航空液壓產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計技術(shù)研究

摘 要：為提高航空液壓產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，減少設(shè)計成本，提高工藝可視化水平，結(jié)合Teamcenter二次開發(fā)，提出一種三維裝配工藝設(shè)計方法。分析航空液壓產(chǎn)品裝配特點，研究MBOM轉(zhuǎn)換方法、裝配序列與裝配路徑規(guī)劃方法、裝配工藝仿真和三維裝配工藝規(guī)程生成方法等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了航空液壓產(chǎn)品的三維裝配工藝設(shè)計。以航空液壓產(chǎn)品某組件的裝配為例，驗證了上述方法的有效性。

關(guān)鍵詞：航空液壓產(chǎn)品；三維裝配工藝；虛擬裝配；工藝可視化

中圖分類號：TH122 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1671-5276（2024）04-0082-05

Research on 3D Assembly Process Design Technology of Aviation Hydraulic Products

SHEN Wenyuan¹， ZHOU Laishui¹ ， HUANG Binda²

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016，China;

2. AVIC Jincheng Nanjing Engineering Institute of Aircaft System， Nanjing 211106， China）

Abstract：In order to improve the efficiency and quality of assembly process design of aviation hydraulic products， reduce its design cost and improve its process visualization level， a 3D assembly process planning method was put forward through combination of the secondary development of Teamcenter. The assembly characteristics of aviation hydraulic products were analyzed， and the key technologies such as MBOM conversion method， assembly sequence and assembly path planning method， assembly process simulation and generation method of 3D assembly process specification were studied to realize the 3D assembly process planning of aviation hydraulic products.The assembly of a component of aviation hydraulic product was taken as an example to verify the effectiveness of the proposed method.

Keywords：aviationn hydraulic products; 3D assembly process; virtual assembly; process visualization

0 引言

航空液壓產(chǎn)品是飛機機載系統(tǒng)的重要組成部分，其生產(chǎn)具有變批量、多品種的特點。航空液壓產(chǎn)品組成零件多、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對于其他液壓產(chǎn)品，由于作動動作更加復(fù)雜、性能要求更高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)組成更加復(fù)雜，同時兼具質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性要求高等特點^[1]。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，新一代飛機中航空液壓產(chǎn)品的復(fù)雜程度越來越高，導(dǎo)致其裝配工藝更加復(fù)雜。因此，如何提高裝配工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，對于保證航空液壓產(chǎn)品交付進度具有重要意義。

裝配是航空液壓產(chǎn)品制造的末端環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是保證航空液壓產(chǎn)品研制質(zhì)量、交付周期的重要環(huán)節(jié)。目前，國內(nèi)航空液壓產(chǎn)品的裝配工藝設(shè)計主要采用二維手工設(shè)計模式。通過二維圖樣構(gòu)思和設(shè)計工藝的方法依賴設(shè)計人員的個人經(jīng)驗，導(dǎo)致工藝設(shè)計效率低、工藝質(zhì)量參差不齊。通過物理樣機校驗裝配工藝的方法缺乏仿真驗證手段，導(dǎo)致工藝校驗成本較高。以二維簡圖和文字描述的工藝規(guī)程表述不直觀，導(dǎo)致工藝執(zhí)行不夠精準(zhǔn)。

針對以上問題，開展航空液壓產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計技術(shù)研究，通過對航空液壓產(chǎn)品裝配特點的分析，突破MBOM轉(zhuǎn)換、裝配序列和路徑規(guī)劃、三維裝配工藝仿真、三維裝配工藝作業(yè)指導(dǎo)書發(fā)布等關(guān)鍵技術(shù)，提高了航空液壓產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，減少了設(shè)計成本，提高了工藝可視化水平。

1 三維裝配工藝設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1.1 航空液壓產(chǎn)品裝配特點分析

相對于其他液壓產(chǎn)品，因航空液壓產(chǎn)品的特殊性，使其裝配工藝更加復(fù)雜，精度要求更高。為了保證其裝配質(zhì)量，提出以下要求：

1）為應(yīng)對零件多導(dǎo)致的組合爆炸問題，通過開發(fā)相關(guān)模塊實現(xiàn)裝配序列的快速生成；

2）對于閥類、活塞類等密封性要求高的零組件，保證其具有更加寬闊的裝配操作空間；

3）通過裝配工藝仿真保證工藝可行性與合理性，進而提高裝配質(zhì)量。

1.2 航空液壓產(chǎn)品MBOM轉(zhuǎn)換

BOM（bill of material）是描述產(chǎn)品物料組成的列表^[2-3]，其中制造BOM（MBOM）的構(gòu)建為裝配序列規(guī)劃與裝配工藝仿真提供了數(shù)據(jù)源。

通常情況下，MBOM是通過對設(shè)計BOM（EBOM）的零組件結(jié)構(gòu)以及物料組成加以調(diào)整所得。EBOM的組成面向產(chǎn)品設(shè)計，而MBOM的組成面向產(chǎn)品的裝配。通過對EBOM中零組件物料屬性（虛擬部件、中間部件、外協(xié)部件和繼承部件）的定義，結(jié)合合件拆件等操作調(diào)整EBOM的物料組成，使其面向裝配制造，完成MBOM的構(gòu)建。

1.3 航空液壓產(chǎn)品裝配序列規(guī)劃

裝配序列規(guī)劃的本質(zhì)是基于裝配關(guān)系找出可行的裝配序列，并盡可能使裝配過程按照此裝配序列實施時具有更高的效率和質(zhì)量^[4-5]。

圖1為基于智能優(yōu)化算法的裝配序列規(guī)劃流程圖。首先，通過基于矩陣的方法描述產(chǎn)品的裝配關(guān)系，包括干涉信息、支撐信息、工具信息等信息，依據(jù)這些信息可以判斷某裝配序列是否可行以及質(zhì)量如何。接著，為了保證裝配的效率和質(zhì)量，綜合考慮裝配可行性、穩(wěn)定性、裝配方向與裝配工具的連續(xù)性，基于此構(gòu)建適應(yīng)度函數(shù)，作為裝配序列優(yōu)劣的評判標(biāo)準(zhǔn)。最后，隨機生成多個裝配序列，以適應(yīng)度函數(shù)為目標(biāo)，通過算法迭代尋優(yōu)找到合適的裝配序列。

1.4 航空液壓產(chǎn)品裝配路徑規(guī)劃

三維仿真環(huán)境下的裝配路徑規(guī)劃相較于二維裝配工藝設(shè)計更加直觀，因此可以獲得更高的設(shè)計效率和質(zhì)量。針對航空液壓產(chǎn)品，基于“可拆即可裝”的思想，以拆卸的方法規(guī)劃裝配路徑，構(gòu)建三維裝配路徑規(guī)劃流程如圖2所示。

Step1：以上一節(jié)得到的裝配序列為目標(biāo)，逆序得到拆卸序列。

Step2：依據(jù)拆卸序列中的零件順序，依次選擇零件進行路徑規(guī)劃。

Step3：判斷此零件裝配環(huán)境是否復(fù)雜。否則轉(zhuǎn)入Step4，是則轉(zhuǎn)入Step5。

Step4：確定目標(biāo)零件的首、末位置點，并把這兩個位置點之間的連線作為初始路徑。判斷初始路徑是否存在不合理的地方，并通過添加中間位置點的方法完善路徑。

Step5：以目標(biāo)零件所處位置為初始點，逐漸添加合理的位置點直至目標(biāo)零件拆卸完成，得到拆卸路徑。

Step6：完成所有零件的路徑規(guī)劃后，通過對拆卸序列與路徑的反轉(zhuǎn)，得到合理的裝配路徑。

1.5 航空液壓產(chǎn)品裝配工藝仿真

航空液壓產(chǎn)品裝配工藝仿真即通過三維運動仿真模擬裝配工藝的實施過程，并通過仿真結(jié)果對裝配工藝進行校驗。相較于二維裝配工藝通過物理樣機的進行工藝校驗方法，具有效率高、成本低的優(yōu)點^[6-7]。

裝配工藝仿真的內(nèi)容主要有干涉仿真和人因工程仿真。其中，干涉仿真包括靜態(tài)干涉仿真與動態(tài)干涉仿真，主要對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、裝配路徑與裝配序列提出校驗。人因工程對人工操作的可達性、可視性、舒適性提出檢驗，進而使裝配工藝更加完善。

1.6 航空液壓產(chǎn)品三維裝配工藝規(guī)程

三維裝配工藝規(guī)程是用以指導(dǎo)操作人員實施裝配工作的文件，相對于二維裝配工藝規(guī)程更加直觀，主要有Web發(fā)布和3D PDF發(fā)布兩種^[8]。由于3D PDF可以通過免費的Adobe Acrobat Reader打開瀏覽，成本花費較低，因此選用3D PDF作為三維裝配工藝規(guī)程的發(fā)布載體。

下面對三維裝配工藝規(guī)程發(fā)布的關(guān)鍵技術(shù)進行描述。XML（eXtensible markup language）可以用于各平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸^[9]，以XML描述工藝信息并實現(xiàn)工藝規(guī)程中工藝信息的自動填寫。通過PLM（product lifecycle management）軟件完成航空液壓產(chǎn)品的裝配仿真，通過仿真內(nèi)容輸出PRC格式的三維模型，作為工藝規(guī)程中的裝配動畫。三維工藝規(guī)程模板通過Acrobat軟件制作，作為工藝信息和三維模型的載體。通過以上關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建三維裝配工藝規(guī)程生成流程圖如圖3所示。

以工序卡片的形式輸出工藝規(guī)程模板如圖4所示，包括三維動畫區(qū)、按鈕區(qū)和工藝信息區(qū)。

1.7 航空液壓產(chǎn)品三維裝配工藝設(shè)計流程

綜上所述，三維裝配工藝設(shè)計流程如圖5所示。

Step1：以EBOM為輸入，通過零組件屬性定義的方法轉(zhuǎn)換生成MBOM。

Step2：根據(jù)MBOM的零組件組成結(jié)構(gòu)劃分裝配層次，根據(jù)劃分結(jié)果依次開展裝配序列規(guī)劃。打開裝配序列規(guī)劃模塊，通過定義合理的算法參數(shù)并錄入裝配信息后開始運算，運算完成得到產(chǎn)品及其各組件的裝配序列及其裝配方向。

Step3：通過所得裝配序列生成裝配工藝路線，并關(guān)聯(lián)產(chǎn)品、資源、工廠信息。選擇某工序打開三維裝配工藝仿真模塊，搭建三維仿真環(huán)境并通過運動仿真規(guī)劃裝配路徑。

Step4：通過三維仿真環(huán)境，開展干涉檢查與人因工程研究，對裝配路徑和裝配序列提出修改，使裝配工藝逐漸完善。工藝完善后根據(jù)仿真內(nèi)容輸出各工序的裝配動畫。

Step5：根據(jù)工藝樹打開工藝信息管理模塊，針對各工序，詳細設(shè)計通過仿真完善得到的裝配工序，設(shè)計完成后通過導(dǎo)出工藝信息并結(jié)合裝配動畫生成工序卡片并發(fā)放到制造部門。

2 航空液壓產(chǎn)品三維裝配工藝實現(xiàn)

通過Teamcenter軟件二次開發(fā)功能，開發(fā)了裝配序列規(guī)劃模塊和工藝信息管理模塊。結(jié)合三維裝配工藝設(shè)計的方法，以某航空液壓產(chǎn)品——小舵機中的組件裝配為例，實現(xiàn)航空液壓產(chǎn)品的三維裝配工藝設(shè)計。

2.1 MBOM構(gòu)建與裝配層次劃分

根據(jù)前文分析，針對小舵機殼體組件構(gòu)建MBOM，如圖6所示。以MBOM的物料結(jié)構(gòu)劃分為基礎(chǔ)，逐層求解裝配序列。

2.2 裝配序列規(guī)劃模塊

根據(jù)圖6第二層的零組件劃分，構(gòu)建爆炸圖如圖7所示。針對圖中零組件規(guī)劃裝配序列，類似地求得其他層次零組件的裝配序列，進而完成整個組件的序列規(guī)劃。

圖8為裝配序列規(guī)劃模塊。如圖8左側(cè)界面所示，在生成裝配序列之前，需要完成裝配信息、算法參數(shù)、零件編碼的指定，接著點擊“運算結(jié)果顯示”按鈕，自動彈出界面如圖8右側(cè)所示，界面中包含了零組件的裝配順序與裝配方向信息。

2.3 裝配路徑規(guī)劃與裝配工藝仿真實現(xiàn)

以裝配序列為基礎(chǔ)，通過路徑點構(gòu)建裝配路徑如圖9所示。

接著通過裝配工藝仿真（圖10），對裝配工藝進行校驗。

通過圖10（a）、圖10（b）的干涉檢查分析并調(diào)整工藝，保證裝配工藝的可行性。通過圖10（c）、圖10（d）可知，如果電磁閥先于組合閥裝配，則會對可達性和可視性產(chǎn)生影響，因此需要調(diào)整組合閥先于電磁閥裝配。通過圖10（e）、圖10（f）兩種方法分析并調(diào)整工藝，保證人工操作的安全性。

2.4 工藝信息管理模塊

通過工藝信息管理模塊（圖11）完成工藝信息的詳細設(shè)計，進而輸出三維裝配工藝規(guī)程如圖12所示。圖中動畫可以完成拖動、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作。

3 結(jié)語

針對航空液壓產(chǎn)品的裝配特點，研究并實現(xiàn)了三維裝配工藝設(shè)計的相關(guān)技術(shù)及設(shè)計流程，實現(xiàn)了裝配序列的快速生成，使工藝設(shè)計人員能夠在三維仿真環(huán)境中構(gòu)思和校驗工藝，并能夠輸出帶有裝配動畫的可交互式三維裝配工藝規(guī)程，提高了裝配工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量，減少了工藝設(shè)計返工率與設(shè)計成本，提高了裝配工藝可視化水平，便于操作人員理解工藝內(nèi)容。

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收稿日期：20230213