復(fù)合材料翼盒裝配工藝微規(guī)劃研究*

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 張朋真 金 霞 張桂書 劉怡冰

南京工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院 蔣麒麟

裝配工藝規(guī)劃是現(xiàn)代飛機(jī)生產(chǎn)的基礎(chǔ)性工作，甚至是連接飛機(jī)設(shè)計與制造的中間環(huán)節(jié)。目前，飛機(jī)及其裝配工藝設(shè)計仍停留在二維基礎(chǔ)上，所以工藝工程師只能利用空間想象來進(jìn)行設(shè)計，這就要求擁有豐富的實踐經(jīng)驗。即便如此，疏漏也難以避免，甚至?xí)r常出現(xiàn)工藝規(guī)劃不合情理、零部件及其工裝的返工等情況。這樣，既浪費(fèi)了企業(yè)資源，又延長了生產(chǎn)周期。

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)正在廣泛地推廣應(yīng)用。其中，計算機(jī)輔助裝配工藝規(guī)劃（Computer Aided Assembly Process Planning, CAPP）、計算機(jī)輔助裝配工藝仿真（Computer Aided Assembly Process Simulation, CAPS）等技術(shù)在飛機(jī)研制中逐步地深入應(yīng)用，實現(xiàn)工藝設(shè)計與設(shè)計資源共享和并行協(xié)同工作[1]。另外，將工裝、設(shè)備、工具、人員等資源要素引入數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃環(huán)境來開展裝配工藝的精細(xì)化，以此來增強(qiáng)其可操作、可量化、標(biāo)準(zhǔn)化。這樣很大程度上縮短了飛機(jī)研制周期，提高了設(shè)計的可靠性，保證了裝配質(zhì)量，減少了生產(chǎn)成本。

對于大型復(fù)雜產(chǎn)品，比如飛機(jī)、船舶等，其裝配工藝規(guī)劃主要分為兩步：首先從工藝總方案的角度出發(fā)，進(jìn)行部件級的裝配工藝組件劃分及其相互之間的裝配順序設(shè)計等，稱為裝配工藝宏規(guī)劃[2]；然后從詳盡的裝配作業(yè)的角度出發(fā)，進(jìn)行工藝組件內(nèi)的裝配順序設(shè)計和裝配路徑設(shè)計等，并對其進(jìn)行仿真驗證，稱為裝配工藝微規(guī)劃[2]。本文結(jié)合項目需求，針對復(fù)合材料翼盒裝配工藝方案，進(jìn)行了裝配工藝微規(guī)劃研究。

裝配工藝微規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)

1 裝配工藝的層次分解

從微觀角度來看，裝配執(zhí)行過程的實質(zhì)是憑借各個零件（包括產(chǎn)品零件和資源零件）之間的相對運(yùn)動完成零件之間的特征配合及連接。但是，依賴特征配合和連接的各類零件很多處在不對等的邏輯層次上。因此，為了建立產(chǎn)品對象和裝配資源對象間的裝配工藝關(guān)系，需要將裝配工藝微規(guī)劃的結(jié)構(gòu)層次定義為：裝配工作（Assembly Job，AJ）、裝配任務(wù)（Assembly Task，AT）、裝配操作（Assembly Operation，AO）、裝配動作（Assembly Action，AA）和裝配配合（Assembly Match，AM）[3]，見圖 1。其中，AJ、AT和AO通過語義方式來組織管理工藝信息，注重對整個工藝過程的描述；而AA和AM具體定義了零件的運(yùn)動類型（平動、轉(zhuǎn)動等）、運(yùn)動路徑、運(yùn)動方向等幾何信息，注重各類零件幾何運(yùn)動的描述。

參照文獻(xiàn)[4]中提出的裝配工藝微規(guī)劃各結(jié)構(gòu)層次的定義，本文進(jìn)行了如下梳理。

定義1：裝配工作。在部裝階段，一個裝配站位所需要完成一個“工藝組件/段件/部件”的全部裝配活動。裝配工作的劃分與部裝車間里裝配站位的劃分是相同的，其對應(yīng)的裝配結(jié)果是一個工藝組件、段件或者部件。

定義2：裝配任務(wù)。一個裝配工作所包含的每個工藝零件所需的全部裝配活動。裝配任務(wù)的劃分對應(yīng)工作站位內(nèi)工藝零件的劃分，其對應(yīng)的裝配結(jié)果是一個工藝零件的裝拆。需要特別注意的是一個工藝組、段件完成裝配安裝工作之后成為一個整體，可以視為一個工藝零件參與上一級的裝配。

定義3：裝配操作。一個裝配任務(wù)所包含的工藝零件或者裝配工藝裝備的裝配單元的單個裝配活動。其對應(yīng)的裝配結(jié)果是一個工藝零件或工裝的一個裝配單元的裝拆。

定義4：裝配動作。一個裝配操作所包含的單個零件（產(chǎn)品零件、資源零件、人體）的運(yùn)動過程，其對應(yīng)的裝配結(jié)果是一個工藝零件或者工裝裝配單元中一個零件的裝拆。

定義5：裝配配合。一個裝配動作所包含的目標(biāo)零件和其他零件（產(chǎn)品零件、資源零件）之間相對應(yīng)的特征對（點、線、面等）的約束關(guān)系。裝配配合通過確定的幾何定義約束關(guān)系來實現(xiàn)，其只是作為工藝仿真中圖形學(xué)的實現(xiàn)方式，而不作為工藝文件輸出，裝配配合的完成是裝配動作執(zhí)行的結(jié)束標(biāo)志。

2 工藝、產(chǎn)品和資源的映射關(guān)系模型

裝配工藝微規(guī)劃是工藝層次逐層細(xì)化和分解的過程，其對應(yīng)的產(chǎn)品、資源逐層分解到相應(yīng)特征對的約束、配合。由上述定義可以得出裝配工藝微規(guī)劃中工藝、產(chǎn)品和資源3者之間的映射關(guān)系模型，如圖2所示。

復(fù)合材料翼盒結(jié)構(gòu)和裝配工藝方案簡介

1 復(fù)合材料翼盒結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料翼盒由上壁板、下壁板、翼肋、前梁和后梁組成。其中，上、下壁板是由蒙皮和長桁共膠接成型，下壁板有兩個維護(hù)孔，長桁為“T”型截面；翼梁是剖面為“C”型的復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)，上、下壁板與前、后梁間采用機(jī)械方式連接； 3根翼肋均為鋁合金整體肋，由數(shù)控加工而成，采用機(jī)械連接方式與前、后梁和上、下壁板連接。

圖1 裝配工藝微規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)

2 復(fù)合材料構(gòu)件的制造和裝配特點

復(fù)合材料構(gòu)件采用預(yù)浸料熱壓罐固化成型造成較大的厚度誤差和變形，并且碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件在裝配過程中不允許敲打和銼修，因此在裝配工藝設(shè)計時需要考慮采取工藝補(bǔ)償?shù)却胧?，如采用墊片和犧牲層。另外，復(fù)合材料翼盒與金屬在結(jié)構(gòu)形式上就不同，這就使其在裝配過程中的協(xié)調(diào)關(guān)系、定位基準(zhǔn)和裝配順序等均發(fā)生了變化[5]。

3 復(fù)合材料翼盒裝配工藝方案

3.1 裝配基準(zhǔn)的確定

復(fù)合材料上、下壁板都是采用陰模成型，外表面為其貼膜面，所以理論外形為制造基準(zhǔn)。而復(fù)合材料梁則與之相反，采用陽模成型，內(nèi)表面為其貼膜面，所以它的內(nèi)表面為制造基準(zhǔn)。三根肋的制造基準(zhǔn)為肋腹板平面。裝配基準(zhǔn)應(yīng)盡可能地保證與制造基準(zhǔn)相一致，確保各個構(gòu)件盡可能接近其理論裝配位置，更好地保證裝配性能和設(shè)計要求。但是，工程設(shè)計下壁板以骨架為基準(zhǔn)，三根肋以后梁腹板面為基準(zhǔn)?？紤]各個構(gòu)件的制造基準(zhǔn)和工程設(shè)計要求，最終確定上壁板以外形為基準(zhǔn)，下壁板以骨架為基準(zhǔn)，兩根梁以內(nèi)腹板面為基準(zhǔn)，而3根肋以其腹板面和后梁腹板面為基準(zhǔn)。

3.2 裝配定位方法的確定

金屬材料構(gòu)件的裝配通常采用一面兩孔、3個面等方法來確定各個構(gòu)件在裝配空間的位置。根據(jù)上述各個構(gòu)件的裝配基準(zhǔn)，同時參考金屬構(gòu)件的裝配方法，確定其裝配定位方法：對于金屬肋，采用兩面兩孔的方法進(jìn)行裝配；對于復(fù)合材料梁，采用一面兩孔的方法確定其裝配位置；對于上壁板，因為其裝配基準(zhǔn)是理論外形，所以采用外形卡板為主定位來確定其裝配位置，同時采用兩個輔助邊定位；對于下壁板，由于其以骨架為基準(zhǔn)并且肋是數(shù)控加工件，所以以肋緣條組成的外形面來確定其裝配位置，同時采用3個輔助裝配孔進(jìn)行定位。

復(fù)合材料翼盒裝配工藝微規(guī)劃的仿真驗證

1 復(fù)合材料翼盒裝配工藝微規(guī)劃分析

依據(jù)裝配工藝宏規(guī)劃的結(jié)果、各個構(gòu)件的裝配基準(zhǔn)、裝配定位方法及其他工藝指導(dǎo)和原則性文件，結(jié)合車間實際生產(chǎn)情況進(jìn)行裝配工位的劃分。因為復(fù)合材料翼盒各工藝構(gòu)件的數(shù)量有限，所以采用優(yōu)先約束法來規(guī)劃各個裝配工位之間的先后順序。因此，通過裝配工位的細(xì)分得到裝配任務(wù)集合，進(jìn)而通過裝配任務(wù)的細(xì)化得到裝配操作集合。結(jié)合裝配仿真環(huán)境對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行仿真驗證和精細(xì)化，將每一個操作細(xì)化為單個對象 的具體動作，最終依據(jù)實際作業(yè)情況和文件模板，將詳盡的裝配工藝微規(guī)劃結(jié)果轉(zhuǎn)化成符合車間實際情況的三維裝配工藝指令。由此形成如圖3所示的裝配工藝微規(guī)劃的整個流程。

圖2 工藝、產(chǎn)品和資源的映射關(guān)系模型

圖3 裝配工藝微規(guī)劃流程

2 基于DELMIA DPM翼盒裝配工藝微規(guī)劃的實現(xiàn)

經(jīng)過對復(fù)合材料翼盒的裝配工藝精細(xì)化分析，利用數(shù)字化的裝配工藝規(guī)劃工具對其裝配過程進(jìn)行仿真驗證。本文擬采用以工藝為中心的DELMIA軟件的DPM環(huán)境來實現(xiàn)裝配工藝的精細(xì)化。在DPM環(huán)境中，AJ、AT、AO 都與“Process”下的“Activity”節(jié)點相對應(yīng)，而AA則與最底層的“move”動作、視點變換、對象的可視性等相對應(yīng)。

第一步，構(gòu)建裝配仿真環(huán)境。根據(jù)裝配工藝微規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造裝配工藝微規(guī)劃公共的“Process Library”。同時，將該工藝庫加載到DPM環(huán)境中，完成工藝源的載入。然后對產(chǎn)品和資源數(shù)模進(jìn)行輕量化和可視化處理以及模型的齊備性檢查。同時通過“Insert Product”將復(fù)合材料翼盒的工藝數(shù)模載入到“Product List”，構(gòu)成裝配工藝規(guī)劃對象。通過“Insert Resource”將初步設(shè)計的裝配工裝、工具、人體等載入到“Resource List”，構(gòu)建裝配仿真環(huán)境。

第二步，創(chuàng)建PPR樹。由于DPM中產(chǎn)品和資源都處于裝配完成的狀態(tài)并且構(gòu)成其零組件之間沒有裝配約束關(guān)系，故應(yīng)采用拆卸法來對翼盒進(jìn)行拆分，獲得各個構(gòu)件的初始位置，因此需要將上述初步規(guī)劃的各構(gòu)件之間的裝配順序逆序轉(zhuǎn)化為拆卸順序，繼而通過“Insert Activity”從“Process Library”中插入相應(yīng)的“Activity”節(jié)點，如總裝配為AJ節(jié)點，某個構(gòu)件的裝配為AT節(jié)點，某個工裝功能單元的裝配為AO節(jié)點等，與工藝方案中的任務(wù)分解相對應(yīng)，形成初步的PPR樹。

第三步，規(guī)劃裝配運(yùn)動路徑。本文采用人工交互與自動推理的方法來進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃。根據(jù)上述的逆序進(jìn)行裝配工藝仿真過程的設(shè)計，通過“Create Move”定義各個構(gòu)件的裝配運(yùn)動路徑。

第四步，形成裝配順序。選擇工藝樹中的根節(jié)點，通過“Reverse the Process”逆轉(zhuǎn)整個工藝，形成翼盒的裝配順序。通過“Save Initial State”保存此刻各構(gòu)件在裝配環(huán)境中的位置。

圖4 基于DPM的翼盒裝配工藝規(guī)劃流程

第五步，可視化仿真及優(yōu)化。通過“Process Simulation”對整個翼盒裝配工藝進(jìn)行可視化的仿真。應(yīng)用DPM提供的各種分析工具如干涉分析、人機(jī)分析等對整個工藝進(jìn)行優(yōu)化，如更改裝配路徑、裝配順序或者裝配工裝的設(shè)計。對優(yōu)化過的工藝，通過插入“Viewpoint”、“Visibility”、“Delay”、“Text”等來增強(qiáng)仿真的直觀性和效果，繼而生成裝配工藝視頻，作為培訓(xùn)和現(xiàn)場示教的重要參考。DPM中翼盒裝配工藝實現(xiàn)的整個流程如圖4所示。

結(jié)束語

本文首先引入裝配工藝微規(guī)劃概念，闡述其包含的層次結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品、資源和工藝之間的映射關(guān)系模型。通過分析復(fù)合材料翼盒的結(jié)構(gòu)及其制造和裝配特點，完成了復(fù)合材料翼盒裝配工藝的微規(guī)劃分析，采用DELMIA的DPM模塊實現(xiàn)了翼盒裝配工藝微規(guī)劃?；诮Y(jié)構(gòu)化的概念，憑借數(shù)字化工藝規(guī)劃和仿真集成環(huán)境進(jìn)行復(fù)合材料翼盒的裝配工藝微規(guī)劃，實現(xiàn)了自頂而下并行地進(jìn)行工裝設(shè)計、工藝設(shè)計以及與其相關(guān)可裝配性的仿真驗證，同時調(diào)整和優(yōu)化了產(chǎn)品的裝配工藝方法和工裝結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)面向裝配的設(shè)計理念，該方法不但成功應(yīng)用在課題項目中并取得了良好的效果，而且為后續(xù)復(fù)合材料的相關(guān)研究工作提供了方法上的一個參考。在今后的研究中，需要結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場的精細(xì)化管理，使精細(xì)化的工藝真正落實到生產(chǎn)實際當(dāng)中。

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