chǎn)品虛擬模型映射產(chǎn)品物理模型；(2)用虛擬的裝配仿真過程映射真實(shí)的物理裝配過程。裝配仿真技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)2個(gè)目標(biāo)：(1)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行可裝配、拆卸性驗(yàn)證，并為再設(shè)計(jì)提供參考；(2)進(jìn)行裝配規(guī)劃，并獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝信息，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。而在實(shí)際生產(chǎn)中，裝配仿真技術(shù)的主要應(yīng)用可以概括為以下方面內(nèi)容：裝配順序仿真、裝配干涉檢查、工裝/夾具設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證、人機(jī)工程仿真、裝配指導(dǎo)和規(guī)范[5]。采用裝配仿真技術(shù)的明顯優(yōu)勢(shì)是：在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，通過三維模型在虛擬環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)和工藝方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)實(shí)際裝配之前的虛擬裝配，在設(shè)計(jì)階段就能夠消除潛在的裝配缺陷，是飛機(jī)數(shù)字化并行設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)的逐步推廣和提升，裝配仿真技術(shù)已成為優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、縮短產(chǎn)品研制周期和降低成本的必要手段。

目前，常用的裝配仿真軟件主要有CATIA、PRO/E、UG、DELMIA等。其中，DELMIA是在航空制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的一款仿真軟件，是由達(dá)索公司開發(fā)的主要針對(duì)制造業(yè)裝配過程仿真的大型工業(yè)軟件，該系統(tǒng)以“數(shù)字化制造技術(shù)”為核心，重點(diǎn)解決制造過程的仿真問題，并為此提供了定義和模擬數(shù)字化制造流程的各項(xiàng)功能，該系統(tǒng)有幾十個(gè)模塊，如圖1所示，其中，在機(jī)翼的裝配模擬仿真中主要應(yīng)用Plant Layout、DPM-Assembly Process Simulation 和Ergonomics Design & Analysis等幾個(gè)模塊。Plant Layout主要用于工廠的規(guī)劃設(shè)計(jì)仿真，DPM-Assembly Process Simulation主要用于裝配流程的仿真，Ergonomics Design &Analysis主要用于人機(jī)工程。

圖1 DELMIA的主要模塊

機(jī)翼結(jié)構(gòu)與裝配工藝

某通用飛機(jī)機(jī)翼主要是由翼梁、縱墻、長桁、翼肋等構(gòu)件和蒙皮共同形成的薄壁鈑金部件，其三維框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于飛機(jī)機(jī)翼外形精度要求高，機(jī)翼內(nèi)部鈑金零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配量大，裝配工藝復(fù)雜，主要采用機(jī)翼裝配型架進(jìn)行裝配。

圖2 某通用飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)圖

在機(jī)翼裝配中主要是通過鉚接、螺紋聯(lián)接、鉸接等傳統(tǒng)的聯(lián)接工藝進(jìn)行裝配，由于機(jī)翼對(duì)外形輪廓有很高的要求，但機(jī)翼零件多為鈑金和薄壁零件，剛度小，且在裝配中易產(chǎn)生應(yīng)力和變形，所以需要裝配型架來定位和夾緊裝配件以保證裝配的準(zhǔn)確度，實(shí)際生產(chǎn)中：通過定位器固定零部件，保證零件的相對(duì)位置；通過卡板保證機(jī)翼的外形精度。根據(jù)機(jī)翼的三維數(shù)模和工藝分析設(shè)計(jì)裝配工裝，圖3所示為機(jī)翼裝配型架。

圖3 某通用飛機(jī)機(jī)翼裝配型架

上述機(jī)翼裝配過程按其實(shí)際情況分為 3個(gè)層次：(1)由單個(gè)零件組裝成翼梁、翼肋、蒙皮等部件，包括一些聯(lián)接部件、耳片、加強(qiáng)筋、長桁的安裝；(2)由次級(jí)組件組裝翼盒、翼尖、襟翼、副翼；(3)機(jī)翼的總體裝配。下面以翼盒裝配為例，詳細(xì)介紹其實(shí)際裝配過程：首先把組裝好的機(jī)翼前梁和后梁通過定位器固定在型架的卡板上；然后把翼肋中段和前段依次安裝在翼梁上，鉚接聯(lián)接；再把機(jī)翼前緣蒙皮從下部安裝在翼肋前段上，用底部托板定位，鉚接聯(lián)接；再把蒙皮依次定位在框架上，通過卡板預(yù)固定，鉚接；鉚接完成后，打開卡板、定位器、托板，把裝配好的翼盒從裝配型架上取出。

裝配工藝及工裝的仿真驗(yàn)證

1 機(jī)翼裝配工藝過程仿真

將某通用飛機(jī)機(jī)翼的三維數(shù)字模型和設(shè)計(jì)好的工裝型架模型導(dǎo)入DELMIA的仿真環(huán)境中，調(diào)整其相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合該機(jī)翼的裝配工藝及工裝信息，根據(jù)裝配順序進(jìn)行裝配仿真工藝流程的創(chuàng)建，完成工藝流程順序的建立、調(diào)整，為流程中的各節(jié)點(diǎn)指派產(chǎn)品和資源模型，并驗(yàn)證裝配流程的有效性[6]。圖4為創(chuàng)建裝配仿真工藝流程的過程。圖5為某通用飛機(jī)機(jī)翼裝配仿真的結(jié)構(gòu)樹。

圖4 裝配仿真工藝流程的創(chuàng)建

圖5 某通用飛機(jī)機(jī)翼裝配仿真結(jié)構(gòu)樹

(1)裝配順序驗(yàn)證。

根據(jù)產(chǎn)品信息、裝配工藝流程信息和資源信息，以及定義好的裝配路徑，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程的三維動(dòng)態(tài)仿真。在DPM中對(duì)裝配工藝過程進(jìn)行分析，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)干擾情況檢測(cè)、距離與間隙檢測(cè)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切、運(yùn)動(dòng)空間分析、物理測(cè)量分析、裝配過程時(shí)間分析等。通過分析結(jié)果，對(duì)裝配順序、裝配空間、裝配路徑等方面的問題進(jìn)行反饋與優(yōu)化，直到得到合理的裝配工藝[6]。裝配過程仿真的創(chuàng)建過程如圖6所示。

圖6 裝配過程仿真

(2)裝配干涉檢查。

在裝配仿真過程中，DELMIA提供了強(qiáng)大的干涉檢驗(yàn)功能，如圖6(a)中仿真工具條中的干涉和碰撞檢測(cè)工具，可實(shí)時(shí)地檢測(cè)零件與零件、零件與部件、零件與工裝等各個(gè)方面在運(yùn)動(dòng)過程中是否與其他對(duì)象發(fā)生干涉或碰撞。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)干涉時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出干涉警報(bào)，并對(duì)存在的干涉情況形成干涉檢驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告包括干涉零件、干涉區(qū)域、干涉量等信息(見圖7)，以幫助工藝人員查找和分析干涉原因，并迅速修改不合理的裝配工藝。在該機(jī)翼裝配仿真過程中發(fā)現(xiàn)：卡板在開合過程中和蒙皮之間有干涉，并且機(jī)翼下架時(shí)有局部干涉等問題存在。最終，根據(jù)仿真結(jié)果分析進(jìn)行調(diào)整。該機(jī)翼在實(shí)際生產(chǎn)中仍出現(xiàn)了干涉問題，經(jīng)過分析得知，是由于零件尺寸誤差累積和裝配變形的問題而引起，但相對(duì)以往不進(jìn)行裝配仿真而直接進(jìn)行生產(chǎn)來說，制造過程中發(fā)生的干涉問題數(shù)量明顯減少。

圖7 干涉檢驗(yàn)

2 人機(jī)工程仿真

將定義好的三維人體模型放入人機(jī)環(huán)境模塊中進(jìn)行人體和產(chǎn)品之間互動(dòng)關(guān)系的動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)工作環(huán)境的可操作性和人體在作業(yè)環(huán)境中的各個(gè)工作姿態(tài)和人體操作舒適度進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，修改和優(yōu)化工藝流程和制造資源，可以最大程度提高工人在工作時(shí)的舒適度和安全性，進(jìn)而提升工作效率。例如，在機(jī)翼前緣裝配時(shí)需要工人長時(shí)間采用躬身或者蹲坐的姿勢(shì)進(jìn)行裝配，而機(jī)翼后緣則需要工人長時(shí)間仰視或者在扶梯上進(jìn)行裝配。利用人機(jī)工程仿真，可以對(duì)人體的姿態(tài)進(jìn)行舒適度分析，進(jìn)而更改裝配型架的設(shè)計(jì)或者調(diào)節(jié)裝配平臺(tái)的高度，使工人在相對(duì)舒適的姿態(tài)下工作，保護(hù)工人的同時(shí)，也提高了生產(chǎn)效率。飛機(jī)裝配中的人機(jī)仿真流程如圖8所示。圖9為某時(shí)刻的人體姿態(tài)分析，以不同顏色表示人體姿態(tài)的舒適度。圖10則為人機(jī)工程仿真中2位工作人員正在進(jìn)行鉚接作業(yè)。

圖8 人機(jī)工程仿真流程

圖9 人體姿態(tài)分析

圖10 人機(jī)工程仿真作業(yè)

3 形成裝配指導(dǎo)和規(guī)范

通過整個(gè)裝配仿真過程視頻動(dòng)畫的形式，可以進(jìn)行可視化教學(xué)，幫助操作人員直觀地了解操作全過程，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)可視化裝配，降低對(duì)工人的技術(shù)要求，減少工人培訓(xùn)上崗的時(shí)間，同時(shí)也可制作成三維裝配工藝規(guī)范，規(guī)范統(tǒng)一工人操作，提高產(chǎn)質(zhì)量。這些仿真視頻也可用于產(chǎn)品的維修和維護(hù)，方便維修人員在不拆卸機(jī)翼的情況下了解機(jī)翼結(jié)構(gòu)，便于維修檢查。在某飛機(jī)機(jī)翼制造中，把裝配仿真過程制作成視頻，用于工人培訓(xùn)，可以使員工培訓(xùn)時(shí)間平均縮短約30%，生產(chǎn)前期合格率提升約20%，生產(chǎn)效率提高約18%，從而大大縮短研制生產(chǎn)周期。

結(jié)束語

本文利用基于DELMIA軟件的虛擬裝配技術(shù)，以某通用飛機(jī)機(jī)翼的虛擬裝配為例，對(duì)裝配仿真技術(shù)進(jìn)行了研究分析。首先分析了機(jī)翼結(jié)構(gòu)、工藝和工裝設(shè)計(jì)方案；然后利用DELMIA仿真軟件對(duì)機(jī)翼裝配順序和工裝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，通過裝配過程的仿真，檢查了工藝及工裝的設(shè)計(jì)方案，并解決了存在的問題(如零件、定位器、卡板干涉等問題)，實(shí)現(xiàn)了在虛擬環(huán)境下對(duì)工藝及工裝設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證、改進(jìn)和優(yōu)化。為了提高裝配現(xiàn)場(chǎng)人員的工作效率，利用DELMIA人機(jī)工程學(xué)仿真功能，對(duì)人員工作效能方面進(jìn)行了分析，使人員在使用工裝工作時(shí)處于最佳姿態(tài)，充分發(fā)揮工人的工作效率。

在產(chǎn)品制造之前就應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)對(duì)工藝方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，徹底改變了傳統(tǒng)制造行業(yè)依據(jù)實(shí)物驗(yàn)證的落后方法，而且在某種程度上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的并行化，大大地縮短了飛機(jī)的研制周期，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。但目前的裝配仿真技術(shù)仍處于發(fā)展階段，還存在一些不足(如零件的尺寸和外形超差不能在仿真中真實(shí)的體現(xiàn)，裝配仿真不能反應(yīng)裝配變形等)需要進(jìn)行改進(jìn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，裝配仿真技術(shù)會(huì)更加完善，并將在未來的制造中發(fā)揮更重要的作用。

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