某型教練機(jī)前艙門(mén)裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真

袁少力

(中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024)

0 引言

隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用，DELMIA為開(kāi)展飛機(jī)制造過(guò)程模擬提供了強(qiáng)有力的工具， 實(shí)現(xiàn)了在三維數(shù)字化環(huán)境中模擬飛機(jī)裝配的整個(gè)過(guò)程， 從根本上改變了傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造方式， 最大限度地減少了設(shè)計(jì)返工與制造返修。 裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用，在產(chǎn)品上游設(shè)計(jì)階段即可消除潛在的裝配沖突與缺陷，評(píng)價(jià)生產(chǎn)的可行性和產(chǎn)品的裝配性能，及早發(fā)現(xiàn)工藝中存在的各種結(jié)構(gòu)性和空間性等問(wèn)題， 并將這些信息反饋給設(shè)計(jì)人員， 結(jié)合人機(jī)工效評(píng)估結(jié)果對(duì)工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化。

DELMIA （Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是Dassault公司開(kāi)發(fā)的面向制造的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)。 DELMIA軟件由兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的獨(dú)立軟件組成， 數(shù)字工藝工程（Digital Process Engineer，DPE）和 數(shù) 字 制 造 工 藝（Digital Process Manufacture，DPM）。 DPE主要用于完成產(chǎn)品、工藝、資源規(guī)劃的平臺(tái)，并可制定產(chǎn)品裝配流程，還可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。 DPM主要是按照工藝流程對(duì)產(chǎn)品的裝配細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化裝配過(guò)程仿真和驗(yàn)證， 利用驗(yàn)證的結(jié)果分析出產(chǎn)品的可制造性、裝配可達(dá)性、可拆卸形和可維護(hù)性。 我們所使用的是DELMIA的驗(yàn)證功能，使用工藝模塊和人機(jī)工程模塊模擬， 工藝模塊即DMP模塊， 用來(lái)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，人機(jī)工程模塊用來(lái)對(duì)工人操作模擬，驗(yàn)證工人動(dòng)作的可達(dá)性。

本文主要就DELMIA軟件在某型教練機(jī)前艙門(mén)的工藝與人機(jī)工程仿真中的應(yīng)用進(jìn)行闡述， 并結(jié)合在仿真中出現(xiàn)的一些問(wèn)題進(jìn)行探討和研究。 裝配仿真工藝流程如圖1所示。

1 前艙門(mén)裝配的工藝過(guò)程仿真

1.1 前艙門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及主要技術(shù)要求

前艙門(mén)安裝在后機(jī)身下部， 前艙門(mén)縱向構(gòu)件主要有由艙門(mén)梁、縱隔板、型材等，橫向主要構(gòu)件有橫隔板等，連接件有鉤鎖、銷(xiāo)鎖以及接頭。 前艙門(mén)即要與后機(jī)身框、中艙門(mén)對(duì)接，艙門(mén)梁上鉤鎖又要與機(jī)身后段大梁上對(duì)應(yīng)的鎖環(huán)對(duì)接， 其裝配協(xié)調(diào)技術(shù)要求高，不僅要保證隔板、艙門(mén)梁的精確定位，還要保證銷(xiāo)鎖、 鉤鎖交點(diǎn)孔位置及同軸度以及骨架與蒙皮的外形要求，其裝配流程主要包括以下幾個(gè)部分：

圖1 裝配工藝仿真流程

1）蒙皮在前艙門(mén)裝配型架上的定位；

2）艙門(mén)梁在前艙門(mén)裝配型架上的定位；

3）橫隔板、縱隔板在前艙門(mén)裝配型架上的定位；

4）插銷(xiāo)鎖座在前艙門(mén)裝配型架上的定位；

5）鉤形鎖座在前艙門(mén)裝配型架上的定位。

艙門(mén)梁、橫隔板、縱隔板的定位非常重要，梁與隔板之間的相對(duì)位置直接決定了整個(gè)艙門(mén)骨架裝配的外形尺寸，靠型架上的定位器定位并夾緊，插銷(xiāo)鎖座、鉤形鎖座用定位器固定，完成骨架裝配。 蒙皮的裝配主要靠卡板定位，卡板夾緊。

1.2 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

1.2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

打開(kāi)DELMIA軟件的DMP工作環(huán)境，將相應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工裝數(shù)據(jù)調(diào)入前艙門(mén)PBOM，包括待裝零件數(shù)模，其中包括蒙皮、艙門(mén)梁、橫隔板、縱隔板、插銷(xiāo)鎖座、鉤形鎖座。

1.2.2 工裝數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備前艙門(mén)裝配型架1套，其中有外形板、內(nèi)形板、艙門(mén)梁定位器、前插銷(xiāo)座定位器、后插銷(xiāo)座定位器、插銷(xiāo)座定位器、蒙皮K孔定位器。

1.2.3 工藝流程準(zhǔn)備

在DPE進(jìn)行前艙門(mén)裝配指令項(xiàng)目策劃，指令工序內(nèi)容包括蒙皮、隔板、艙門(mén)梁定位、制孔、鉚接及產(chǎn)品的下架。

1.3 裝配工藝過(guò)程仿真

三維數(shù)字化裝配過(guò)程仿真是產(chǎn)品實(shí)物實(shí)施裝配以前對(duì)裝配工藝進(jìn)行驗(yàn)證的最佳方法，它時(shí)間短、費(fèi)用低， 依據(jù)設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程對(duì)產(chǎn)品裝配和拆卸過(guò)程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)驗(yàn)證每個(gè)零件按設(shè)計(jì)的工藝順序是否能無(wú)阻礙的裝配以發(fā)現(xiàn)工藝過(guò)程中裝配順序設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。

根據(jù)裝配工藝要求，制定裝配工藝流程，如圖2所示。 采用DELMIA軟件的DMP模塊進(jìn)行裝配過(guò)程仿真。 為各裝配部件設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)路徑，形成一個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)的裝配過(guò)程。

1.3.1 PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)構(gòu)建

在DPM環(huán)境中，調(diào)入產(chǎn)品三維數(shù)模，根據(jù)DPE工藝設(shè)計(jì)前期確定的組件裝配順序及AO項(xiàng)目， 將零件數(shù)模指派到工藝結(jié)構(gòu)樹(shù)中相應(yīng)的AO項(xiàng)目下，PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)見(jiàn)圖3。

1.3.2 裝配流程仿真過(guò)程描述

1）前艙門(mén)裝配流程： 前艙門(mén)蒙皮定位—艙門(mén)梁定位—1~5橫隔板定位—前插銷(xiāo)座定位—后插銷(xiāo)座定位—鉤形鎖固定座定位—插銷(xiāo)座定位—縱隔板定位鉚接。

2）按AO典型零件的裝配方法制作了詳細(xì)的零件運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真，如艙門(mén)梁、橫隔板、縱隔板、前插銷(xiāo)座、后插銷(xiāo)座、鉤形鎖固定座的定位等，部分零件采用隱藏/顯示的方法表明零件裝配順序， 部分零件定位器制作了運(yùn)動(dòng)仿真， 少數(shù)定位器采用隱藏/顯示的方法表明零件的定位。

圖2 裝配工藝流程

圖3 PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)

1.3.3 裝配干涉檢查

打開(kāi)碰撞顯示或碰撞停止工具條， 播放仿真過(guò)程，查看零件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中干涉情況，若有干涉，應(yīng)進(jìn)行分析， 必要時(shí)重新進(jìn)入PERT圖中調(diào)整AO順序，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化裝配順序的目的。

1.3.4 前艙門(mén)裝配仿真中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

按AO典型零件的裝配方法制作零件運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中， 發(fā)現(xiàn)前艙門(mén)產(chǎn)品數(shù)模與工裝數(shù)模存在一些問(wèn)題，舉例如下：

1）插銷(xiāo)鎖座是前艙門(mén)的一個(gè)重要交點(diǎn)， 與框及中艙門(mén)的交點(diǎn)必須協(xié)調(diào)一致， 在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在前艙門(mén)插銷(xiāo)鎖與鎖座干涉， 交點(diǎn)干涉的問(wèn)題最終會(huì)導(dǎo)致艙門(mén)裝不上，見(jiàn)圖4。

圖4 卡板上的鉤形定位器

2）前艙門(mén)鉤形鎖固定座也是一個(gè)重要交點(diǎn)，在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉤形鎖固定座上連接螺栓與螺栓孔錯(cuò)位，鉤鎖的位置不正確，最終會(huì)導(dǎo)致鎖鉤掛不到后機(jī)身下大梁上的鎖環(huán)上，見(jiàn)圖5。

圖5 鉤形鎖固定座

3）后插銷(xiāo)鎖座在型架上用定位器定位后， 還要夾緊，工裝設(shè)計(jì)在此使用了手柄螺栓，在仿真的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)螺栓手柄與產(chǎn)品存在干涉現(xiàn)象， 該問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中螺栓手柄無(wú)法使用，見(jiàn)圖6。

圖6 后插銷(xiāo)鎖座

通過(guò)裝配仿真， 及時(shí)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，以文檔的形式及時(shí)報(bào)給設(shè)計(jì)部門(mén)與工藝部門(mén)，相關(guān)人員對(duì)產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模進(jìn)行了修改，有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配等問(wèn)題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改，改變了以前只有試制才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的弊端， 優(yōu)化工藝方案，優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)，以達(dá)到縮短前艙門(mén)的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本的目的，提高前艙門(mén)生產(chǎn)質(zhì)量。

2 前艙門(mén)裝配人機(jī)工程的仿真

在產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，人的參與必不可少。 人機(jī)仿真在Safework模塊下進(jìn)行，主要使用人體任務(wù)仿真（Human Task Simulation），另有人體建立、人體姿態(tài)分析、人體行為分析等分模塊，主要是將人體模型數(shù)據(jù)化，引入裝配仿真中，用于人員操作過(guò)程各種行為分析、姿態(tài)分析、可達(dá)性分析、舒適度分析等。

2.1 人機(jī)工程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在Safework 模 塊Human Builder 界 面 下Manikin Tools工具條中使用Inserts a new manikin命令來(lái)建立人體模型， 在Safework模塊Human Task Simulation界面下打開(kāi)process文件，將建立好的人體模型作為資源調(diào)入Resourslist(Insert Resource)，如圖7所示，同時(shí)加入鉚槍等必要工具。

圖7 插入人體模型

2.2 鉚接過(guò)程人機(jī)仿真

使用DPM-Human Task Simulation模塊進(jìn)行人機(jī)工程仿真， 將人體模型插入工序并使用Task Tools工具條下Create a Task for Selected Manikin的命令建立任務(wù)， 在人的節(jié)點(diǎn)HumanTask下建立人體運(yùn)動(dòng)仿真，主 要 應(yīng) 用Worker Activities、Manikin Posture、Manikin Hand Grasp等工具條中的命令來(lái)進(jìn)行人機(jī)工程仿真，用Task Tools工具條分配運(yùn)動(dòng)到各節(jié)點(diǎn)中， 讓人體模型首先完成定位隔板、 艙門(mén)梁并把它們裝配到前艙門(mén)型架上，采用鉚槍在產(chǎn)品上工作，并加入走步、側(cè)移等行為。

3 裝配仿真的效果

通過(guò)對(duì)前艙門(mén)裝配工藝仿真和人機(jī)工程仿真，我們認(rèn)識(shí)到裝配仿真系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)勢(shì)：

1）在產(chǎn)品實(shí)際裝配之前， 通過(guò)裝配過(guò)程仿真及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障， 減少因裝配干涉等問(wèn)題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改， 因此保證了產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。

2）可以改變傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方法， 使裝配工藝設(shè)計(jì)從二維提升到三維， 建立數(shù)字化裝配制造的新模式；

3）裝配仿真過(guò)程產(chǎn)生的圖片、 視頻錄像直觀地演示裝配仿真，使裝配工人更容易理解裝配工藝，減少裝配過(guò)程反復(fù)，減少了人為差錯(cuò)；

4）實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配，數(shù)字化維護(hù)、數(shù)字化培訓(xùn)，為實(shí)現(xiàn)建立數(shù)字化工廠的目標(biāo)創(chuàng)造條件；

5）容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)的并行工程，因而，降低產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)，縮短產(chǎn)品研制周期，減少了開(kāi)發(fā)成本。

雖然取得較大效果， 但也存在不足，DELMIA能夠發(fā)現(xiàn)理論上存在的裝配干涉， 但不能分析生產(chǎn)中常見(jiàn)的應(yīng)力裝配問(wèn)題，對(duì)于裝配誤差積累的分析、裝配順序?qū)ρb配應(yīng)力的影響， 零件制造誤差對(duì)裝配方案的影響等缺乏分析和預(yù)見(jiàn)能力， 但后續(xù)我們將以此為著重點(diǎn)，繼續(xù)深入研究，將裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用如結(jié)合裝配容差分析技術(shù)、有限元分析技術(shù)，會(huì)取得更好的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文就使用DELMIA在前艙門(mén)工藝過(guò)程與人機(jī)工程仿真應(yīng)用進(jìn)行了闡述， 對(duì)前艙門(mén)裝配工藝流程進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證，將仿真過(guò)程進(jìn)行錄像，用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際裝配操作，而在裝配仿真過(guò)程中提前發(fā)現(xiàn)零件、工裝干涉問(wèn)題，避免可能會(huì)因此帶來(lái)的損失；前艙門(mén)裝配中人機(jī)仿真部分驗(yàn)證了工人工作空間的開(kāi)敞性，以及動(dòng)作的舒適程度，并且在特定工作空間對(duì)操作人員身高體型的要求做了模擬， 保證實(shí)際工作順利進(jìn)行。

根據(jù)前艙門(mén)裝配的特點(diǎn)，利用DELMIA的虛擬裝配技術(shù)，擺脫傳統(tǒng)飛機(jī)裝配的二維方式的束縛，使裝配過(guò)程更形象、直觀，同時(shí)可優(yōu)化裝配工藝設(shè)計(jì)，有效提高飛機(jī)、工裝的建模效率，有助于降低飛機(jī)研制開(kāi)發(fā)成本，縮短飛機(jī)研制周期。 隨著DELMIA虛擬裝配技術(shù)的持續(xù)改善， 這均給生產(chǎn)實(shí)際帶來(lái)極大的益處，相信DELMIA的應(yīng)用必將在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面都取得巨大的效益。

[1]王云渤, 張關(guān)康, 馮宗律. 飛機(jī)裝配工藝學(xué). 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1990，1.

[2]范玉青. 現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001，5.

[3]《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè).北京:北京航空工業(yè)出版社，2010,12.

[4]佟立杰，劉春，郭希旺.DELMIA在某機(jī)尾椎裝配仿真中的應(yīng)用.沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2009.