基于DELMIA的飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用研究

張 鵬

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與航空學(xué)院，武漢430079）

航空制造工業(yè)是新時代高精尖技術(shù)應(yīng)用的重點領(lǐng)域之一，其技術(shù)水平代表著一個國家的綜合實力[1]。數(shù)字化裝配仿真技術(shù)作為國內(nèi)外飛機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點之一，代表著目前和將來飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展方向。新一代飛機(jī)對性能及壽命提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，市場對飛機(jī)的需求逐漸呈現(xiàn)出小批量、多品種的特點，且產(chǎn)品的交貨周期不斷縮短，傳統(tǒng)的飛機(jī)制造裝配技術(shù)已無法滿足航空制造企業(yè)發(fā)展的新需求。目前，國外以波音、空客為代表飛機(jī)制造企業(yè)，已經(jīng)從產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計、產(chǎn)品制造到飛機(jī)裝配整個流程采用基于三維數(shù)字模型的設(shè)計方法。以B787、A380為代表的大型飛機(jī)裝配中，采用數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系和裝配設(shè)計技術(shù)，通過裝配虛擬仿真技術(shù)實現(xiàn)裝配過程的優(yōu)化，大大縮短了研制周期，降低了研制成本，提高了飛機(jī)的裝配質(zhì)量[2]。

與國外相比，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)航空制造企業(yè)起步較晚，隨著我國航空工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，成飛、西飛、沈飛、洪都、上飛均開始使用DELMIA進(jìn)行裝配工藝設(shè)計。例如，基于DELMIA建立三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計和裝配過程仿真環(huán)境，為企業(yè)生產(chǎn)提供快速、準(zhǔn)確的MBOM；駕駛艙設(shè)計人機(jī)工效分析數(shù)字化，進(jìn)行駕駛員視域分析、顏色域分析、可達(dá)域分析、舒適性分析、關(guān)鍵姿勢及主要動作設(shè)定等；將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關(guān)的制造資源緊密結(jié)合在一起；驗證人員及工具是否可達(dá)、裝配操作空間是否具有開放性等問題。

本文基于DELMIA的應(yīng)用內(nèi)容、范圍和流程，通過實例分析，開展飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用研究，提出了實現(xiàn)飛機(jī)裝配過程的“最優(yōu)”路徑規(guī)劃、裝配干涉檢查和裝配可達(dá)性的解決方案，使虛擬裝配仿真過程與實際生產(chǎn)場景中的運行過程相一致，其結(jié)果可用于提前規(guī)劃飛機(jī)裝配工藝過程，對現(xiàn)實生產(chǎn)裝配具有一定的指導(dǎo)作用。

1 數(shù)字化裝配仿真技術(shù)概述

數(shù)字化裝配仿真技術(shù)是伴隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和人機(jī)工程仿真技術(shù)的快速發(fā)展而產(chǎn)生的，是現(xiàn)代制造技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，它可幫助生產(chǎn)者在不需要造出產(chǎn)品實物或不依賴生產(chǎn)過程支持的情況下，通過計算機(jī)畫出虛擬模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)表達(dá)和可視化，做出直接與裝配相關(guān)的生產(chǎn)決策。同時，虛擬裝配也是基于產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)過程的數(shù)字化實體模型，通過計算機(jī)軟件技術(shù)分析與驗證產(chǎn)品的工藝過程、生產(chǎn)效率及裝配性能，從而提高裝配工藝流程的可靠性，展現(xiàn)裝配過程的全生命周期[3]。因此，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)能夠有效的幫助生產(chǎn)者實現(xiàn)裝配過程工藝規(guī)劃、干涉檢查、可達(dá)性驗證和預(yù)判解決裝配過程中可能遇到的各項不穩(wěn)定、不確定等影響因素，以此指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)裝配的各個環(huán)節(jié)。

DELMIA軟件以基于物理的虛擬設(shè)計與制造簡便、機(jī)器人應(yīng)用仿真表現(xiàn)優(yōu)異而聞名于世，并處于世界領(lǐng)先地位，目前廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計、制造的各種場景，是一款具有強大功能的虛擬仿真軟件。它的虛擬裝配仿真功能，能成功的處理現(xiàn)實裝配工作過程中預(yù)期效果難以獲取的難題。DELMIA軟件能極大的提升過程規(guī)劃設(shè)計工作的效率，并提高仿真的精度和可靠性。通過DELMIA軟件構(gòu)圖可快速準(zhǔn)確的建構(gòu)出各種應(yīng)用環(huán)境下的工作單元，其自帶的自動碰撞偵測功能可有效偵測風(fēng)險并計算出多種避讓路徑。與此同時，該軟件還能方便快捷的導(dǎo)入CAD數(shù)據(jù)，互換性較強。DELMIA軟件對當(dāng)前裝配生產(chǎn)線的設(shè)計，基本都可提供出合適的解決方案[4]。

基于DELMIA的數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)和人機(jī)工程仿真技術(shù)，將工藝設(shè)計過程進(jìn)行可視化，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的一次成功率，避免了產(chǎn)品重大和顛覆性的錯誤；提高了裝配工藝設(shè)計、裝配工裝設(shè)計一次正確率，避免了重大和顛覆性裝配工藝設(shè)計、工裝設(shè)計錯誤；能對產(chǎn)品的可視性、可達(dá)性、可維護(hù)性以及工人操作舒適性進(jìn)行有效評估[5]。

2 基于DELMIA的數(shù)字化裝配仿真技術(shù)實現(xiàn)路徑

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的快速發(fā)展，基于DELMIA的數(shù)字化裝配仿真技術(shù)在航空制造領(lǐng)域得到了迅猛發(fā)展。根據(jù)飛機(jī)各系統(tǒng)裝配難易程度，在總裝設(shè)計階段、部裝設(shè)計階段和零組件裝配階段都可以使用基于DELMIA的數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，完成虛擬場景搭建、虛擬模型導(dǎo)入、虛擬裝配操作與虛擬裝配仿真等[6]。下面就其具體實現(xiàn)路徑，從以下四個方面展開論述。

2.1 主要內(nèi)容

應(yīng)用DELMIA開展數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的內(nèi)容主要包括產(chǎn)品工藝分離面劃分、工藝分析/工藝設(shè)計/工藝需求等信息添加、連接件工藝模型建模及劃分、AO項目確定、參裝零件指派、裝配仿真、人機(jī)工程仿真驗證及優(yōu)化等內(nèi)容。

2.2 數(shù)據(jù)要求

采用CATIA通用數(shù)據(jù)格式，如*.CATPart、*.CATProduct、*.cgr、*.CATProcess等。

2.3 工作流程

使用DELMIA軟件開展數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的主要工作有項目PPR結(jié)構(gòu)樹及子節(jié)點建立及工藝規(guī)劃（IMBOM構(gòu)建、工藝分析/工藝設(shè)計信息添加、零組件劃分、AO項目建立、裝配仿真驗證、裝配順序查看及優(yōu)化、人機(jī)工程仿真等），其基本流程如圖1。

圖1 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計工作流程

2.4 實現(xiàn)途徑

（1）采用基于DELMIA的裝配仿真技術(shù)，解決裝配工藝設(shè)計過程的可視化，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、裝配工藝設(shè)計；

（2）采用基于DELMIA的裝配仿真技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品與工裝的裝配運動過程的干涉仿真檢查，提高工裝設(shè)計的一次成功率；

（3）采用人機(jī)工程虛擬仿真技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計過程中的可視性、可達(dá)性、可維護(hù)性、舒適性等檢查，促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計的優(yōu)化。

3 某型機(jī)翼數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用及結(jié)果分析

以某型飛機(jī)機(jī)翼油箱段鉚接工藝數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用為例，建立基于DELMIA虛擬仿真技術(shù)下的柔性裝配生產(chǎn)線，設(shè)計出虛擬環(huán)境下的裝配工藝方案，將所有涉及的設(shè)備、工具、零件以及鉚接裝配工藝進(jìn)行仿真，根據(jù)其結(jié)果可驗證裝配工藝流程、裝配可達(dá)性、裝配效率、裝配安全性的有效性，實現(xiàn)仿真技術(shù)指導(dǎo)真實生產(chǎn)[7]。

3.1 裝配工作站虛擬現(xiàn)實場景建模

某型飛機(jī)機(jī)翼裝配工作站區(qū)域為大小長30 m×寬7 m×高0.3 m的工作平臺，工作站分四個工作站位，其中第一站、第三站為右機(jī)翼油箱段裝配，第二站、第四站為左機(jī)翼油箱段裝配，工作站裝備兩臺工業(yè)機(jī)器人，按兩個工作節(jié)拍，同時實現(xiàn)飛機(jī)機(jī)翼左右油箱和外段的裝配工作。同時，裝配工作站的空間內(nèi)要容納完整的工裝夾具、控制柜、試刀臺、零附件柜、導(dǎo)軌等設(shè)備，并在工作站兩側(cè)布置機(jī)器人的導(dǎo)軌和滑動平臺。

在Catia的Mechanical Design機(jī)械設(shè)計環(huán)境的裝配設(shè)計模塊中創(chuàng)建一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件，作為飛機(jī)機(jī)翼裝配工作站基礎(chǔ)平臺的模型文件，工作站的平臺、機(jī)器人導(dǎo)軌等模型，都要在該模塊建模并裝配。再選擇AEC工廠/Plant Layout模塊，創(chuàng)建飛機(jī)機(jī)翼裝配工作站的工作區(qū)域，通過裝配區(qū)域的確立，來合理安排布置裝配工作站內(nèi)的各種設(shè)備、工裝、零部件等的位置。

3.2 六自由度工業(yè)機(jī)器人選型與建模

在本方案中建立以庫卡KR8_R1420型機(jī)器人為主體，依據(jù)其三維模型，建立了運動副為6自由度的工業(yè)機(jī)器人DMU運動機(jī)構(gòu)，每個運動副的旋轉(zhuǎn)角度是從-360°～360°，因此需要根據(jù)機(jī)器人參數(shù)，限制機(jī)器人6個運動副的旋轉(zhuǎn)角度以及旋轉(zhuǎn)方向，如圖2所示。DMU的六自由度運動學(xué)機(jī)構(gòu)的建立步驟：（1）定義機(jī)器人運動機(jī)構(gòu)模型；（2）創(chuàng)建運動機(jī)構(gòu)；（3）添加各種對應(yīng)的運動副；（4）添加固定的零部件；（5）根據(jù)需要添加輔助附屬模型；（6）進(jìn)行運動仿真驗證；（7）定義相應(yīng)的實體模型到對應(yīng)的骨架；（8）進(jìn)行相關(guān)分析。

圖2 Inverse Kinematics功能選擇和建立機(jī)器人

3.3 虛擬柔性裝配線運行模式試驗

（1）在DELMIA的Device Task Definition環(huán)境中，將機(jī)翼裝配工作站的實體模型、六自由度機(jī)器人實體模型、柔性工藝裝備實體模型、飛機(jī)機(jī)翼油箱和機(jī)翼外段模型載入到環(huán)境中。

將六自由度的機(jī)器人安裝在工作站的滑動導(dǎo)軌上，建立機(jī)器人的安裝位置，設(shè)置機(jī)器人的初始位置。該方案的運行模式是，兩個工作節(jié)拍，每個工作節(jié)拍有兩個工作位同時運行。兩個生產(chǎn)節(jié)拍完成，飛機(jī)機(jī)翼的左右機(jī)翼油箱外段整體裝配完成。裝配生產(chǎn)線的虛擬模型和工業(yè)機(jī)器人模型的關(guān)系建立需要在DELMIA軟件的Device Task Definition模塊中完成。在Device Task Definition模塊中，利用Activity Management工具，可以導(dǎo)入裝配生產(chǎn)線的虛擬模型和工業(yè)機(jī)器人模型，如圖3所示。

圖3 虛擬工業(yè)機(jī)器人飛機(jī)機(jī)翼外段裝配生產(chǎn)線

建立虛擬工業(yè)機(jī)器人飛機(jī)機(jī)翼裝配生產(chǎn)線后，首先，確立機(jī)器人在各站位的合理站位點，確立在站位點上，工作空間內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的可達(dá)性，檢查干涉碰撞，機(jī)器人運行路徑的規(guī)劃，并最終輸出工業(yè)機(jī)器人飛機(jī)機(jī)翼裝配生產(chǎn)線的全部虛擬仿真結(jié)果。將機(jī)器人加載到裝配線的站位上，檢查機(jī)器人與站位的空間關(guān)系，保證整個工位在機(jī)器人的工作半徑之內(nèi)，如圖4所示。同時規(guī)劃好Check檢查體區(qū)域，根據(jù)機(jī)器人運動到各點時與工裝之間的空間位置關(guān)系，進(jìn)行機(jī)器人與設(shè)備、工裝、附件的干澀檢查，保證機(jī)器人在安全區(qū)域工作，保證機(jī)器人加工路徑的安全合理高效。

圖4 工業(yè)機(jī)器人的工作空間檢查

通過Device Task Definition模塊中的 Teach示教功能，能對機(jī)器人到達(dá)各點的姿態(tài)獲得8個逆解。機(jī)器人運動點的運動學(xué)逆解在Jog對話框中的Cartesian窗口中可看到，Jog對這些逆解會同時進(jìn)行奇異性分析，并標(biāo)明其Status狀態(tài)，其中會有兩個Good點，也就是恰當(dāng)?shù)哪娼?，選擇這個逆解后，在Teach窗口中選擇Modify按鈕，這個恰當(dāng)逆解就會變成機(jī)器人在這點的姿態(tài)，如圖5所示。

圖5 Teach示教功能的機(jī)器人運動學(xué)的恰當(dāng)逆解獲得

防碰撞檢測的目的是分析裝配過程和周圍環(huán)境可出現(xiàn)的碰撞問題。干涉檢測是分析機(jī)器人在裝配過程中有可能出現(xiàn)的奇異性及速度加速度等超限問題。這是保證機(jī)器人能正常工作的必要條件。利用DELMIAI中Device Task Definition的標(biāo)準(zhǔn)自動碰撞監(jiān)測功能，可以讓用戶生成多個碰撞和接近隊列來避免碰撞，而且可通過自動路徑規(guī)劃器來生成避碰機(jī)器人軌跡?？衫靡部蓹z測機(jī)器人速度和加速度超限問題，效率高，準(zhǔn)確度好，解決了實際工作中的難題，使機(jī)器人碰撞問題在設(shè)計過程中得到有效的解決。

雙機(jī)器人協(xié)同工作，在裝配線的4個工位上，在機(jī)翼油箱裝配的工作站位中，兩臺機(jī)器人同時工作，首先機(jī)器人在第一和第二站位上工作，完成機(jī)翼整體油箱段的鉚裝裝配，然后，兩臺機(jī)器人分別行走到第三和第四站位上工作，完成機(jī)翼外段裝配。兩臺機(jī)器人，兩個生產(chǎn)節(jié)拍，同時完成兩段機(jī)翼的鉆鉚裝配，如圖6所示。

圖6 工業(yè)機(jī)器人飛機(jī)機(jī)翼柔性裝配生產(chǎn)線

3.4 裝配仿真結(jié)果分析

通過仿真分析，裝配生產(chǎn)線布局得到優(yōu)化，避免了裝配過程中的干涉碰撞可能性，并實現(xiàn)裝配過程的準(zhǔn)確可達(dá)。根據(jù)對裝配生產(chǎn)線開展DELMIA軟件仿真分析的結(jié)果表明，該型機(jī)翼柔性裝配站布局合理，能較好適應(yīng)機(jī)翼部裝及總裝，對柔性工裝、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)翼部附件、其他設(shè)備容納性較好，未來在適應(yīng)飛機(jī)整體的裝配需求領(lǐng)域，仍可以有較大的擴(kuò)展空間，裝配生產(chǎn)線的布局可根據(jù)生產(chǎn)需要和產(chǎn)品類型不斷調(diào)整優(yōu)化。運行數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計得出：對典型部件裝配周期縮短60%，飛機(jī)裝配周期縮短10%以上，裝配工藝設(shè)計周期縮短30%～50%，裝配返工率減少50%，裝配成本減少20%～30%，大大提高飛機(jī)裝配質(zhì)量，極大限度滿足客戶要求。

4 總結(jié)

數(shù)字化制造技術(shù)是隨著基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)日益成熟而發(fā)展和成熟起來的，其中數(shù)字化裝配仿真技術(shù)能有效解決復(fù)雜裝配工藝，并可實現(xiàn)裝配過程優(yōu)化，應(yīng)用前景十分廣闊。本文以機(jī)翼油箱段為例，通過建立裝配生產(chǎn)線的三維模型并DELMIA環(huán)境中開展分析，對機(jī)翼柔性裝配生產(chǎn)線的裝配路徑規(guī)劃、裝配干涉碰撞檢查、裝配可達(dá)性進(jìn)行規(guī)劃和驗證，為實施基于飛機(jī)機(jī)翼柔性裝配工藝優(yōu)化給出了實現(xiàn)路徑。