裝配仿真技術(shù)及其在飛機裝配中的應用

沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室 劉 春 張洪瑞 史紅祥

北京航空航天大學機械工程及自動化學院 王 巍

20世紀90年代以來，飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展和應用表明，數(shù)字化裝配技術(shù)是保證和提升飛機綜合質(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)計階段，設(shè)計員不僅可以通過屏幕上的三維動態(tài)仿真直觀地看到整個機構(gòu)的運動過程，而且可以分析運動的極限位置轉(zhuǎn)角、干涉情況、空間運動位置及運動參數(shù)等，設(shè)計人員還可以提前對設(shè)計和制造中可能出現(xiàn)的問題和缺陷做出高效的預測和改進，為設(shè)計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，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。

本文重點研究了在DELMIA平臺上通過運用DPM-Assembly Process Simulation模塊和Ergonomics Design & Analysis模塊對某通用飛機機翼進行全過程裝配仿真和分析，在該虛擬裝配環(huán)境中完成機翼的裝配順序仿真、裝配干涉仿真和人機工程仿真等，并根據(jù)仿真驗證和評估的結(jié)果對其裝配工藝方法進行調(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，裝配仿真主要實現(xiàn)2個層次的映射[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的物理裝配過程。裝配仿真技術(shù)主要實現(xiàn)2個目標：(1)對設(shè)計結(jié)果進行可裝配、拆卸性驗證，并為再設(shè)計提供參考；(2)進行裝配規(guī)劃，并獲得可行且較優(yōu)的裝配工藝信息，用于指導生產(chǎn)。而在實際生產(chǎn)中，裝配仿真技術(shù)的主要應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)計合理性驗證、人機工程仿真、裝配指導和規(guī)范[5]。采用裝配仿真技術(shù)的明顯優(yōu)勢是：在產(chǎn)品設(shè)計階段，通過三維模型在虛擬環(huán)境下對設(shè)計和工藝方案進行仿真驗證和優(yōu)化，實現(xiàn)在飛機實際裝配之前的虛擬裝配，在設(shè)計階段就能夠消除潛在的裝配缺陷，是飛機數(shù)字化并行設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著飛機數(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、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)域廣泛應用的一款仿真軟件，是由達索公司開發(fā)的主要針對制造業(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功能，該系統(tǒng)有幾十個模塊，如圖1所示，其中，在機翼的裝配模擬仿真中主要應用Plant Layout、DPM-Assembly Process Simulation 和Ergonomics Design & Analysis等幾個模塊。Plant Layout主要用于工廠的規(guī)劃設(shè)計仿真，DPM-Assembly Process Simulation主要用于裝配流程的仿真，Ergonomics Design &Analysis主要用于人機工程。

圖1 DELMIA的主要模塊

機翼結(jié)構(gòu)與裝配工藝

某通用飛機機翼主要是由翼梁、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。由于飛機機翼外形精度要求高，機翼內(nèi)部鈑金零件較多，結(jié)構(gòu)復雜，裝配量大，裝配工藝復雜，主要采用機翼裝配型架進行裝配。

圖2 某通用飛機機翼結(jié)構(gòu)圖

在機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)接工藝進行裝配，由于機翼對外形輪廓有很高的要求，但機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確度，實際生產(chǎn)中：通過定位器固定零部件，保證零件的相對位置；通過卡板保證機翼的外形精度。根據(jù)機翼的三維數(shù)模和工藝分析設(shè)計裝配工裝，圖3所示為機翼裝配型架。

圖3 某通用飛機機翼裝配型架

上述機翼裝配過程按其實際情況分為 3個層次：(1)由單個零件組裝成翼梁、翼肋、蒙皮等部件，包括一些聯(lián)接部件、耳片、加強筋、長桁的安裝；(2)由次級組件組裝翼盒、翼尖、襟翼、副翼；(3)機翼的總體裝配。下面以翼盒裝配為例，詳細介紹其實際裝配過程：首先把組裝好的機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證

1 機翼裝配工藝過程仿真

將某通用飛機機翼的三維數(shù)字模型和設(shè)計好的工裝型架模型導入DELMIA的仿真環(huán)境中，調(diào)整其相對位置關(guān)系，結(jié)合該機翼的裝配工藝及工裝信息，根據(jù)裝配順序進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)點指派產(chǎn)品和資源模型，并驗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為某通用飛機機翼裝配仿真的結(jié)構(gòu)樹。

圖4 裝配仿真工藝流程的創(chuàng)建

圖5 某通用飛機機翼裝配仿真結(jié)構(gòu)樹

(1)裝配順序驗證。

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，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程的三維動態(tài)仿真。在DPM中對裝配工藝過程進行分析，可以實現(xiàn)動態(tài)干擾情況檢測、距離與間隙檢測、內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖切、運動空間分析、物理測量分析、裝配過程時間分析等。通過分析結(jié)果，對裝配順序、裝配空間、裝配路徑等方面的問題進行反饋與優(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提供了強大的干涉檢驗功能，如圖6(a)中仿真工具條中的干涉和碰撞檢測工具，可實時地檢測零件與零件、零件與部件、零件與工裝等各個方面在運動過程中是否與其他對象發(fā)生干涉或碰撞。當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)干涉時，系統(tǒng)會發(fā)出干涉警報，并對存在的干涉情況形成干涉檢驗報告，報告包括干涉零件、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，并且機翼下架時有局部干涉等問題存在。最終，根據(jù)仿真結(jié)果分析進行調(diào)整。該機翼在實際生產(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，但相對以往不進行裝配仿真而直接進行生產(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

2 人機工程仿真

將定義好的三維人體模型放入人機環(huán)境模塊中進行人體和產(chǎn)品之間互動關(guān)系的動態(tài)仿真，對工作環(huán)境的可操作性和人體在作業(yè)環(huán)境中的各個工作姿態(tài)和人體操作舒適度進行分析。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的舒適度和安全性，進而提升工作效率。例如，在機翼前緣裝配時需要工人長時間采用躬身或者蹲坐的姿勢進行裝配，而機翼后緣則需要工人長時間仰視或者在扶梯上進行裝配。利用人機工程仿真，可以對人體的姿態(tài)進行舒適度分析，進而更改裝配型架的設(shè)計或者調(diào)節(jié)裝配平臺的高度，使工人在相對舒適的姿態(tài)下工作，保護工人的同時，也提高了生產(chǎn)效率。飛機裝配中的人機仿真流程如圖8所示。圖9為某時刻的人體姿態(tài)分析，以不同顏色表示人體姿態(tài)的舒適度。圖10則為人機工程仿真中2位工作人員正在進行鉚接作業(yè)。

圖8 人機工程仿真流程

圖9 人體姿態(tài)分析

圖10 人機工程仿真作業(yè)

3 形成裝配指導和規(guī)范

通過整個裝配仿真過程視頻動畫的形式，可以進行可視化教學，幫助操作人員直觀地了解操作全過程，指導現(xiàn)場裝配生產(chǎn)，實現(xiàn)可視化裝配，降低對工人的技術(shù)要求，減少工人培訓上崗的時間，同時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，方便維修人員在不拆卸機翼的情況下了解機翼結(jié)構(gòu)，便于維修檢查。在某飛機機翼制造中，把裝配仿真過程制作成視頻，用于工人培訓，可以使員工培訓時間平均縮短約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)，以某通用飛機機翼的虛擬裝配為例，對裝配仿真技術(shù)進行了研究分析。首先分析了機翼結(jié)構(gòu)、工藝和工裝設(shè)計方案；然后利用DELMIA仿真軟件對機翼裝配順序和工裝設(shè)計方案進行了仿真驗證，通過裝配過程的仿真，檢查了工藝及工裝的設(shè)計方案，并解決了存在的問題(如零件、定位器、卡板干涉等問題)，實現(xiàn)了在虛擬環(huán)境下對工藝及工裝設(shè)計方案的驗證、改進和優(yōu)化。為了提高裝配現(xiàn)場人員的工作效率，利用DELMIA人機工程學仿真功能，對人員工作效能方面進行了分析，使人員在使用工裝工作時處于最佳姿態(tài)，充分發(fā)揮工人的工作效率。

在產(chǎn)品制造之前就應用虛擬仿真技術(shù)對工藝方案進行仿真驗證，徹底改變了傳統(tǒng)制造行業(yè)依據(jù)實物驗證的落后方法，而且在某種程度上實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計的并行化，大大地縮短了飛機的研制周期，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的體現(xiàn)，裝配仿真不能反應裝配變形等)需要進行改進。隨著技術(shù)的發(fā)展，裝配仿真技術(shù)會更加完善，并將在未來的制造中發(fā)揮更重要的作用。

[1] 張樹生，楊茂奎，朱名銓,等.虛擬制造技術(shù).西安：西北工業(yè)大學出版社, 2006.

[2] 鄭淑賢，鄧勁蓮,梁式,等.機構(gòu)運動仿真在機構(gòu)設(shè)計中的應用.機械研究與應用 ,2002，15(1)：50-52.

[3] 范玉青.現(xiàn)代飛機制造技術(shù).北京：北京航空航天大學出版社,2001.

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