面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

梁作文

摘要：本文研究了復(fù)雜航空產(chǎn)品的綜合組裝技術(shù)。對復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配技術(shù)進(jìn)行了前設(shè)計、裝配過程監(jiān)控和裝配后優(yōu)化三個領(lǐng)域的探討，包括MBD產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)、基于數(shù)模的裝配仿真和優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、基于AR技術(shù)的智能裝配技術(shù)、仿真技術(shù)對復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配全過程關(guān)鍵技術(shù)的研究，為復(fù)雜航空產(chǎn)品的設(shè)計模式和方法提供了創(chuàng)新，并為提高復(fù)雜航空產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：航空復(fù)雜產(chǎn)品;裝配工藝優(yōu)化;設(shè)計分析

前言

復(fù)雜航空產(chǎn)品子系統(tǒng)很多，空間布局緊湊，出現(xiàn)數(shù)萬個組件，裝配過程中存在許多問題，如組件干擾、裝配順序和路徑規(guī)劃困難，安裝空間小。裝配仿真技術(shù)是解決復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配問題的關(guān)鍵技術(shù)。它可以取代傳統(tǒng)的實體檢查組合模式，分析和最佳化在模擬期間發(fā)現(xiàn)的問題，例如組合干涉和作業(yè)空間的可存取性，并完成組合程序的檢查以確保其效率?？梢暬摂M仿真可以提高產(chǎn)品裝配的成功率，并縮短設(shè)計更改和產(chǎn)品裝配過程的計劃時間。

一、面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計

航空產(chǎn)品設(shè)計復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、零部件豐富。在制造業(yè)中，技術(shù)專業(yè)人員種類很多，處理過程困難，制造過程冗長，零件匹配關(guān)系復(fù)雜，電子集成。隨著航空工業(yè)市場需求和競爭的增加，航空產(chǎn)品的制造往往與設(shè)計、工藝和制造工藝密切協(xié)調(diào)，同時縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。隨著新的MBD技術(shù)、雙機數(shù)字技術(shù)、VR技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，迫切需要將這些新技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品開發(fā)，以滿足產(chǎn)品設(shè)計和制造的特殊要求因此，有必要借鑒國內(nèi)外發(fā)達(dá)飛機制造企業(yè)的成功事例和經(jīng)驗，將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品開發(fā)，研究適合中國航空產(chǎn)品的數(shù)字裝配技術(shù)。

安裝前設(shè)計。在產(chǎn)品設(shè)計和裝配工藝設(shè)計中應(yīng)用MBD技術(shù)實現(xiàn)面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計，使產(chǎn)品設(shè)計更好地滿足制造能力和制造能力的要求。同時，在3d模型上標(biāo)注過程、制造和檢驗信息，以便在單個數(shù)據(jù)源下進(jìn)行相關(guān)設(shè)計、制造和檢驗。工程師可以基于ASME 14.5M-1994和ISO1101要求，根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)品公差直接設(shè)計三維設(shè)計模型并計算產(chǎn)品成功率。根據(jù)數(shù)模技術(shù)，將實際裝配條件加載到數(shù)字樣機上，進(jìn)行裝配仿真，進(jìn)行裝配過程中的干涉檢查和間隙檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果優(yōu)化裝配設(shè)計。

智能監(jiān)控和調(diào)整裝配過程。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字顯示技術(shù)為基礎(chǔ)，實時獲取組裝過程信息并實時顯示。根據(jù)裝配知識庫中的數(shù)據(jù)，實時調(diào)整裝配工藝參數(shù)以滿足智能裝配要求。在基于虛擬和增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字和實時環(huán)境中實時組裝產(chǎn)品。隨著裝配環(huán)境的變化，它會智能地調(diào)整裝配路徑，以指導(dǎo)現(xiàn)場操作員快速裝配部件并滿足裝配質(zhì)量要求。裝配后優(yōu)化設(shè)計。獲取裝配產(chǎn)品時生成的不同數(shù)據(jù)?；谌斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)技術(shù)的裝配幾何建模、裝配過程仿真模型和智能裝配決策模型。根據(jù)航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配知識庫，通過智能監(jiān)控和通過數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習(xí)調(diào)整裝配過程，實現(xiàn)智能裝配。

二、工藝組件的分類

1.工藝組件劃分

在數(shù)字設(shè)計階段，設(shè)計必須確定產(chǎn)品分解計劃以及工藝和制造。設(shè)計階段飛機故障的結(jié)果是設(shè)計清單（EBOM）。從上到下的組件、組件和零件階層清單稱為「產(chǎn)品爆炸結(jié)構(gòu)」。但是，工程物料清單是根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)需求展開的，并且很難從下到上表示產(chǎn)品裝配流程。在制造準(zhǔn)備階段，該流程涉及重新構(gòu)建設(shè)計清單、形成EBOM流程以及管理制造目標(biāo)。重新建置程序以組合樹為基礎(chǔ)，分割主要以組合連接關(guān)系為基礎(chǔ)。根據(jù)相對獨立的工作內(nèi)容、特定的工作負(fù)載和組合程序進(jìn)行分割。拆分流程元素的過程包括首先構(gòu)建結(jié)構(gòu)組件類型樹，然后構(gòu)建通過對象類型映射拆分流程元素的主體結(jié)構(gòu)。隨后，基于知識的辦法制定了分配進(jìn)程組成部分的初步計劃。其次，使用模糊聚類方法計算剩馀技術(shù)元素與相鄰技術(shù)元素之間的相關(guān)性，利用剛性、裝配操作難度、裝配對象的空間接近度等指標(biāo)來判斷技術(shù)元素。，然后確定技術(shù)元素的劃分方案。

2.工藝組件分類與層次樹

設(shè)S*={S1，S2，S3 … }，S*，s是集合所有部分的集合，S1，S2，S3是集合的核心，因此S*集合決定了s集合的劃分結(jié)構(gòu)，s的劃分問題可以細(xì)化為p，P={P1，P2，P3 … }。根據(jù)將零件分割成零件并將零件分割成幾何形狀的飛機組件特征，您可以先選取具有空氣動力形狀的物件作為處理組件的核心，然后使用物件之間的連接關(guān)系來加工其他組件物件。可根據(jù)組件類型并選取核心來確定工藝組件的主要切削和裝配結(jié)構(gòu)。

3.裝配順序規(guī)劃流程

首先，創(chuàng)建產(chǎn)品組件模型，該模型必須包含生成組件序列所需的數(shù)據(jù)。適當(dāng)?shù)慕M合塑型直接影響后續(xù)的推理效率。第二個步驟是生成裝配序列，它主要涉及如何從裝配模型中導(dǎo)出無碰撞裝配方向，從而可以導(dǎo)出物理上和幾何上可行的裝配序列。由于幾何信息比非幾何信息更容易建模，因此幾何裝配序列規(guī)劃始終是裝配序列規(guī)劃的主要趨勢。最后，表示裝配順序：要確定裝配序列的原因，必須表示生成的不同裝配序列。選擇表示裝配序列的方法時，請考慮以下幾點：表示方法所需的存儲空間。從組件模型中，直接導(dǎo)出組件序列表示的難度，以及將其自動轉(zhuǎn)換為另一個表示的能力。是否可以表示組件任務(wù)之間的時間從屬關(guān)系或不相關(guān);隱含表示的準(zhǔn)確性和完整性。

三、面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

1.基于MBD技術(shù)的面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計

（1）面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計

基于組件的設(shè)計旨在提高產(chǎn)品的整體性能，同時考慮到產(chǎn)品的外觀、功能和可靠性。裝配能力是指產(chǎn)品設(shè)計符合產(chǎn)品設(shè)計所需的裝配技術(shù)，從而確保了裝配效率、低裝配缺陷率、低裝配成本和高裝配質(zhì)量特性。使用面向裝配的設(shè)計，設(shè)計者可以根據(jù)裝配規(guī)則執(zhí)行裝配設(shè)計，并在產(chǎn)品設(shè)計過程中預(yù)先測試產(chǎn)品裝配。通過分析影響產(chǎn)品裝配的因素評估產(chǎn)品裝配能力，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化裝配設(shè)計的建議，以簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高裝配性能和提高產(chǎn)品裝配能力。

（2）基于MBD的裝配產(chǎn)品設(shè)計

為了提高產(chǎn)品裝配效率，實現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及時表達(dá)和裝配信息的數(shù)字化管理，MBD技術(shù)的深度可以應(yīng)用于裝配工藝的設(shè)計。設(shè)計工程師使用MBD技術(shù)在產(chǎn)品模型上注釋產(chǎn)品開發(fā)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計信息、工藝信息、制造信息和檢驗信息，以形成完整的數(shù)字原型。工藝部門根據(jù)設(shè)計模型進(jìn)行數(shù)字化過程設(shè)計、數(shù)字化儀器設(shè)計、數(shù)控編程設(shè)計、數(shù)控編程設(shè)計和數(shù)字化過程分析。MBD技術(shù)的應(yīng)用為設(shè)計、工藝、處理和檢驗數(shù)據(jù)的一致性和相關(guān)性以及設(shè)計和制造的一體化提供了技術(shù)支持。

2.基于裝配模型的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計

整個過程的初始模擬。此階段的模擬對象是產(chǎn)品的全局模型。其主要目的是根據(jù)裝配計劃和過程模擬整個產(chǎn)品裝配過程，包括裝配順序仿真、簡單裝配路徑仿真等。此時，可以忽略制造資源的使用。通過對整個過程進(jìn)行初始仿真，可以對產(chǎn)品裝配的關(guān)鍵零部件進(jìn)行排序，準(zhǔn)備下一個仿真，并驗證當(dāng)前過程的可行性。此階段的模擬對象是產(chǎn)品中每個系統(tǒng)的模型。由于設(shè)計人員在裝配仿真過程中繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品模型的狀態(tài)，隨著產(chǎn)品模型狀態(tài)的改善以及產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計的完成，工程師必須對每個產(chǎn)品系統(tǒng)執(zhí)行裝配仿真分析，包括裝配順序仿真、裝配路徑仿真。基于最新產(chǎn)品模型狀態(tài)的干涉檢查和人工工程模擬，并結(jié)合車間人員的參與，針對各個模型進(jìn)行仿真設(shè)計。

完成模擬。此階段的模擬對象是產(chǎn)品的全局模型。必須先排序整個產(chǎn)品的最后一個參照模型，以確定正在模擬的模型狀態(tài)是否為最后一個凍結(jié)狀態(tài)。然后，根據(jù)每個系統(tǒng)的模擬和組件計劃的確定來模擬整個產(chǎn)品模型過程。在模擬過程中，您可以簡化組合路徑模擬、略過組合干涉檢查，并正常執(zhí)行組合順序模擬和人體工學(xué)模擬。此階段是基于子系統(tǒng)的仿真，它可以驗證最終裝配過程的可行性，并為后續(xù)工廠的實際最終裝配奠定基礎(chǔ)。

3.基于數(shù)字孿生技術(shù)的裝配仿真和優(yōu)化設(shè)計

數(shù)碼孿生充分利用物理模型、傳感器更新、工作歷史等數(shù)據(jù)，并整合了多學(xué)科、物理、多尺度和多概率模擬過程，以便在虛擬空間中進(jìn)行映射，從而反映相應(yīng)物理設(shè)備的整個生命周期。數(shù)字配對是一種具有多種物理特性、分辨率和概率的建筑系統(tǒng)的集成模擬，它通過數(shù)字索引實現(xiàn)，并使用最佳可用模型、感知信息和輸入數(shù)據(jù)來映射和預(yù)測相應(yīng)的雙物理生命周期活動和性能。以數(shù)碼孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，將物理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)用于虛擬產(chǎn)品開發(fā)，不斷分析、評價、驗證和優(yōu)化數(shù)字裝配模型和物理模型，改進(jìn)定量分析和確認(rèn)，有效做出關(guān)鍵決策，開發(fā)時間和成本。

4.基于AR技術(shù)的裝配現(xiàn)場模擬和智能裝配

增強的現(xiàn)實技術(shù)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，通過it系統(tǒng)提供的信息提高了用戶對現(xiàn)實世界的認(rèn)識。改進(jìn)現(xiàn)實仿真系統(tǒng)是虛擬制造仿真系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展?！霸鰪姮F(xiàn)實”是一種實時計算相機圖像位置和角度并添加相應(yīng)技術(shù)的技術(shù)，其目的是將虛擬世界放置在屏幕上，并在現(xiàn)實世界中相互作用。目前，大多數(shù)改進(jìn)都是通過復(fù)蓋物理世界中已知的信息來實現(xiàn)的。虛擬制造由于現(xiàn)代生產(chǎn)的需要而成為現(xiàn)實應(yīng)用AR技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品可視化、技術(shù)說明、操作入門培訓(xùn)等。AR技術(shù)可以將虛擬操作指令復(fù)制為現(xiàn)場操作手冊，在服務(wù)和維護(hù)過程中實時投影數(shù)字信息，從而根據(jù)特定環(huán)境中的當(dāng)前流程操作任務(wù)提高現(xiàn)場操作效率。

5.基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的裝配分析仿真和優(yōu)化設(shè)計

在復(fù)雜航空產(chǎn)品組裝過程中，組裝過程中的質(zhì)量、檢驗、物流、設(shè)備和能耗等數(shù)據(jù)是根據(jù)傳感器、物體互聯(lián)網(wǎng)和CPS等技術(shù)以及影響組裝質(zhì)量、進(jìn)度和成本的關(guān)鍵因素實時收集的通過研究這些關(guān)鍵因素的演變，查明裝配過程中出現(xiàn)的問題，并采取具體措施解決這些問題，優(yōu)化復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配過程的設(shè)計。時間優(yōu)化設(shè)計：記錄每個生產(chǎn)設(shè)備的每項操作的開始時間、完成時間和預(yù)計完成時間;它還計算流程的實際工作時間和延遲時間，并確定流程是否按時完成。對這些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和計算，以分別計算每個工序的完成率、交貨率和質(zhì)量控制時間。流程指南在流程方法、流程計劃、流程質(zhì)量控制和操作員類別方面進(jìn)行了優(yōu)化。裝配夾緊力優(yōu)化設(shè)計：獲得裝配設(shè)備的力度和產(chǎn)品在各裝配過程中的力度，分析裝配設(shè)備夾緊力與產(chǎn)品裝配壓力/壓力/力矩之間的關(guān)系，獲得裝配設(shè)備和產(chǎn)品的力度關(guān)系和變化趨勢， 獲得裝配設(shè)備的最優(yōu)力狀態(tài)，實現(xiàn)裝配夾緊力優(yōu)化設(shè)計。

優(yōu)化的運動類型設(shè)計和運動類型差：獲得數(shù)據(jù)，例如運動類型中的運動類型上的運動類型和運動類型之間的運動類型差以及運動類型中運動類型面之間的最大和最小運動類型。并分析每個裝配過程中裝配工藝參數(shù)和裝配集參數(shù)的變化趨勢以及步長差異，以優(yōu)化裝配工藝參數(shù)，獲得滿足裝配集和步長差異的工藝參數(shù)的最佳值。材料分布優(yōu)化設(shè)計：分析不同材料的分布時間、不同材料分布對裝配的影響、不同供應(yīng)商材料的交付率。在整個組裝過程中，材料的分配是以不同材料分配的準(zhǔn)確性為基礎(chǔ)的，以確保大型和緊急組裝具有可靠的供應(yīng)商材料，最大限度地保證組裝材料的正常供應(yīng)，并確保組裝順利進(jìn)行。合理優(yōu)化操作人員分配：根據(jù)不同操作數(shù)，計算不同技能操作人員執(zhí)行操作的時間和質(zhì)量，對操作人員進(jìn)行分類和定義，根據(jù)裝配操作的優(yōu)先級分配不同級別的操作人員，最大限度地利用人力資源，確保以下各項的進(jìn)展和質(zhì)量。

結(jié)束語

綜上所述，隨著航空產(chǎn)品功能性能的提高，航空產(chǎn)品及其制造工藝變得越來越復(fù)雜，迫切需要在復(fù)雜航空產(chǎn)品的設(shè)計和制造中應(yīng)用更多的新技術(shù)。因此，優(yōu)化復(fù)雜航空產(chǎn)品組裝過程的設(shè)計，需要加大研究重點，形成更多的研究成果，應(yīng)用于航空產(chǎn)品開發(fā)，提高我國航空產(chǎn)品開發(fā)能力。

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