飛機(jī)平尾前梁裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真

劉洋谷

（云南機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限責(zé)任公司，昆明 650031）

飛機(jī)平尾前梁裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真

劉洋谷

（云南機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限責(zé)任公司，昆明 650031）

以某型飛機(jī)的前梁為例，闡述數(shù)字化虛擬預(yù)裝配的過(guò)程，以及具體的操作技巧。通過(guò)分析產(chǎn)品數(shù)模，工裝數(shù)模，進(jìn)行裝配過(guò)程的仿真，依靠DELMIA與CATIA軟件，發(fā)現(xiàn)了數(shù)模中存在的問(wèn)題，預(yù)測(cè)裝配中出現(xiàn)的干涉，修正裝配的一部分順序，改進(jìn)裝配大綱。

產(chǎn)品數(shù)模；工藝性分析；裝配仿真

飛機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)始于20世紀(jì)80年代〔1〕，它大大縮短了飛機(jī)制造的周期，節(jié)省了飛機(jī)制造的成本，減少了錯(cuò)誤和返工的時(shí)間〔2〕，也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量?，F(xiàn)在，飛機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域。

1 前梁的數(shù)模分析

1.1 前梁的組件 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大；薄壁、易變形；加工精度高。在數(shù)模分析時(shí)，對(duì)以上特點(diǎn)需深思熟慮〔3〕。

前梁的上、下緣條屬于細(xì)長(zhǎng)件，容易發(fā)生變形，在裝配時(shí)只能短暫平移，同時(shí)應(yīng)該受力均衡地被夾緊，不能與其它零部件發(fā)生擠壓和摩擦。

前梁的加強(qiáng)支柱與連接角材都是屬于前梁的加強(qiáng)件。在力學(xué)上增加前梁的強(qiáng)度，同時(shí)保持前梁的形狀，防止平尾在飛行中發(fā)生變形，同時(shí)又要能使平尾具備一定的彈性，滿足強(qiáng)度和剛度要求。

加強(qiáng)支柱與連接角材的安裝較為方便，但工作量大，重復(fù)勞動(dòng)多，工序繁瑣，容易出差錯(cuò)，在仿真時(shí)需認(rèn)真熟悉各個(gè)角材的編號(hào)。

腹板材料為7075-T6包鋁板，厚度3.18mm，屬于典型的薄壁件。在數(shù)模中，腹板是被加強(qiáng)支柱與連接角材固定的，所以在裝配仿真時(shí)，在加強(qiáng)支柱與連接角材被安裝之前，需要有夾具對(duì)腹板進(jìn)行固定。

對(duì)于口蓋，按照工裝的設(shè)計(jì)，口蓋是在垂直狀態(tài)裝上前梁的，為了避免滑落，口蓋必須馬上被固定，定位口蓋的同時(shí)還不能影響到后續(xù)部件的安裝以及工裝的定位與夾緊。

1.2 前梁的工裝 在仿真過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)工裝部分的仿真比零部件本身的仿真還要困難，因?yàn)楣ぱb的數(shù)量比零部件多、繁雜，更容易發(fā)生干涉與錯(cuò)誤。工裝是飛機(jī)制造的特點(diǎn)與難點(diǎn)，也是制約飛機(jī)制造周期的瓶頸。見(jiàn)圖1。

圖1 工裝的作用

一個(gè)裝配完畢的前梁是被完全包在工裝當(dāng)中的，如圖2。其中，上、下緣條是被夾具夾緊的。在裝配之前，應(yīng)該松開(kāi)夾具，在零部件裝配到位之后，再夾緊定位。

圖2 前梁被包在工裝當(dāng)中

2 裝配工藝性分析

2.1 確定仿真內(nèi)容 此次裝配仿真的重點(diǎn)將集中在檢查零部件與工裝的干涉，由于裝配大綱（A ssembly Outline，AO）中沒(méi)有具體地提出具體零件的裝配順序，因此仿真首先就要確保找到一個(gè)合理的裝配順序，讓零部件與工裝都能在不碰撞、不穿越，甚至不摩擦其余零件的情況下順利地裝配。其次就是在裝配的過(guò)程中確保各個(gè)零件不發(fā)生碰撞〔4〕。

2.2 初步確定前梁裝配順序 根據(jù)對(duì)AO與數(shù)模的分析，初步確定前梁的裝配順序：①安裝上、下緣條。安裝前夾具全開(kāi)。②安裝腹板。腹板共3件，每安裝到位一塊后夾具關(guān)閉，腹板定位器同時(shí)插入銷(xiāo)釘，完成定位。③安裝加強(qiáng)支柱。551A2100-000-003編為1號(hào)，依次類推，直到551A2100-000-019為9號(hào)。每裝完一片支柱后立刻安裝卡板定位。④安裝口蓋。口蓋共5片。其中口蓋551A2100-000-071與口蓋551A2100-000-075在安裝時(shí)需要夾具再次打開(kāi)。⑤安裝連接角材。551A2100-000-021編為1號(hào)，依次類推，直到551A2100-000-057為19號(hào)。裝完一片角材后立刻安裝卡板定位。

按照以上順序裝配，可以保證零部件與工裝都不會(huì)出現(xiàn)穿越的狀況。內(nèi)部的零部件與工裝先裝，外部的零部件與工裝后裝。

3 裝配過(guò)程模擬

3.1 裝配工藝流程信息 啟動(dòng)DLEMIA軟件，使用“創(chuàng)建新作業(yè)類型”和“創(chuàng)建新作業(yè)子類型”創(chuàng)建裝配仿真工藝庫(kù)并保存。如圖3。

圖3 前梁裝配仿真工藝庫(kù)

增加活動(dòng)Insert Activity，選菜單或圖標(biāo)，出現(xiàn)對(duì)話框，點(diǎn)選相應(yīng)活動(dòng)類型和對(duì)應(yīng)Process節(jié)點(diǎn)，依次增加活動(dòng)。打開(kāi)Pert圖（Open Pert Chart），高亮PPR上所選編輯部分，點(diǎn)擊Open PERTChart圖標(biāo)，規(guī)劃好裝配順序〔5〕。

3.2 裝配環(huán)境構(gòu)建 在此需要使用到與DLEMIA同系列的CATIA軟件建模。建立工作臺(tái)與車(chē)間地面。通過(guò)“Insert Resources”與“Insert Product”建立裝配環(huán)境，見(jiàn)圖4。

圖4 前梁的裝配工廠

3.3 裝配過(guò)程模擬 ①完成關(guān)聯(lián)。通過(guò)Assign an Item按鈕實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)品，通過(guò)Assign a resource按鈕實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)資源。②創(chuàng)建基本運(yùn)動(dòng)。在創(chuàng)建基本運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，常用的命令有：記錄運(yùn)動(dòng)命令，重新排序命令，修改命令，保存初始位置命令，檢查路徑滑塊，碰撞檢測(cè)按鈕。

在編輯路徑完成后，可以點(diǎn)擊與之對(duì)應(yīng)的Process，再點(diǎn)擊Process Simulation按鈕，就可以播放裝配動(dòng)畫(huà)。

前梁的裝配流程中，總共有50個(gè)輔助的裝配動(dòng)作，41個(gè)組件的動(dòng)作，252個(gè)工裝的動(dòng)作。

4 裝配可達(dá)性分析

4.1 數(shù)模的數(shù)據(jù) 在此次仿真當(dāng)中，有的數(shù)模在剛剛分析的時(shí)候就已經(jīng)暴露出一些問(wèn)題。如數(shù)模尺寸明顯不合理。如圖5的夾具，此夾具是無(wú)法被撥動(dòng)上去。一個(gè)間隙合理的夾具應(yīng)該如圖6，該夾具就可以被撥動(dòng)上去，等緣條裝配到位之后再下?lián)芸ňo〔6〕。

圖5 間隙不夠的夾具

圖6 間隙合理的夾具

解決方案就是修改模型，加長(zhǎng)間隙。制造廠在制造時(shí)，仍然采用了保守的方法，最終依據(jù)還是二維圖紙，所以，對(duì)于該錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)人員是先將其投影到二維圖紙上，并在二維圖紙標(biāo)注上直接做更改（因涉及保密，尺寸數(shù)據(jù)，工藝規(guī)程的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析在此不能列出）〔7〕。

4.2 裝配的干涉 由于螺栓太多，有的螺栓出現(xiàn)了擠壓。見(jiàn)圖7。在裝配中，就要仔細(xì)規(guī)劃每一個(gè)螺栓的先后順序，其中一個(gè)螺栓在后來(lái)的安裝角材工序時(shí)需再次拔下，但是裝配完全后的兩個(gè)螺栓還是有明顯的粘合，發(fā)生擠壓變形〔8〕。

圖7 螺栓的粘合

螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件，不可隨意更改數(shù)模，在實(shí)際裝配時(shí)，幾個(gè)工人很費(fèi)力地把螺栓掰進(jìn)去，最后沒(méi)有影響到總體的質(zhì)量。因此，這樣的問(wèn)題只是造成了一些不便，并未對(duì)裝配過(guò)程造成影響。

進(jìn)行裝配仿真的目的就是為了檢查問(wèn)題。在制造實(shí)物之前，采用相關(guān)的CAD軟件進(jìn)行了裝配仿真，事先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)更改。避免制造出廢品，節(jié)約成本，節(jié)省返工的時(shí)間。由此，裝配仿真在飛機(jī)制造中非常必要〔9〕。

4.3 工作量排序 在此次仿真時(shí)，工作量大，重復(fù)勞動(dòng)多。實(shí)際的裝配過(guò)程，必然耗費(fèi)工人體力，降低生產(chǎn)效率。此次裝配仿真中，節(jié)省工作量成為一個(gè)難題〔10〕。

為了解決工作量問(wèn)題，需要從應(yīng)用數(shù)學(xué)中的運(yùn)籌學(xué)尋求數(shù)學(xué)工具〔11〕。經(jīng)過(guò)查找，解決這種排序問(wèn)題的數(shù)學(xué)工具稱為動(dòng)態(tài)規(guī)劃。

根據(jù)多階段決策過(guò)程模型，裝配仿真的過(guò)程可以被分為若干個(gè)互相聯(lián)系的階段（某一組同類型的零件的同時(shí)裝配），在每一個(gè)階段都需要作出決策（裝配的過(guò)程），從而使整個(gè)過(guò)程達(dá)到最好的活動(dòng)效果（沒(méi)有干涉并且高效）。同時(shí)，各個(gè)階段的決策選取并非任意確定，它依賴于當(dāng)前面臨的狀態(tài)，又影響以后的發(fā)展。當(dāng)各個(gè)階段決策確定后，組成一個(gè)決策序列，決定了整個(gè)過(guò)程的一條活動(dòng)路線。

這種把一個(gè)問(wèn)題可看作是一個(gè)前后關(guān)聯(lián)具有鏈狀結(jié)構(gòu)的多階段過(guò)程就稱為多階段決策過(guò)程。見(jiàn)圖8〔12〕。

圖8 多階段決策過(guò)程

首先，將各個(gè)零部件進(jìn)行階段的分類。根據(jù)裝配狀況，分為內(nèi)部件階段、中間件階段與外部件階段。內(nèi)部件：前梁的上、下緣條，腹板。后梁的上、下緣條與腹板。這些零部件最先被裝進(jìn)去固定，并且其它零部件安裝在它們之上。外部件：前梁的加強(qiáng)支柱、連接角材，后梁的加強(qiáng)肋、連接角材。這些零部件最后被裝上，它們的工裝也都在最外部。中間件：是指前梁的口蓋。它們本質(zhì)上屬于外部件，但為避免干涉，應(yīng)作為特殊的中間件。經(jīng)推敲，各個(gè)零件的工裝不作為獨(dú)立的階段，而是被編入與之相對(duì)應(yīng)的零部件上，數(shù)學(xué)上將每個(gè)零件都與工裝一起被抽象為一個(gè)階段。

前梁的裝配分為三個(gè)大階段后，每個(gè)階段的零部件都可以同時(shí)進(jìn)行裝配。至于階段之間的狀態(tài)劃分，可以劃分為三個(gè)狀態(tài)：裝配前，裝配完成，工裝定位。

這樣，前梁的裝配就可以簡(jiǎn)化為三步：①打開(kāi)型架的夾具，上、下緣條，所有腹板同時(shí)入架，夾具直接夾緊。但是3號(hào)與4號(hào)夾具不能夾緊，因?yàn)檫€有后面的口蓋。②同時(shí)安裝所有口蓋，3號(hào)與4號(hào)夾具夾緊?？谏w是一字排開(kāi)的，彼此有一定的距離，能實(shí)現(xiàn)同時(shí)裝配，裝配工人可以同時(shí)拿著口蓋排隊(duì)走到型架上相應(yīng)的位置。③同時(shí)安裝所有連接角材與所有加強(qiáng)支柱，再工裝夾緊。加強(qiáng)支柱與連接角材也是一字排開(kāi)的，但是加強(qiáng)支柱與連接角材是交錯(cuò)排布的，裝配時(shí)需要找對(duì)位置。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)不是什么時(shí)髦，而是各個(gè)航空大國(guó)都已經(jīng)必須廣泛使用的技術(shù)。相比之下，我國(guó)雖然也在數(shù)字樣機(jī)方面做了很大努力，但是還不及波音、空客等航空巨頭那么普及與規(guī)范。由于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)給飛機(jī)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，也使得我們國(guó)家面臨前所未有的挑戰(zhàn)。把數(shù)字樣機(jī)技術(shù)變得不斷規(guī)范、不斷成熟、不斷普及就是我國(guó)將來(lái)的發(fā)展任務(wù)。

〔1〕余鋒杰，柯映林，方強(qiáng).基于飛機(jī)自動(dòng)化對(duì)接裝配實(shí)例的工藝選優(yōu)〔J〕.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010（1）：175-181.

〔2〕李景新，鄭國(guó)磊.DLEMIA系統(tǒng)在飛機(jī)裝配模擬中的應(yīng)用研究〔J〕.航空制造技術(shù)，2008（11）：90-93.

〔3〕周秋忠，范玉青.基于數(shù)字標(biāo)工模型的飛機(jī)數(shù)字化協(xié)調(diào)方法〔J〕.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2008，14（4）：83-89.

〔4〕燕宜軍，葉文華，楊雨圖.基于AO的飛機(jī)架次管理系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)〔J〕.企業(yè)管理與信息化，2007，36（1）：1-4.

〔5〕李薇.數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用研究〔J〕.航空制造技術(shù)，2004（8）：24-29.

〔6〕劉善國(guó).先進(jìn)飛機(jī)裝配技術(shù)及其發(fā)展〔J〕.航空制造技術(shù)，2006（10）：38-41.

〔7〕楊雷.波音737尾段組件的裝配和精加工技術(shù)〔J〕.航空制造技術(shù)，2004（10）：92-95.

〔8〕董宇.某型飛機(jī)內(nèi)壁板協(xié)調(diào)裝配工藝研究〔J〕.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，25（1）：19-21.

〔9〕許旭東，陳嵩，畢利文.飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)〔J〕.航空制造技術(shù)，2008（14）：48-50.

〔10〕于海山，李原，張開(kāi)富.飛機(jī)裝配順序的多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方法研究〔J〕.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24（6）：808-812.

〔11〕楊澤恒，周紹艷，王彭德，等.關(guān)于落實(shí)數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的思考〔J〕.大理學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，7（10）：64-66.

〔12〕錢(qián)頌迪.運(yùn)籌學(xué).〔M〕:3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005：191-194.

Design and Simulation of Assembly Technology for Front Girder of Aircraft Horizontal Tail

LIU Yanggu
（Yunnan Airport Group Co.,LTD,Kunming 650031,China）

Based on the example of an Airplane's front girder,this paper illustrates how to create a virtual assembly by using digital tools.Though an analysis of product digitalmolds,assembly process simulation is carried out,and then the problems existing inmolds are found out by using DELMIA and CATIA.Thus,this paper puts forward some solutions on these concrete problems,such as forecasting interference in the assemble,modifying assemble order and improving assemble outlines.

product digitalmolds;the analysis of technology;assembly simulation

V262.4

A

1672-2345（2010）10-0028-04

2010-08-16

劉洋谷，主要從事信息弱電研究.

（責(zé)任編輯 董 杰）