基于飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝的仿真技術(shù)研究

摘" 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，我國政府部門愈發(fā)提高對航空制造業(yè)的重視程度，針對航空制造業(yè)發(fā)展提出各種相關(guān)政策，來促進(jìn)航空制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。而飛機(jī)裝配作為航空制造業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)裝配工藝已無法滿足飛機(jī)運(yùn)行要求，一旦某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，很容易給整個飛機(jī)運(yùn)行安全性帶來嚴(yán)重影響?；诖?，該文以某型飛機(jī)機(jī)翼裝配為主要研究對象，注重研究數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，分析飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，通過數(shù)字化裝配仿真分析功能模塊研究整個裝配過程，制定健全的實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配工藝過程的可視化。試驗(yàn)分析數(shù)據(jù)說明，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)能提高日常裝配效率，加強(qiáng)裝配工藝設(shè)計(jì)工作的準(zhǔn)確性，保障日常裝配質(zhì)量和效率滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)；數(shù)字化裝配；仿真技術(shù)；工業(yè)機(jī)器人；航空制造業(yè)

中圖分類號：V262.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）19-0114-04

Abstract： With the continuous development of social economy， Chinese government departments pay more and more attention to the aviation manufacturing industry， and put forward various relevant policies for the development of the aviation manufacturing industry to promote the sustainable development of the aviation manufacturing industry. Aircraft assembly as an important part of the development of the aviation manufacturing industry， the traditional assembly process has been unable to meet the requirements of aircraft operation， once there is a problem in a link， it is easy to have a serious impact on the safety of the whole aircraft operation. Based on this， this paper takes the wing assembly of a certain type of aircraft as the main research object， pays attention to the research of digital assembly simulation technology， analyzes the development status of aircraft digital assembly simulation technology， studies the whole assembly process through the function module of digital assembly simulation analysis， and formulates a sound implementation plan to realize the visualization of aircraft assembly process. The test and analysis data show that the digital assembly simulation technology can improve the daily assembly efficiency， enhance the accuracy of assembly process planning， and ensure that the daily assembly quality and efficiency meet the industry standards.

Keywords： aircraft; digital assembly; simulation technology; industrial robot; aviation manufacturing industry

航空制造業(yè)作為現(xiàn)代技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域，其技術(shù)水平和國家綜合實(shí)力成正比。特別在信息化時代背景下，新型飛機(jī)對自身使用壽命和性能提出更高要求，市場要求具有多品種、小批量特征，隨著產(chǎn)品制作周期降低，傳統(tǒng)飛機(jī)制造裝配技術(shù)不符合飛機(jī)制造要求，國外很多企業(yè)利用三維數(shù)字模型方式設(shè)計(jì)飛機(jī)裝配流程，如工裝設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造等環(huán)節(jié)，其利用裝配虛擬仿真技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化裝配過程，有效減少飛機(jī)制造時間和成本，加強(qiáng)飛機(jī)制造質(zhì)量。和國外相關(guān)企業(yè)相比，我國數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用時間較晚，制造技術(shù)方面過于滯后，隨著研究人員不懈努力的研究，BELMIA逐漸完善，被廣泛應(yīng)用到很多地區(qū)的裝配工藝設(shè)計(jì)中，如上海某企業(yè)利用DELMIA構(gòu)建三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)，真實(shí)仿真整個制造環(huán)環(huán)境，給企業(yè)日常生產(chǎn)工作提供豐富數(shù)據(jù)資源。因此，本文根據(jù)DELMIA實(shí)際內(nèi)容，通過實(shí)例分析方法進(jìn)行飛機(jī)數(shù)字化裝配仿真技術(shù)分析，提出最佳飛機(jī)裝配過路程，制定合理的裝配可達(dá)性解決方案，讓整個虛擬裝配仿真過程和實(shí)際生產(chǎn)過程基本相同，對實(shí)際生產(chǎn)裝配工作具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性[1]。

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)是通過人機(jī)工程仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相互結(jié)合所產(chǎn)生，是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，不僅能幫助工作人員在不用制造實(shí)物的情況下，通過計(jì)算機(jī)真實(shí)仿真虛擬模型，提高數(shù)據(jù)可視化效果，給設(shè)備裝配工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時，虛擬裝配主要包括日常生產(chǎn)過程、產(chǎn)品、工藝等環(huán)節(jié)，是目前最先進(jìn)的數(shù)字化實(shí)體模型，通過分析計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的產(chǎn)品工藝過程，提高裝配工藝流程的合理性，呈現(xiàn)整個裝配過程。因此，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)能提前預(yù)測產(chǎn)品裝配中遇到的各種問題，提高工業(yè)生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)的合理性。目前，DELMIA軟件具有制造簡單、機(jī)器人應(yīng)用仿真效果較佳等特征，被廣泛應(yīng)用到航空工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造方面，是目前最先進(jìn)的虛擬仿真軟件，通過合理應(yīng)用其虛擬裝配仿真功能，能科學(xué)處理裝配工作中遇到的問題，達(dá)到預(yù)期的效果，提高過程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作效率，加強(qiáng)仿真精確度。同時，利用DELMIA軟件制作相關(guān)圖片，能構(gòu)建出不同環(huán)境下飛機(jī)的工作零部件，且具有自動碰撞偵測功能，能自動檢測出運(yùn)行中存在的風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)劃出多條規(guī)避路線。

2" 基于BELMIA的數(shù)字化裝配仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字化裝配仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用到航空制造行業(yè)，根據(jù)飛機(jī)不同系統(tǒng)裝配難易程度的不同，工作人員可將數(shù)字化裝配仿真技術(shù)應(yīng)用到各環(huán)節(jié)中，如部裝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、總裝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、零組件裝配環(huán)節(jié)等，實(shí)現(xiàn)虛擬裝配仿真、虛擬模型導(dǎo)入、虛擬場景搭建等工作。

2.1" 主要工作內(nèi)容

利用DELMIA進(jìn)行數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括各種工藝信息添加、裝配仿真、AO項(xiàng)目確定、連接件工藝模型建模和人機(jī)工程仿真驗(yàn)證等。同時，在三維建模軟件中不同數(shù)模都有特殊的三維坐標(biāo)值，如組件、飛機(jī)零件、裝配資源等，工作人員需將這些坐標(biāo)全部歸納在相同飛機(jī)坐標(biāo)系中，當(dāng)其移動這些環(huán)節(jié)的數(shù)模時，其在屏幕上的具體位置會出現(xiàn)不同程度的變化，能通過專業(yè)算法計(jì)算出運(yùn)動軌跡。其仿真主要目的是分析組件和零件的可裝配性，在裝配環(huán)節(jié)中檢查零部件的具體位置，判斷其是否和其他物體出現(xiàn)碰撞問題，是否根據(jù)行業(yè)要求和其他物體相互連接。在正常情況下，工作人員通常采用人工和自動2種方式，是生產(chǎn)零部件運(yùn)動的主要途徑，其中人工方法是在虛擬環(huán)境中移動鼠標(biāo)，將零件數(shù)模移動到裝配位置，建立具體的移動路基；自動方法是以虛擬環(huán)境為基礎(chǔ)，明確零件數(shù)模起點(diǎn)位置、約束關(guān)系、裝配位置等，軟件利用歸算法自動形成零部件運(yùn)動軌跡。當(dāng)工作人員得到上述數(shù)據(jù)后，可啟動干涉檢查功能，重復(fù)播放零件數(shù)模的裝配過程，檢查零件數(shù)模在移動中是否存在碰撞問題，判斷其是否需要重新規(guī)劃線路。

2.2" 數(shù)據(jù)要求

本文采用*.CATProcess、*. CATProduct、*.CATPart等CATIA通用數(shù)據(jù)格式。

2.3" 工作流程

通過利用DELMIA軟件進(jìn)行數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)時，需完成工藝規(guī)劃、節(jié)點(diǎn)建立、項(xiàng)目PPR結(jié)構(gòu)樹等環(huán)節(jié)。

2.4" 實(shí)現(xiàn)途徑

第一，通過DELMIA裝配仿真技術(shù)提高裝配工藝設(shè)計(jì)過程可視化程度，加強(qiáng)裝配工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性；第二，通過DELMIA裝配仿真技術(shù)檢查產(chǎn)品組裝過程，保證工裝設(shè)計(jì)的合格性，進(jìn)一步優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.5" 裝配工藝過程

由于飛機(jī)上各結(jié)構(gòu)中有各種零部件，裝配關(guān)系過于復(fù)雜，需要使用各種制造資源，無形中提高裝配工藝設(shè)計(jì)的難度系數(shù)，如果單純利用工作人員的工作經(jīng)驗(yàn)，很容易在數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)中出現(xiàn)各種問題，如工藝設(shè)計(jì)不合理、工藝設(shè)計(jì)錯誤等現(xiàn)象。如果這些現(xiàn)象并未被技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在裝配中才被發(fā)現(xiàn)，會導(dǎo)致大量產(chǎn)品需要返工，合理調(diào)整工藝布局和裝配流程，避免外在因素給物體制造時間和生產(chǎn)成本帶來嚴(yán)重影響。因此，工作人員可合理利用三維數(shù)字化裝配過程仿真技術(shù)，對產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行真實(shí)仿真，能保證日常生產(chǎn)的合理性。如可通過產(chǎn)品三維數(shù)字樣機(jī)對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行統(tǒng)一建模，在計(jì)算機(jī)上模擬整個生產(chǎn)過程，主要包括零件、組件裝配、產(chǎn)品形成等環(huán)節(jié)，構(gòu)建健全的產(chǎn)品數(shù)字模型和資源數(shù)字模型，便于其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段模擬出產(chǎn)品實(shí)際裝配路線，不需要采用任何實(shí)物樣機(jī)。同時，能發(fā)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)工作中存在的問題，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品制造過程和設(shè)計(jì)質(zhì)量，加強(qiáng)生產(chǎn)管理力度，合理控制產(chǎn)品開發(fā)成本和周期，提高日常產(chǎn)品制造效率，提高企業(yè)市場核心競爭力[2]。

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

本文通過分析數(shù)字化裝配仿真技術(shù)，建立完整的柔性裝配生產(chǎn)線，真實(shí)仿真整個機(jī)翼裝配工藝，如零件、設(shè)備、工具和鉚接等環(huán)節(jié)，結(jié)合實(shí)際仿真數(shù)據(jù)檢驗(yàn)裝配安全性、裝配效率、裝配工藝流程合理性，給日常生產(chǎn)工作提供豐富的數(shù)據(jù)資源[3]。

3.1" 裝配工作站虛擬現(xiàn)實(shí)場景建模

在某飛機(jī)機(jī)翼裝配工作過程中，工作人員設(shè)置有規(guī)格為30 m×70.3 m的工作平臺，設(shè)置4個工作站，其中第一和第三工作站進(jìn)行右機(jī)翼油箱段裝配工作；其他2個工作站開展左機(jī)翼油箱段裝配，工作人員要將2個工作機(jī)器人設(shè)置在工作站兩側(cè)，給飛機(jī)機(jī)翼左右油箱進(jìn)行安裝工作。同時，要保證裝配工作站空間的合理性，能容納各種設(shè)備，如試刀臺、控制柜、工裝夾具等設(shè)施，且在工作站兩側(cè)設(shè)置機(jī)器人滑動平臺和導(dǎo)軌，確保機(jī)器人能正常進(jìn)行安裝作業(yè)。同時在mechanical design機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)境下，工作人員在裝配設(shè)計(jì)模塊時要提前建設(shè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)文件和模型文件，以機(jī)器人導(dǎo)軌模型為基礎(chǔ)，在相關(guān)平臺中進(jìn)行該模塊的建模和裝配工作[4]。

3.2" 六自由度工業(yè)機(jī)器人選型和建模

本文主要采用庫卡KR8-R1420型機(jī)器人，該機(jī)器人是以三維模型為主體，采用六自由度的工業(yè)機(jī)器人DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)，每個機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)全方位旋轉(zhuǎn)。因此，工作人員通過采用機(jī)器人方面數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人進(jìn)行正常運(yùn)行（如圖1所示）。目前，DMU六自由度運(yùn)動學(xué)機(jī)構(gòu)建立步驟：①確定歸機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)模型；②設(shè)置固定的零部件；③建立運(yùn)動機(jī)構(gòu)；④進(jìn)行運(yùn)動仿真驗(yàn)證；⑤根據(jù)要求添加輔助附屬模型；⑥安裝各種運(yùn)動副；⑦進(jìn)行各種相關(guān)研究；⑧計(jì)算實(shí)體模型的骨架[5]。

3.3" 虛擬柔性裝配線運(yùn)行模式試驗(yàn)

在日常試驗(yàn)過程中，工作人員結(jié)合機(jī)翼裝配工作站實(shí)際情況，真實(shí)仿真飛機(jī)機(jī)翼油箱、柔性工藝裝備實(shí)體模型、六自由度機(jī)器人實(shí)體模型、機(jī)翼裝配工作站實(shí)體模型、飛機(jī)機(jī)翼油箱模型，保證其日常使用的合理性。如將六自由度機(jī)器人應(yīng)用在滑動導(dǎo)軌操作方面，合理控制工作內(nèi)容，等到2個生產(chǎn)節(jié)拍全部完成后，再進(jìn)行接下來的工作內(nèi)容[6]。同時，在裝配生產(chǎn)線過程中，工作人員要根據(jù)工業(yè)機(jī)器人模型和生產(chǎn)線虛擬模型間的關(guān)系，在DELMIA試驗(yàn)環(huán)境完成整個試驗(yàn)工作。且在Device Task Definition 模塊中，工作人員要合理采用相關(guān)工具將數(shù)據(jù)內(nèi)容導(dǎo)入模型中，如裝配生產(chǎn)線的虛擬模型和工業(yè)機(jī)器人模型（如圖2所示）。

當(dāng)虛擬工業(yè)機(jī)器人飛機(jī)機(jī)翼裝配生產(chǎn)線布置工作完成后，工作人員要根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置機(jī)器人站位點(diǎn)，保證機(jī)器人工作合理性，充分發(fā)揮其真正作用，檢查是否存在干涉碰撞問題，科學(xué)控制機(jī)器人運(yùn)行路徑，保證機(jī)器人飛機(jī)機(jī)翼裝配生產(chǎn)線的虛擬仿真結(jié)果能滿足實(shí)際要求。同時，將機(jī)器人應(yīng)用到裝配線中，提高機(jī)器人和站位間的相互聯(lián)系，保證整個工位在機(jī)器人工作范圍內(nèi)（如圖3所示）。另外，要合理規(guī)劃Check檢查區(qū)域，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動范圍，檢查機(jī)器人各方面，如附件、工裝、設(shè)備等方面，保證機(jī)器人工作區(qū)域的安全性，提高機(jī)器人加工路徑的合理性[7]。

通過分析模塊中Teach所展示的功能，計(jì)算出機(jī)器人在不同情況下的逆解[8]。目前，機(jī)器人運(yùn)動點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)逆解在Jog對話框中能清楚看到，Jog能同步分析這些逆解的奇異性，且準(zhǔn)確標(biāo)注其實(shí)際狀態(tài)，出現(xiàn)其有2個Good點(diǎn)，是目前最合理的逆解。當(dāng)工作人員采用該逆解時，會在Teach窗口中選擇Modify按鈕，其會變成機(jī)器人在該點(diǎn)的實(shí)際姿態(tài)（如圖4所示）。

防碰撞檢測是通過分析裝配過程中周圍環(huán)境，預(yù)期裝配中是否出現(xiàn)碰撞問題；干涉檢測是研究機(jī)器人在裝配中出現(xiàn)的速度加速度、奇異性等問題，該環(huán)節(jié)是保證機(jī)器人運(yùn)行安全性的重要環(huán)節(jié)。在正常情況下工作人員利用DELMIA自動碰撞監(jiān)測功能，讓用戶生成多個碰撞和接近隊(duì)列，避免出現(xiàn)碰撞問題，還能使用自動路徑規(guī)劃生成避碰機(jī)器人軌跡，有利于其檢測機(jī)器人速度限制問題和速度，提高日常檢測效率，解決日常工作中存在的問題，有效解決機(jī)器人在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的碰撞現(xiàn)象[9]。另外，可采用雙機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，2臺機(jī)器人在裝配線4個工位和機(jī)翼油箱裝配工作占位中同步工作，其先在第一第二展位上進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼整體油箱段的鉚裝裝配工作，再分別在第三和第四展位上進(jìn)行工作，進(jìn)行機(jī)翼外段裝配工作（如圖5所示）。

3.4" 裝配仿真結(jié)果分析

通過仿真分析，優(yōu)化裝配生產(chǎn)線布局，解決裝配中出現(xiàn)干涉碰撞問題，提高裝配過程的合理性。同時，要利用DELMIA軟件對裝配生產(chǎn)線進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)該型號機(jī)翼柔性裝配站布局能滿足機(jī)翼裝配要求，對工業(yè)機(jī)器人使用方面發(fā)揮出較強(qiáng)容納性。因此，工作人員在設(shè)置裝配生產(chǎn)線中，要根據(jù)生產(chǎn)要求合理調(diào)整產(chǎn)品類型，保證其能滿足日常裝配要求。另外，經(jīng)過專業(yè)人員統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，典型部件裝配周期時間、裝配周期、裝配返工率、裝配工藝設(shè)計(jì)周期、裝配成本控制出現(xiàn)不同程度的下降，進(jìn)一步加強(qiáng)飛機(jī)裝配質(zhì)量，滿足不同客戶的實(shí)際要求[10]。

4" 結(jié)論

綜上所述，隨著MBD技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)不斷完善，給數(shù)字化制造技術(shù)帶來不同程度的發(fā)展，能有效處理各種復(fù)雜的裝配工藝，進(jìn)一步優(yōu)化整個裝配過程，促進(jìn)相關(guān)企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此，本文以機(jī)翼油箱段為主要研究對象，通過構(gòu)建裝配生產(chǎn)線的三維模型，并將其應(yīng)用到DELMIA環(huán)境中進(jìn)行分析，合理規(guī)劃機(jī)翼柔性裝配生產(chǎn)路線，保證整個設(shè)計(jì)工作順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李波，田威，王長瑞.基于半實(shí)物仿真平臺的工科類專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討——以機(jī)器人飛機(jī)裝配為例[J].科技風(fēng)，2021（6）：81-82.

[2] 付煒，趙旭東.飛行模擬機(jī)增強(qiáng)型近地告警系統(tǒng)仿真研究與設(shè)計(jì)[J].測控技術(shù)，2021，40（5）：101-104.

[3] 中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院.以模型為驅(qū)動，構(gòu)建正向研發(fā)新模式——打造民機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化協(xié)同建模仿真的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺[J].張江科技評論，2021（6）：50-51.

[4] 朱蓮萍，孫小峰，陳保國，等.利用高速振動降低零件回彈及蒙皮件制造——電磁成形技術(shù)的新應(yīng)用[J].精密成形工程，2021，13（5）：72-78.

[5] 張秋實(shí).機(jī)載紫外前視測風(fēng)激光雷達(dá)紫外大氣散射及相關(guān)技術(shù)研究[D].北京：中國科學(xué)院大學(xué)，2021.

[6] 張哲愷.跑道平整度評價標(biāo)準(zhǔn)適用性研究——考慮飛機(jī)滑跑動力響應(yīng)疊加效應(yīng)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2020.

[7] 孫起帆.基于Vega Prime的飛行模擬器視景仿真系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2020.

[8] 王利敏，張彥軍，米百剛，等.渦槳飛機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道排除異物特性數(shù)值研究[J].航空工程進(jìn)展，2020，11（2）：264-271，278.

[9] 張濤.飛機(jī)附件修理實(shí)訓(xùn)模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)——滅火系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺[J].中國科技信息，2019（8）：60-61.

[10] 陸垚垚.機(jī)器人正反鏜飛機(jī)交點(diǎn)孔的振動與表面形貌研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2019.

基金項(xiàng)目：2022年度黃河交通學(xué)院校級課程教學(xué)資源庫（HHJTXY-2022kczyk012）

作者簡介：辛朝陽（1978-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)楹娇站S修、飛行器制造。