吳曉葉

(上海電力學院能源與環(huán)境工程學院，上海 200090)

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的飛機裝配工藝設(shè)計已不能滿足當前的發(fā)展需求，而三維數(shù)字化裝配工藝仿真技術(shù)的應(yīng)用，可以解決傳統(tǒng)裝配工藝設(shè)計過程中被忽略的問題(這些問題往往要通過實際裝配過程才能被發(fā)現(xiàn))，可以避免因裝配工藝設(shè)計的錯誤而造成產(chǎn)品、周期、人力和費用等方面的損失.國外主要的航空航天企業(yè)廣泛采用數(shù)字化手段進行產(chǎn)品、工藝和工裝的設(shè)計，特別是在虛擬制造環(huán)境中進行三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計和裝配過程仿真，并將設(shè)計的工藝和仿真結(jié)果用于車間現(xiàn)場真實的產(chǎn)品裝配[1].美國波音公司在研制Boeing 777的過程中，運用并行工程的思想，實現(xiàn)三維數(shù)字化裝配過程仿真，同時結(jié)合裝配自動化技術(shù)、先進定位技術(shù)和簡易型架裝配技術(shù)，使產(chǎn)品開發(fā)周期縮短了40% ～60%，制造成本也降低了30% ～40%[2].因此，飛機翼身的裝配仿真技術(shù)在整個飛機機制造工藝中十分關(guān)鍵

1 國內(nèi)飛機大部件對接存在的問題

目前，國內(nèi)整個飛機制造過程中處于重要地位的飛機裝配過程基本沿襲了數(shù)字量傳遞與模擬量傳遞相結(jié)合的工作模式[3].傳統(tǒng)的飛機大部件對接主要依靠工裝和工藝補償來保證大部件之間的協(xié)調(diào)，它通常在以下4個方面存在問題.

(1)對接方法 傳統(tǒng)的對接方法精度低，可靠性差，極易出現(xiàn)超差問題.

(2)人機功效 飛機裝配工作的完成需要操作人員不停地來回走動，裝配人員還經(jīng)常需要進入飛機內(nèi)部進行操作，裝配空間有限，操作難度較大.因此，在裝配過程中要充分考慮到人的操作效率、疲勞程度和安全性等人機功效因素.

(3)裝配工藝 現(xiàn)有裝配工藝主要依靠有經(jīng)驗的裝配工程師來完成，因此不可避免地存在設(shè)計難度大、設(shè)計效率低、優(yōu)化程度低、一致性差等問題，如機翼裝配生產(chǎn)線的規(guī)劃會影響飛機制造的時間和成本.

(4)裝配人員的培訓和示教 目前在企業(yè)的裝配生產(chǎn)車間內(nèi)，指導工人實際操作的仍然是二維圖紙和工藝文件，這種模式容易引起工人對工藝理解的偏差，導致裝配過程中錯裝、漏裝、重裝等現(xiàn)象發(fā)生，降低了裝配質(zhì)量和效率.而裝配操作需要一定的技能和經(jīng)驗，裝配人員熟練掌握這些技能和經(jīng)驗需要一個長期的過程，目前還缺乏有效的培訓和示教手段.

2 數(shù)字化裝配過程仿真

數(shù)字化裝配即為廣義的虛擬裝配，在裝配仿真軟件中主要完成以下6個方面的內(nèi)容.

(1)裝配順序的仿真 利用已有的裝配工藝流程信息，產(chǎn)品信息和資源信息，在定義好每個零件的裝配路徑的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程的三維動態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)工藝設(shè)計過程中裝配順序設(shè)計的錯誤.

(2)裝配干涉的仿真 在裝配順序仿真過程中對每個零件進行干涉檢查，當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)它們之間存在干涉情況時予以報警，并顯示干涉區(qū)域和干涉量，幫助工藝設(shè)計人員查找和分析干涉原因.

(3)產(chǎn)品和制造資源的仿真 在裝配順序仿真的基礎(chǔ)上，引入工裝等制造資源的三維實體模型，對產(chǎn)品和制造資源進行三維動態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品與制造資源發(fā)生干涉的原因.

(4)人機工程仿真 在產(chǎn)品與制造資源仿真的基礎(chǔ)上，再將定義好的三維人體模型放入該環(huán)境中進行人體和其所制造、安裝、操作與維護的產(chǎn)品之間互動關(guān)系的動態(tài)仿真，以分析操作人員在該環(huán)境下工作的姿態(tài)、負荷等，進而修改和優(yōu)化工藝流程和制造資源，并堅持高效裝配和以人為本的原則.

(5)裝配過程的記錄 將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的影片格式，指導現(xiàn)場操作人員進行飛機裝配，實現(xiàn)可視化裝配，同時也可以對飛機維護人員進行上崗培訓，幫助操作人員直觀了解操作全過程.

(6)相關(guān)文檔的生成 整個裝配仿真過程經(jīng)驗證無誤后，可以按照需要，制成相關(guān)的文檔.圖1為裝配仿真流程圖.

圖1 裝配仿真工作流程

此外，場景仿真系統(tǒng)必須實時生成畫面.一個交互式的行走需要保持每秒20幀的速率，才能保持運動的平滑.如果模型的數(shù)據(jù)太大，則幀的速率會減小，故模型的數(shù)據(jù)需要控制在特定的范圍內(nèi).

3 翼身對接的裝配工藝仿真

機翼與機身的對接主要是實現(xiàn)機翼與中央翼盒的對合，是飛機裝配中的重要環(huán)節(jié)之一.其裝配特點如下:

(1)裝配過程引進了國外先進工藝方法和手段，其中很多工序的完成需要相應(yīng)工裝設(shè)備提供保障;

(2)生產(chǎn)過程中對生產(chǎn)條件的依賴性較強，零組件、標準件的配套，以及成品材料供應(yīng)等直接制約著生產(chǎn)周期，缺一不可;

(3)手工作業(yè)性強，即裝配過程人在飛機上依靠手工將成品、零組件、材料、標準件、電纜導管等組成系統(tǒng)，以完成整機的裝配;

(4)生產(chǎn)過程需要協(xié)調(diào)的問題和單位眾多，部分問題出現(xiàn)的原因，如依靠原理、經(jīng)驗判斷問題的所在等無法準確確定，故需要協(xié)調(diào)和協(xié)助解決的工作較多.

3.1 數(shù)據(jù)準備與工藝規(guī)劃

首先，裝配仿真資源模型庫的建立應(yīng)以現(xiàn)有的裝配資源信息為基礎(chǔ)，將裝配車間內(nèi)通用設(shè)備、刀量具、輔助工具、自制工具、外購工具，以及工裝、器件、檢測工具，輔助工裝，地面試驗設(shè)備，裝配廠房，裝配工人等資源信息進行分類匯總，運用科學的統(tǒng)計分析方法從中篩選出生產(chǎn)中常用的、具有代表性和關(guān)鍵性的資源信息，整理成裝配仿真資源建模目錄，并依據(jù)企業(yè)相關(guān)標準及國家或行業(yè)標準，對所有資源模型進行編碼歸類[4].然后遵循統(tǒng)一的建模規(guī)范創(chuàng)建各類資源模型，按不同層次實現(xiàn)裝配仿真資源模型庫結(jié)構(gòu)的定義.通常情況下，裝配仿真資源庫需要包含廠房、設(shè)備、工具、工裝、器件、刀量具、檢測工具和人員等資源信息.基于數(shù)字化裝配技術(shù)的翼身對接系統(tǒng)的裝配工藝由數(shù)字化測量、柔性支撐定位、機械傳動裝置協(xié)同控制等先進技術(shù)組成[5-9].最后，將確定好的裝配模型導入虛擬裝配仿真軟件，進行仿真前的數(shù)據(jù)準備工作.

飛機翼身對接的基本工藝方案如下:將機身放置在柔性支撐定位器上;測量中央翼的基準點，調(diào)整姿態(tài);吊裝機翼，并將其放置在柔性定位器上，并固定好交接點;測量機翼基準點，自動操作定位器，進行姿態(tài)調(diào)整，使之擺正;作平移操作，沿一個方向平行移動機翼，使之與翼盒對接面的位置誤差為零，實現(xiàn)機翼與中央翼盒精確對接，以進行坐標鎖定(左右機翼操作相同);最后進行中央翼與機翼對接面制孔.

3.2 數(shù)字化裝配過程仿真與結(jié)果輸出

通過數(shù)字化裝配工藝設(shè)計，可以確定如下3類信息:

(1)確定產(chǎn)品信息，如機翼、機身(包括中央翼部件)中的全部零組件的三維實體模型和裝配約束關(guān)系，以及裝配工藝設(shè)計定義的三維裝配工藝模型;

(2)確定裝配工藝流程;

(3)確定制造資源的三維實體模型，包括裝配型架、夾具、工具、機器人等.

根據(jù)以上3類信息就可以在全三維數(shù)字化環(huán)境下進行裝配過程的仿真.其仿真流程見圖2.

圖2 裝配工藝仿真流程示意

在裝配仿真平臺上主要完成如下仿真.

(1)裝配順序的仿真 利用已有的裝配工藝流程信息、產(chǎn)品信息和資源信息，在定義好每個零件的裝配路徑的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程和拆卸過程的三維動態(tài)仿真.機翼裝配過程分為3個階段:一是機翼蒙皮的加工處理;二是形成基本的翼盒，將蒙皮、翼肋和桁架到型架上并加以固定;三是安裝機翼上的設(shè)備并進行測試.

(2)裝配干涉的仿真 在裝配順序仿真過程中對每個零件進行干涉檢查.當系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)它們之間存在干涉情況時予以報警，并顯示干涉區(qū)域和干涉量，幫助工藝設(shè)計人員查找和分析干涉原因，如:根據(jù)機翼對接基準點的坐標值，進行機翼初始位姿標定;根據(jù)坐標值，進行工藝接頭初始位姿標定;根據(jù)匹配的位置調(diào)整機翼姿態(tài)，進行碰撞檢測;準確無誤后調(diào)整機翼位置.

(3)產(chǎn)品和制造資源的仿真 在裝配順序仿真的基礎(chǔ)上，引入工裝等制造資源的三維實體模型，對產(chǎn)品和制造資源進行三維動態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品與制造資源發(fā)生干涉的原因.

3.3 人機工程仿真

在產(chǎn)品與制造資源仿真的基礎(chǔ)上，將定義好的三維人體模型放入該環(huán)境中進行人體和產(chǎn)品之間互動關(guān)系的動態(tài)仿真，以分析操作人員在該環(huán)境下工作的姿態(tài)、負荷等，進而修改和優(yōu)化工藝流程和制造資源，堅持高效裝配和以人為本的原則.在飛機機翼與機身對接中，需要操作工完成走路、爬梯等動作.

此外，還需要進行人體的可達性、可見性、作業(yè)空間合理性與舒適度等的檢驗.當操作人員拿著工具在機翼下方為翼身鉚接時，因為空間位置有限，長時間彎腰作業(yè)的話，會感到不適.可以采用適當提高工作臺，以單膝跪地的方式進行作業(yè)，或者交替變換作業(yè)姿勢等措施來解決上述問題.

由于最終形成的裝配順序是動畫形式的，因此可將整個裝配過程記錄下來，形成可以播放的影片格式，指導現(xiàn)場操作人員進行飛機裝配，實現(xiàn)可視化裝配，同時也可以對飛機維護人員進行上崗培訓，幫助操作人員直觀了解操作全過程.待整個裝配仿真過程經(jīng)驗證無誤后，可以按照需要，定制生成相關(guān)的文檔和模塊化設(shè)計.

4 結(jié)語

實踐證明，裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用可以強化各部門的協(xié)調(diào)能力，實施并行工程，提前發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品、資源和工藝設(shè)計中存在的各種問題;可以優(yōu)化裝配工藝，減少技術(shù)決策風險，降低技術(shù)協(xié)調(diào)成本，而且能生動直觀地展示產(chǎn)品的裝配過程，滿足企業(yè)裝配現(xiàn)場可視化培訓指導的需求.這對于改善產(chǎn)品裝配質(zhì)量，提高裝配效率具有重要意義.裝配仿真技術(shù)，如結(jié)合裝配容差分析技術(shù)、有限元分析技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)等進行綜合應(yīng)用，將會取得更好的效果.在面向飛機裝配的設(shè)計對接形式時，還應(yīng)充分考慮數(shù)字化對接裝配的要求，特別是測量點的布置，以及大部件自動對接系統(tǒng)的標準化、模塊化和系統(tǒng)化設(shè)計，使裝配仿真技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用.

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