劉洋谷

（云南機場集團有限責(zé)任公司，昆明 650031）

飛機平尾前梁裝配工藝設(shè)計與仿真

劉洋谷

（云南機場集團有限責(zé)任公司，昆明 650031）

以某型飛機的前梁為例，闡述數(shù)字化虛擬預(yù)裝配的過程，以及具體的操作技巧。通過分析產(chǎn)品數(shù)模，工裝數(shù)模，進行裝配過程的仿真，依靠DELMIA與CATIA軟件，發(fā)現(xiàn)了數(shù)模中存在的問題，預(yù)測裝配中出現(xiàn)的干涉，修正裝配的一部分順序，改進裝配大綱。

產(chǎn)品數(shù)模；工藝性分析；裝配仿真

飛機的數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)始于20世紀80年代〔1〕，它大大縮短了飛機制造的周期，節(jié)省了飛機制造的成本，減少了錯誤和返工的時間〔2〕，也提高了產(chǎn)品的質(zhì)量?，F(xiàn)在，飛機數(shù)字化制造技術(shù)已經(jīng)被廣泛運用于飛機制造領(lǐng)域。

1 前梁的數(shù)模分析

1.1 前梁的組件 飛機結(jié)構(gòu)件的特點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大；薄壁、易變形；加工精度高。在數(shù)模分析時，對以上特點需深思熟慮〔3〕。

前梁的上、下緣條屬于細長件，容易發(fā)生變形，在裝配時只能短暫平移，同時應(yīng)該受力均衡地被夾緊，不能與其它零部件發(fā)生擠壓和摩擦。

前梁的加強支柱與連接角材都是屬于前梁的加強件。在力學(xué)上增加前梁的強度，同時保持前梁的形狀，防止平尾在飛行中發(fā)生變形，同時又要能使平尾具備一定的彈性，滿足強度和剛度要求。

加強支柱與連接角材的安裝較為方便，但工作量大，重復(fù)勞動多，工序繁瑣，容易出差錯，在仿真時需認真熟悉各個角材的編號。

腹板材料為7075-T6包鋁板，厚度3.18mm，屬于典型的薄壁件。在數(shù)模中，腹板是被加強支柱與連接角材固定的，所以在裝配仿真時，在加強支柱與連接角材被安裝之前，需要有夾具對腹板進行固定。

對于口蓋，按照工裝的設(shè)計，口蓋是在垂直狀態(tài)裝上前梁的，為了避免滑落，口蓋必須馬上被固定，定位口蓋的同時還不能影響到后續(xù)部件的安裝以及工裝的定位與夾緊。

1.2 前梁的工裝 在仿真過程中，我們發(fā)現(xiàn)工裝部分的仿真比零部件本身的仿真還要困難，因為工裝的數(shù)量比零部件多、繁雜，更容易發(fā)生干涉與錯誤。工裝是飛機制造的特點與難點，也是制約飛機制造周期的瓶頸。見圖1。

圖1 工裝的作用

一個裝配完畢的前梁是被完全包在工裝當(dāng)中的，如圖2。其中，上、下緣條是被夾具夾緊的。在裝配之前，應(yīng)該松開夾具，在零部件裝配到位之后，再夾緊定位。

圖2 前梁被包在工裝當(dāng)中

2 裝配工藝性分析

2.1 確定仿真內(nèi)容 此次裝配仿真的重點將集中在檢查零部件與工裝的干涉，由于裝配大綱（A ssembly Outline，AO）中沒有具體地提出具體零件的裝配順序，因此仿真首先就要確保找到一個合理的裝配順序，讓零部件與工裝都能在不碰撞、不穿越，甚至不摩擦其余零件的情況下順利地裝配。其次就是在裝配的過程中確保各個零件不發(fā)生碰撞〔4〕。

2.2 初步確定前梁裝配順序 根據(jù)對AO與數(shù)模的分析，初步確定前梁的裝配順序：①安裝上、下緣條。安裝前夾具全開。②安裝腹板。腹板共3件，每安裝到位一塊后夾具關(guān)閉，腹板定位器同時插入銷釘，完成定位。③安裝加強支柱。551A2100-000-003編為1號，依次類推，直到551A2100-000-019為9號。每裝完一片支柱后立刻安裝卡板定位。④安裝口蓋。口蓋共5片。其中口蓋551A2100-000-071與口蓋551A2100-000-075在安裝時需要夾具再次打開。⑤安裝連接角材。551A2100-000-021編為1號，依次類推，直到551A2100-000-057為19號。裝完一片角材后立刻安裝卡板定位。

按照以上順序裝配，可以保證零部件與工裝都不會出現(xiàn)穿越的狀況。內(nèi)部的零部件與工裝先裝，外部的零部件與工裝后裝。

3 裝配過程模擬

3.1 裝配工藝流程信息 啟動DLEMIA軟件，使用“創(chuàng)建新作業(yè)類型”和“創(chuàng)建新作業(yè)子類型”創(chuàng)建裝配仿真工藝庫并保存。如圖3。

圖3 前梁裝配仿真工藝庫

增加活動Insert Activity，選菜單或圖標(biāo)，出現(xiàn)對話框，點選相應(yīng)活動類型和對應(yīng)Process節(jié)點，依次增加活動。打開Pert圖（Open Pert Chart），高亮PPR上所選編輯部分，點擊Open PERTChart圖標(biāo)，規(guī)劃好裝配順序〔5〕。

3.2 裝配環(huán)境構(gòu)建 在此需要使用到與DLEMIA同系列的CATIA軟件建模。建立工作臺與車間地面。通過“Insert Resources”與“Insert Product”建立裝配環(huán)境，見圖4。

圖4 前梁的裝配工廠

3.3 裝配過程模擬 ①完成關(guān)聯(lián)。通過Assign an Item按鈕實現(xiàn)關(guān)聯(lián)產(chǎn)品，通過Assign a resource按鈕實現(xiàn)關(guān)聯(lián)資源。②創(chuàng)建基本運動。在創(chuàng)建基本運動的過程中，常用的命令有：記錄運動命令，重新排序命令，修改命令，保存初始位置命令，檢查路徑滑塊，碰撞檢測按鈕。

在編輯路徑完成后，可以點擊與之對應(yīng)的Process，再點擊Process Simulation按鈕，就可以播放裝配動畫。

前梁的裝配流程中，總共有50個輔助的裝配動作，41個組件的動作，252個工裝的動作。

4 裝配可達性分析

4.1 數(shù)模的數(shù)據(jù) 在此次仿真當(dāng)中，有的數(shù)模在剛剛分析的時候就已經(jīng)暴露出一些問題。如數(shù)模尺寸明顯不合理。如圖5的夾具，此夾具是無法被撥動上去。一個間隙合理的夾具應(yīng)該如圖6，該夾具就可以被撥動上去，等緣條裝配到位之后再下?lián)芸ňo〔6〕。

圖5 間隙不夠的夾具

圖6 間隙合理的夾具

解決方案就是修改模型，加長間隙。制造廠在制造時，仍然采用了保守的方法，最終依據(jù)還是二維圖紙，所以，對于該錯誤，設(shè)計人員是先將其投影到二維圖紙上，并在二維圖紙標(biāo)注上直接做更改（因涉及保密，尺寸數(shù)據(jù)，工藝規(guī)程的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析在此不能列出）〔7〕。

4.2 裝配的干涉 由于螺栓太多，有的螺栓出現(xiàn)了擠壓。見圖7。在裝配中，就要仔細規(guī)劃每一個螺栓的先后順序，其中一個螺栓在后來的安裝角材工序時需再次拔下，但是裝配完全后的兩個螺栓還是有明顯的粘合，發(fā)生擠壓變形〔8〕。

圖7 螺栓的粘合

螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件，不可隨意更改數(shù)模，在實際裝配時，幾個工人很費力地把螺栓掰進去，最后沒有影響到總體的質(zhì)量。因此，這樣的問題只是造成了一些不便，并未對裝配過程造成影響。

進行裝配仿真的目的就是為了檢查問題。在制造實物之前，采用相關(guān)的CAD軟件進行了裝配仿真，事先發(fā)現(xiàn)問題，及時更改。避免制造出廢品，節(jié)約成本，節(jié)省返工的時間。由此，裝配仿真在飛機制造中非常必要〔9〕。

4.3 工作量排序 在此次仿真時，工作量大，重復(fù)勞動多。實際的裝配過程，必然耗費工人體力，降低生產(chǎn)效率。此次裝配仿真中，節(jié)省工作量成為一個難題〔10〕。

為了解決工作量問題，需要從應(yīng)用數(shù)學(xué)中的運籌學(xué)尋求數(shù)學(xué)工具〔11〕。經(jīng)過查找，解決這種排序問題的數(shù)學(xué)工具稱為動態(tài)規(guī)劃。

根據(jù)多階段決策過程模型，裝配仿真的過程可以被分為若干個互相聯(lián)系的階段（某一組同類型的零件的同時裝配），在每一個階段都需要作出決策（裝配的過程），從而使整個過程達到最好的活動效果（沒有干涉并且高效）。同時，各個階段的決策選取并非任意確定，它依賴于當(dāng)前面臨的狀態(tài)，又影響以后的發(fā)展。當(dāng)各個階段決策確定后，組成一個決策序列，決定了整個過程的一條活動路線。

這種把一個問題可看作是一個前后關(guān)聯(lián)具有鏈狀結(jié)構(gòu)的多階段過程就稱為多階段決策過程。見圖8〔12〕。

圖8 多階段決策過程

首先，將各個零部件進行階段的分類。根據(jù)裝配狀況，分為內(nèi)部件階段、中間件階段與外部件階段。內(nèi)部件：前梁的上、下緣條，腹板。后梁的上、下緣條與腹板。這些零部件最先被裝進去固定，并且其它零部件安裝在它們之上。外部件：前梁的加強支柱、連接角材，后梁的加強肋、連接角材。這些零部件最后被裝上，它們的工裝也都在最外部。中間件：是指前梁的口蓋。它們本質(zhì)上屬于外部件，但為避免干涉，應(yīng)作為特殊的中間件。經(jīng)推敲，各個零件的工裝不作為獨立的階段，而是被編入與之相對應(yīng)的零部件上，數(shù)學(xué)上將每個零件都與工裝一起被抽象為一個階段。

前梁的裝配分為三個大階段后，每個階段的零部件都可以同時進行裝配。至于階段之間的狀態(tài)劃分，可以劃分為三個狀態(tài)：裝配前，裝配完成，工裝定位。

這樣，前梁的裝配就可以簡化為三步：①打開型架的夾具，上、下緣條，所有腹板同時入架，夾具直接夾緊。但是3號與4號夾具不能夾緊，因為還有后面的口蓋。②同時安裝所有口蓋，3號與4號夾具夾緊?？谏w是一字排開的，彼此有一定的距離，能實現(xiàn)同時裝配，裝配工人可以同時拿著口蓋排隊走到型架上相應(yīng)的位置。③同時安裝所有連接角材與所有加強支柱，再工裝夾緊。加強支柱與連接角材也是一字排開的，但是加強支柱與連接角材是交錯排布的，裝配時需要找對位置。

5 結(jié)語

數(shù)字樣機技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)不是什么時髦，而是各個航空大國都已經(jīng)必須廣泛使用的技術(shù)。相比之下，我國雖然也在數(shù)字樣機方面做了很大努力，但是還不及波音、空客等航空巨頭那么普及與規(guī)范。由于數(shù)字樣機技術(shù)給飛機制造業(yè)帶來了革命性的變化，也使得我們國家面臨前所未有的挑戰(zhàn)。把數(shù)字樣機技術(shù)變得不斷規(guī)范、不斷成熟、不斷普及就是我國將來的發(fā)展任務(wù)。

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〔12〕錢頌迪.運籌學(xué).〔M〕:3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005：191-194.

Design and Simulation of Assembly Technology for Front Girder of Aircraft Horizontal Tail

LIU Yanggu
（Yunnan Airport Group Co.,LTD,Kunming 650031,China）

Based on the example of an Airplane's front girder,this paper illustrates how to create a virtual assembly by using digital tools.Though an analysis of product digitalmolds,assembly process simulation is carried out,and then the problems existing inmolds are found out by using DELMIA and CATIA.Thus,this paper puts forward some solutions on these concrete problems,such as forecasting interference in the assemble,modifying assemble order and improving assemble outlines.

product digitalmolds;the analysis of technology;assembly simulation

V262.4

A

1672-2345（2010）10-0028-04

2010-08-16

劉洋谷，主要從事信息弱電研究.

（責(zé)任編輯 董 杰）