裝配仿真技術(shù)及其在某機(jī)垂尾裝配中的應(yīng)用

劉春, 焦蒂

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110136）

0 引 言

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與過(guò)程仿真技術(shù)提供了在三維數(shù)字化環(huán)境中動(dòng)態(tài)裝配零部件及其組件的整個(gè)過(guò)程，在現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造中扮演的角色將越來(lái)越重要。通過(guò)數(shù)字化三維仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配全過(guò)程的仿真，來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝和資源的合理性。通過(guò)在產(chǎn)品零部件及工裝制造之前在虛擬環(huán)境下檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝和資源的合理性，可大大縮短產(chǎn)品研制周期和降低成本［1］。

目前，國(guó)際上以飛機(jī)和汽車為代表的大型復(fù)雜產(chǎn)品研制企業(yè)都已將數(shù)字化裝配技術(shù)如UG、CATIA 和DELMIA 等應(yīng)用于生產(chǎn)中，并取得了顯著的效益。無(wú)論是波音還是空客公司，目前已基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化裝配，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的三維虛擬裝配仿真和驗(yàn)證，極大減少了產(chǎn)品制造階段的設(shè)計(jì)更改，縮短了工藝規(guī)劃時(shí)間，大大提高了工作效率［2］。然而，國(guó)內(nèi)的飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用仍處于探索和起步階段，飛機(jī)制造業(yè)依然沿用傳統(tǒng)的依據(jù)實(shí)物的裝配方法和手段，使得飛機(jī)的裝配周期不易保證，無(wú)法滿足三維數(shù)字化條件下裝配工藝設(shè)計(jì)和要求，而且缺少典型示教的三維動(dòng)態(tài)裝配過(guò)程,不便裝配工人使用和理解［3］。

本文將通過(guò)某機(jī)垂尾裝配實(shí)例研究裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用。首先分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝方案，然后，利用DELMIA 的DELMIA DPM ASSEMBLY 模塊的驗(yàn)證功能，根據(jù)工藝流程，對(duì)飛機(jī)垂直尾翼裝配過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證飛機(jī)垂直尾翼的可裝配性以及裝配型架的合理性。

1 DELMIA 的裝配仿真功能

DELMIA 軟件是達(dá)索公司的一款虛擬仿真軟件。它提供了能夠數(shù)字化設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證一臺(tái)機(jī)床、一個(gè)工作單元或整條生產(chǎn)線的解決方案［4］。DELMIA 服務(wù)于那些亟需制造流程優(yōu)化的行業(yè)，包括汽車、航空、制造與裝配、電氣電子、生活消費(fèi)品、工廠和造船部門［5］。通過(guò)使制造商能夠優(yōu)化流程，DELMIA 幫助公司提高生產(chǎn)率，促進(jìn)協(xié)同和加速上市時(shí)間。

利用DELMIA 軟件，結(jié)合3D 工廠設(shè)計(jì)、人機(jī)工程、3D 設(shè)備/工裝/夾具等功能形成三維虛擬裝配環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)裝配、拆卸過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)仿真，進(jìn)行裝配干涉檢查，驗(yàn)證產(chǎn)品的可裝配性；分析操作人員、工裝工具的可達(dá)性和可操作性；驗(yàn)證裝配型架的可制造性和正確性。常用的DELMIA 模塊主要包括：DELMIA DPM ASSEMBLY、DELMIA HUMAN、DELMIA QUEST、DELMIA PLANT LAYOUT。

其中，DPM ASSEMBLY 促進(jìn)了并行設(shè)計(jì)和制造、裝配可行性研究、可制造性研究、可維護(hù)性分析、三維工藝規(guī)劃、裝配工藝規(guī)范審批。并且使用高級(jí)干涉檢查和分析、高級(jí)截面分析、測(cè)量、距離分析、三維幾何比較工具，提供最優(yōu)的校驗(yàn)手段。

DPM ASSEMBLY 的價(jià)值表現(xiàn)在：1）促進(jìn)了裝配可行性分析，可制造性分析，可維護(hù)性分析，三維工藝規(guī)劃，裝配工藝規(guī)范審批；2）評(píng)估裝配可行性；3）檢測(cè)碰撞，接觸，間隙，在投產(chǎn)前避免碰撞；4）裝配、拆卸過(guò)程工藝校驗(yàn)；5）圖形化創(chuàng)建，查看，校驗(yàn)和修改裝配工藝；6）提供標(biāo)注，保證交流快速準(zhǔn)確。

2 垂尾結(jié)構(gòu)與裝配型架

垂尾部件主要由前梁、后梁、肋、蒙皮等零件組成，如圖1 所示。其與方向舵、尾錐和背鰭等組件連接，是飛機(jī)的主要?dú)鈩?dòng)部件之一，外形精度要求較高。

圖1 垂尾結(jié)構(gòu)

為了保證部件外形及零件間的相互位置關(guān)系和組件的互換性要求，垂尾需要采用裝配型架進(jìn)行裝配。該型架主要由骨架、定位器、卡板、支承等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 垂尾裝配夾具

3 垂直尾翼裝配的工藝過(guò)程

設(shè)定的垂尾裝配工藝流程如下：1）通過(guò)端肋定位器將垂尾端肋定位到裝配型架上；2）通過(guò)端肋和前對(duì)接交點(diǎn)定位器將前梁定位到裝配型架上；3）通過(guò)前梁和根肋定位器將根肋定位到裝配型架上；4）通過(guò)端肋和后對(duì)接交點(diǎn)定位器將后梁初步定位到裝配型架上；5）通過(guò)交點(diǎn)定位器將后梁進(jìn)一步定位到裝配型架上，并用后梁卡板夾緊；6）分別在垂尾前梁和后梁上依次裝上前緣上部肋、前緣下部肋、上中肋和下中肋；7）通過(guò)外形卡板將蒙皮定位到工裝上并夾緊。

傳統(tǒng)的裝配方式是將工藝直接用于實(shí)際裝配，即將垂尾結(jié)構(gòu)和裝配型架加工制造出實(shí)物以后進(jìn)行裝配，致使裝配中是否存在干涉等一系列問(wèn)題在實(shí)物制造之后才能暴露出來(lái)，直接影響到飛機(jī)研制的進(jìn)度和質(zhì)量。利用裝配仿真技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段，即零件和工裝制造之前對(duì)零件、工裝和工藝進(jìn)行驗(yàn)證和修改，可減少因裝配干涉等問(wèn)題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改，從而保證了產(chǎn)品裝配的質(zhì)量，提高了飛機(jī)研制的效率。下面通過(guò)對(duì)垂尾的裝配仿真來(lái)介紹DELMIA 軟件在裝配仿真過(guò)程中的應(yīng)用。

4 垂尾裝配仿真

仿真驗(yàn)證是用戶以交互方式操作產(chǎn)品三維數(shù)模，利用產(chǎn)品、資源的形狀特性在DPM 仿真環(huán)境里真實(shí)地模擬飛機(jī)的裝配過(guò)程，在進(jìn)行零件和工裝制造之前分析產(chǎn)品的裝配特性，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)的合理性，通過(guò)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題不斷地優(yōu)化工藝方案。

模擬裝配的過(guò)程是按反裝順序進(jìn)行的［6］。反裝是基于“可拆即可裝”的原理，將虛擬環(huán)境中的零件模型從正確的空間位置進(jìn)行交互拆除，得到各零件、組件的拆卸順序，最后將整個(gè)拆卸流程“反轉(zhuǎn)倒置”，“拆”的過(guò)程就轉(zhuǎn)換為“裝”的過(guò)程［7］。由于不需要在移動(dòng)零件數(shù)模時(shí)查找零件間的約束元素，這種方式移動(dòng)零件特別方便，缺點(diǎn)是與人的思維習(xí)慣相反，拆卸的邏輯順序上需要清晰的思路。

裝配順序的仿真在定義好每個(gè)零件裝配路徑的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配過(guò)程和拆卸過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)仿真，以驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中裝配順序設(shè)計(jì)是否合理、正確［8］。在裝配順序仿真過(guò)程中可以對(duì)每個(gè)零件、組件、工裝等進(jìn)行干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)零件之間、零件與工裝之間存在干涉情況時(shí)給予警報(bào)，同時(shí)給出干涉區(qū)和干涉量以幫助工藝人員查找、分析干涉的原因。DELMIA 除了能進(jìn)行靜態(tài)的干涉檢查外，它的最大特點(diǎn)是進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查，即在零件、工裝虛擬裝配的運(yùn)動(dòng)路徑中檢查干涉情況。

采用DELMIA 仿真的基本操作過(guò)程如下：1）首先要對(duì)產(chǎn)品數(shù)模和工裝非常了解，只有在了解的基礎(chǔ)上才能開展下一步工作；2）將產(chǎn)品數(shù)碼和工裝導(dǎo)入到PPR 結(jié)構(gòu)樹中，如圖3 所示；3）進(jìn)行靜態(tài)干涉檢測(cè)，查看產(chǎn)品與工裝是否有干涉；4）創(chuàng)建ProcessLibrary 文件，ProcessLibrary中保存的是裝配工藝信息；5）將ProcessLibrary 文件加載到PPR 結(jié)構(gòu)樹上；6）使用PERT 圖調(diào)整Activity 的順序；7）將產(chǎn)品數(shù)據(jù)鏈接到Activity 上；8）利用Simulation Activity Creation 工具欄生成仿真過(guò)程，并查看是否有動(dòng)態(tài)干涉；9）檢測(cè)仿真過(guò)程是否有錯(cuò)，如有錯(cuò)誤進(jìn)行更改；10）對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行錄像，記錄干涉問(wèn)題。

圖3 仿真結(jié)構(gòu)樹圖

在虛擬環(huán)境中，依據(jù)設(shè)計(jì)好的尾椎裝配工藝流程，通過(guò)對(duì)每個(gè)零件、成品和組件的移動(dòng)、定位、夾緊和裝配過(guò)程等進(jìn)行產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與工裝的干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)存在干涉情況時(shí)報(bào)警，并給出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助工藝設(shè)計(jì)人員查找和分析干涉原因。該項(xiàng)檢查是零件沿著模擬裝配的路徑，在移動(dòng)過(guò)程中零件的幾何要素是否與周邊環(huán)境有碰撞。在三維環(huán)境中，檢查過(guò)程非常直觀。

圖3 中，ProcessList 部分為仿真過(guò)程結(jié)構(gòu)樹，ProductList 部分為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹。

根據(jù)以上基本操作對(duì)垂尾進(jìn)行DELMIA 仿真，發(fā)現(xiàn)垂尾組件存在干涉問(wèn)題，產(chǎn)品與工裝發(fā)生靜態(tài)干涉，如圖4 所示。這影響到垂尾組件的裝配，通過(guò)及時(shí)與工藝制造部門交流，最后工裝數(shù)模得到了修正。整個(gè)裝配仿真過(guò)程經(jīng)驗(yàn)證無(wú)誤后，可以按照需要，定制生成相關(guān)的文檔。再將仿真過(guò)程用屏幕錄像專家錄制成視頻文件，用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。垂尾裝配仿真過(guò)程見圖5。

圖4 靜態(tài)干涉

圖5 裝配過(guò)程仿真

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)DELMIA 仿真軟件在某機(jī)垂尾裝配實(shí)例中展示了仿真技術(shù)的應(yīng)用。主要通過(guò)DELMIA 的DPM ASSEMBLY 模塊對(duì)工藝和工裝進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，解決了裝配過(guò)程中存在的干涉問(wèn)題，減少了實(shí)際裝配過(guò)程中裝配工藝問(wèn)題及工裝返工問(wèn)題。同時(shí)，生成的仿真錄像可以用于工人技術(shù)培訓(xùn)。這樣，大大提高了工作效率和質(zhì)量，縮短了飛機(jī)制造周期。裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用，改進(jìn)了傳統(tǒng)的裝配技術(shù)，保證了飛機(jī)裝配的質(zhì)量，具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于目前的裝配仿真技術(shù)仍處于發(fā)展階段，還存在一些不足之處需要改進(jìn)，如零件的尺寸和外形超差、裝配變形等問(wèn)題不能在仿真中真實(shí)地體現(xiàn)出來(lái)。

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