李曉楓，王仲奇，康永剛

（西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，陜西 西安 710072）

飛機(jī)裝配仿真技術(shù)提供了在三維數(shù)字化環(huán)境中動(dòng)態(tài)地安裝零部件及其組件的整個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過程的仿真，可大大縮短飛機(jī)裝配周期和研發(fā)成本。通過數(shù)字化裝配過程仿真與優(yōu)化技術(shù)替代零部件裝配試驗(yàn)，可降低開發(fā)成本、有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障率、減少裝配過程反復(fù)、減少人為差錯(cuò)、減少因裝配干涉等問題而進(jìn)行的重新設(shè)計(jì)和工程更改[1-2]。同時(shí)在工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，使設(shè)計(jì)人員在屏幕上通過機(jī)構(gòu)的三維動(dòng)態(tài)顯示，不僅可以直觀地看到整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程，而且可以分析運(yùn)動(dòng)的極限位置轉(zhuǎn)角、干涉情況、空間運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，這樣設(shè)計(jì)人員不需等待試制樣機(jī)就可以提前對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題作出精確的預(yù)測和改進(jìn)，為設(shè)計(jì)提供一種理論依據(jù)[3]。

產(chǎn)品模型的三維化為裝配過程仿真提供了便利的基礎(chǔ)和條件，同時(shí)柔性工裝的運(yùn)動(dòng)和調(diào)整數(shù)字化使得必須通過裝配過程仿真，模擬整個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)和工藝過程，才能確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)動(dòng)過程的可控性。

1 存在的問題

在制造企業(yè)的生產(chǎn)流程中，工藝工作貫穿于整個(gè)流程當(dāng)中。工藝設(shè)計(jì)處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工制造的中間環(huán)節(jié)，它是生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作的第一步。工藝設(shè)計(jì)工作不僅涉及到企業(yè)的生產(chǎn)類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝裝備、生產(chǎn)技術(shù)水平等，甚至還要受到工藝人員實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)管理體制的制約，其中的任何一個(gè)因素發(fā)生變化，都可能導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)方案的變化[4]。

目前工藝設(shè)計(jì)工作包含的內(nèi)容和基本流程為：設(shè)計(jì)部門給出產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙后，首先要轉(zhuǎn)到工藝部門進(jìn)行工藝審查，然后工藝部門提出修改意見返回設(shè)計(jì)部門進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的修改，此時(shí)產(chǎn)生的工藝文件是“工藝審查記錄單”。設(shè)計(jì)部門在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行修改時(shí)，工藝部門同時(shí)要進(jìn)行工藝總方案設(shè)計(jì)。修改后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)到工藝部門后，工藝人員要進(jìn)行工藝路線的編制及工藝規(guī)程的編制，基于工藝規(guī)程，工藝人員要完成如“設(shè)備匯總”、“工裝匯總”等工作。對(duì)需要進(jìn)行工藝裝備設(shè)計(jì)的提出工裝申請(qǐng)，由工裝設(shè)計(jì)部門進(jìn)行工裝的設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)流程

由圖可見，工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在著時(shí)間和空間上的差異，沒有建立緊密的聯(lián)系，無法進(jìn)行協(xié)同工作。由于受傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造方法和工具的限制，產(chǎn)品的研制都是串行工作方式，工藝設(shè)計(jì)的時(shí)間大部分耗費(fèi)在工藝與設(shè)計(jì)、工藝與制造的反復(fù)工作上，而且無法將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關(guān)的制造資源緊密結(jié)合在一起實(shí)現(xiàn)裝配過程的仿真，無法在工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行三維的虛擬工藝驗(yàn)證，零部件能否準(zhǔn)確安裝，在實(shí)際安裝過程中是否發(fā)生干涉，工藝流程、裝配順序是否合理，裝配工藝裝備是否滿足裝配需要，裝配操作空間是否具有開放性等一系列問題無法在裝配設(shè)計(jì)階段得到有效驗(yàn)證。上述任意環(huán)節(jié)在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)問題都將影響飛機(jī)的研制周期，造成費(fèi)用的損失。

其次，目前大多裝配過程仿真并未考慮到工裝等設(shè)備機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，不能有效模擬實(shí)際情況。同時(shí)飛機(jī)數(shù)字化裝配過程必須通過設(shè)備機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模擬控制過程，因此裝配工藝過程和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真的集成即是飛機(jī)數(shù)字化裝配過程仿真的關(guān)鍵。

2 DELMIA軟件簡介

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國達(dá)索公司出品的具有較強(qiáng)模擬仿真功能的三維設(shè)計(jì)軟件，其應(yīng)用涵蓋了航空、航天、汽車和船舶等幾乎所有機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化制造。該系統(tǒng)以“數(shù)字化制造技術(shù)”為核心，重點(diǎn)解決制造過程的仿真問題，并為此提供了定義和模擬數(shù)字化制造流程的各項(xiàng)功能，其中產(chǎn)品、工藝流程和資源模型中樞（PPR HUB）是提供“數(shù)字工程”解決方案以及支持工藝設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)有上百個(gè)子模塊，按功能劃分為數(shù)字工藝（Digital Process Engineer，DPE）、數(shù)字制造（Digital Process Manufacture，DPM）和資源建模與仿真（Resource Modeling&Simulation，Quest）三大類。

其中，DPM提供一個(gè)工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗(yàn)證應(yīng)用3D環(huán)境。其將DPE產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和圖表，結(jié)合生產(chǎn)制造規(guī)則，形成3D虛擬制造環(huán)境，以實(shí)際產(chǎn)品的3D（或DMU）模型，構(gòu)造3D工藝過程，分析產(chǎn)品的可制性、可達(dá)性、可拆卸性和可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)3D產(chǎn)品數(shù)據(jù)與3D工藝數(shù)據(jù)的同步的、真正的并行工程環(huán)境。裝配工藝解決方案是一款面向數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和仿真的工具，DPM Assembly裝配工藝規(guī)劃和驗(yàn)證的解決方案，用于完善制造生產(chǎn)工藝和維護(hù)工藝。DPM Assembly進(jìn)行產(chǎn)品裝配的可行性研究，可生產(chǎn)性研究，可維護(hù)性研究，3D工藝規(guī)劃和產(chǎn)生裝配工藝說明書。

3 機(jī)翼前襟翼裝配工藝特點(diǎn)及對(duì)工裝要求

前襟裝配有如下特點(diǎn)：①生產(chǎn)過程工藝性復(fù)雜，專業(yè)水平要求高，原理性知識(shí)需要掌握、熟悉，才能完成所承擔(dān)的工序。②裝配過程需要數(shù)字化定位，其中很多工序的完成需要相應(yīng)工裝設(shè)備提供保障。

根據(jù)機(jī)翼前襟的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的前襟柔性裝配集成單元可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外前襟及其左、右件共四個(gè)產(chǎn)品的柔性定位、夾緊和自動(dòng)制孔?？傮w上，集成單元結(jié)構(gòu)由7個(gè)立柱、可調(diào)底座、制孔機(jī)器人及其龍門架組成。每個(gè)立柱有3-5個(gè)自由度，共計(jì)26個(gè)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的自由度，每個(gè)立柱結(jié)合其定位器可以實(shí)現(xiàn)空間點(diǎn)位的三坐標(biāo)精確控制。總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前襟柔性裝配集成單元總體結(jié)構(gòu)圖

4 裝配過程與工裝運(yùn)動(dòng)仿真集成關(guān)鍵技術(shù)

裝配過程仿真與工裝結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：裝配工藝仿真和機(jī)構(gòu)仿真。其中裝配過程仿真主要內(nèi)容有裝配工藝文件向裝配仿真環(huán)境映射以及裝配路徑規(guī)劃、干涉檢查等。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真涉及到運(yùn)動(dòng)機(jī)制的創(chuàng)建與運(yùn)動(dòng)分析等內(nèi)容。其流程如圖3所示。

4.1 裝配工藝文件映射技術(shù)

在產(chǎn)品的制造過程中，裝配工藝方案的制定通常由企業(yè)級(jí)工藝部門和車間級(jí)工藝部門分級(jí)完成。前者通常從工藝總方案的角度，分析并決策部件級(jí)的裝配單元?jiǎng)澐?、裝配順序規(guī)劃等，對(duì)裝配過程信息的考慮較少；后者通常從產(chǎn)品裝配實(shí)施的角度，結(jié)合裝配過程信息，對(duì)零、組件級(jí)的裝配操作、動(dòng)作的順序、路徑進(jìn)行符合生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際的規(guī)劃，最終完成裝配大綱的編制。根據(jù)復(fù)雜產(chǎn)品裝配規(guī)劃的這一特點(diǎn)，可將產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃分為對(duì)應(yīng)于企業(yè)級(jí)工藝部門的宏規(guī)劃和對(duì)應(yīng)于車間級(jí)工藝部門的微規(guī)劃[5-6]。

裝配工藝文件信息的解析與映射，實(shí)質(zhì)是裝配工藝微規(guī)劃，主要是將工藝信息與應(yīng)用環(huán)境相關(guān)聯(lián)，并使其以應(yīng)用環(huán)境允許的方式在其中傳遞，同時(shí)保證文件應(yīng)用的完整性。相應(yīng)機(jī)制的建立需要完成兩個(gè)方面的工作：①解析裝配工藝文件信息；②將解析的信息映射到應(yīng)用環(huán)境中，即在DELMIA仿真環(huán)境中 規(guī) 劃 PPR（ProcessList、ProductList、ResourceList）節(jié)點(diǎn)組織結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖3 裝配過程仿真流程

圖4 裝配工藝文件的映射

4.2 柔性工裝運(yùn)動(dòng)仿真模型的建立

柔性工裝運(yùn)動(dòng)仿真模型的建立主要涉及到結(jié)構(gòu)樹組織結(jié)構(gòu)規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)機(jī)制建立、工裝初始位置設(shè)定、自身靜態(tài)與動(dòng)態(tài)干涉檢查。工裝運(yùn)動(dòng)仿真前提是建立運(yùn)動(dòng)機(jī)制，依據(jù)機(jī)翼前襟柔性工裝特點(diǎn)，每個(gè)立柱為x、y、z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因此需建立三個(gè)Prismatic Joint。每個(gè)方向移動(dòng)的距離依據(jù)設(shè)計(jì)行程確定運(yùn)動(dòng)的上限與下限，以保證工裝的運(yùn)動(dòng)在設(shè)計(jì)的行程范圍內(nèi)。而定位器、夾緊裝置根據(jù)其夾緊形式建立相應(yīng)的機(jī)制。而每個(gè)立柱上對(duì)應(yīng)的夾緊器為螺旋運(yùn)動(dòng)，因此應(yīng)建立相應(yīng)的Revolute Joint。

4.3 裝配工藝仿真與工裝運(yùn)動(dòng)仿真

依據(jù)上面裝配工藝文件解析與建立的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真模型，進(jìn)行裝配工藝過程仿真與工裝運(yùn)動(dòng)過程仿真。裝配過程仿真的內(nèi)容包括：裝配順序仿真、裝配干涉仿真等。運(yùn)動(dòng)過程仿真主要是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)在仿真環(huán)境下的干涉檢查。主要包括檢查工裝自身是否存在干涉、工作狀態(tài)下是否與周圍產(chǎn)品存在干涉以及x、y、z三個(gè)方向行程檢查，以滿足設(shè)計(jì)需要。以往產(chǎn)品裝配過程仿真與其工裝運(yùn)動(dòng)仿真都是獨(dú)立進(jìn)行的，而飛機(jī)數(shù)字化裝配過程中離不開工裝支持，整個(gè)過程都有工裝參與。因此裝配工藝仿真與運(yùn)動(dòng)過程仿真應(yīng)集成在一起，以滿足產(chǎn)品裝配過程仿真和工裝設(shè)計(jì)階段對(duì)行程的要求。

裝配工藝仿真與運(yùn)動(dòng)仿真集成主要是在DELMIA軟件AssemblyProcessSimulation模塊下進(jìn)行。該模塊作為DELMIA系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的軟件模塊，充分利用“數(shù)字樣機(jī)”的三維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在三維基礎(chǔ)上的工藝規(guī)劃，并對(duì)零件的加工過程、產(chǎn)品的裝配過程、生產(chǎn)的規(guī)劃進(jìn)行3D模擬并驗(yàn)證，同時(shí)集成了裝配過程與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。在該模塊下，機(jī)構(gòu)作為一個(gè)Device，通過創(chuàng)建Device Move實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用“Creates a Grab Activity” 以 及 “Createsa Release Activity”實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)抓取/釋放產(chǎn)品，從而將裝配過程仿真與運(yùn)動(dòng)過程仿真有效的集成在一起，同時(shí)利用軟件提供的“Check Clash”功能進(jìn)行裝配干涉檢查分析，很好的滿足了實(shí)際情況。如圖5所示。

圖5 某前襟的裝配過程仿真與其柔性工裝運(yùn)動(dòng)仿真

5 結(jié)論

通過仿真發(fā)現(xiàn)：1#立柱：外前襟左、右件裝配，x向定位，短55mm；4#立柱：外前襟左、右件裝配，x向超行程2.96mm，如圖6所示。

圖6 通過仿真發(fā)現(xiàn)的問題

本文結(jié)合目前飛機(jī)裝配現(xiàn)狀以及柔性工裝設(shè)計(jì)要求。利用DELMIA軟件提供的功能，對(duì)某飛機(jī)前襟裝配過程及其數(shù)字化柔性工裝運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)其裝配工藝及工裝設(shè)計(jì)存在不合理之處已經(jīng)進(jìn)行了修證。目前，該前襟柔性裝配集成單元已進(jìn)行了現(xiàn)場安裝調(diào)試。實(shí)驗(yàn)證明，通過裝配過程及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)集成仿真，不僅可以在實(shí)際生產(chǎn)之前解決了裝配過程可能發(fā)現(xiàn)的問題，分析了空間運(yùn)動(dòng)位置并進(jìn)行干涉檢查等工作，有效指導(dǎo)工裝設(shè)計(jì)，在方案初步設(shè)計(jì)階段對(duì)可能出現(xiàn)的問題做出精確的預(yù)測和改進(jìn)。

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