袁少力

(中航工業(yè)洪都，江西 南昌330024)

0 引言

隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的應(yīng)用，DELMIA為開展飛機(jī)制造過程模擬提供了強(qiáng)有力的工具， 實現(xiàn)了在三維數(shù)字化環(huán)境中模擬飛機(jī)裝配的整個過程， 從根本上改變了傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計與制造方式， 最大限度地減少了設(shè)計返工與制造返修。 裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用，在產(chǎn)品上游設(shè)計階段即可消除潛在的裝配沖突與缺陷，評價生產(chǎn)的可行性和產(chǎn)品的裝配性能，及早發(fā)現(xiàn)工藝中存在的各種結(jié)構(gòu)性和空間性等問題， 并將這些信息反饋給設(shè)計人員， 結(jié)合人機(jī)工效評估結(jié)果對工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化。

DELMIA （Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是Dassault公司開發(fā)的面向制造的數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真系統(tǒng)。 DELMIA軟件由兩個相互關(guān)聯(lián)的獨立軟件組成， 數(shù)字工藝工程（Digital Process Engineer，DPE）和 數(shù) 字 制 造 工 藝（Digital Process Manufacture，DPM）。 DPE主要用于完成產(chǎn)品、工藝、資源規(guī)劃的平臺，并可制定產(chǎn)品裝配流程，還可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行二次開發(fā)。 DPM主要是按照工藝流程對產(chǎn)品的裝配細(xì)節(jié)進(jìn)行數(shù)字化裝配過程仿真和驗證， 利用驗證的結(jié)果分析出產(chǎn)品的可制造性、裝配可達(dá)性、可拆卸形和可維護(hù)性。 我們所使用的是DELMIA的驗證功能，使用工藝模塊和人機(jī)工程模塊模擬， 工藝模塊即DMP模塊， 用來進(jìn)行工藝驗證，人機(jī)工程模塊用來對工人操作模擬，驗證工人動作的可達(dá)性。

本文主要就DELMIA軟件在某型教練機(jī)前艙門的工藝與人機(jī)工程仿真中的應(yīng)用進(jìn)行闡述， 并結(jié)合在仿真中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行探討和研究。 裝配仿真工藝流程如圖1所示。

1 前艙門裝配的工藝過程仿真

1.1 前艙門結(jié)構(gòu)特點及主要技術(shù)要求

前艙門安裝在后機(jī)身下部， 前艙門縱向構(gòu)件主要有由艙門梁、縱隔板、型材等，橫向主要構(gòu)件有橫隔板等，連接件有鉤鎖、銷鎖以及接頭。 前艙門即要與后機(jī)身框、中艙門對接，艙門梁上鉤鎖又要與機(jī)身后段大梁上對應(yīng)的鎖環(huán)對接， 其裝配協(xié)調(diào)技術(shù)要求高，不僅要保證隔板、艙門梁的精確定位，還要保證銷鎖、 鉤鎖交點孔位置及同軸度以及骨架與蒙皮的外形要求，其裝配流程主要包括以下幾個部分：

圖1 裝配工藝仿真流程

1）蒙皮在前艙門裝配型架上的定位；

2）艙門梁在前艙門裝配型架上的定位；

3）橫隔板、縱隔板在前艙門裝配型架上的定位；

4）插銷鎖座在前艙門裝配型架上的定位；

5）鉤形鎖座在前艙門裝配型架上的定位。

艙門梁、橫隔板、縱隔板的定位非常重要，梁與隔板之間的相對位置直接決定了整個艙門骨架裝配的外形尺寸，靠型架上的定位器定位并夾緊，插銷鎖座、鉤形鎖座用定位器固定，完成骨架裝配。 蒙皮的裝配主要靠卡板定位，卡板夾緊。

1.2 數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

1.2.1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

打開DELMIA軟件的DMP工作環(huán)境，將相應(yīng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工裝數(shù)據(jù)調(diào)入前艙門PBOM，包括待裝零件數(shù)模，其中包括蒙皮、艙門梁、橫隔板、縱隔板、插銷鎖座、鉤形鎖座。

1.2.2 工裝數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備前艙門裝配型架1套，其中有外形板、內(nèi)形板、艙門梁定位器、前插銷座定位器、后插銷座定位器、插銷座定位器、蒙皮K孔定位器。

1.2.3 工藝流程準(zhǔn)備

在DPE進(jìn)行前艙門裝配指令項目策劃，指令工序內(nèi)容包括蒙皮、隔板、艙門梁定位、制孔、鉚接及產(chǎn)品的下架。

1.3 裝配工藝過程仿真

三維數(shù)字化裝配過程仿真是產(chǎn)品實物實施裝配以前對裝配工藝進(jìn)行驗證的最佳方法，它時間短、費用低， 依據(jù)設(shè)計好的裝配工藝流程對產(chǎn)品裝配和拆卸過程進(jìn)行三維動態(tài)驗證每個零件按設(shè)計的工藝順序是否能無阻礙的裝配以發(fā)現(xiàn)工藝過程中裝配順序設(shè)計的錯誤。

根據(jù)裝配工藝要求，制定裝配工藝流程，如圖2所示。 采用DELMIA軟件的DMP模塊進(jìn)行裝配過程仿真。 為各裝配部件設(shè)計合理的運動路徑，形成一個系統(tǒng)的連續(xù)的裝配過程。

1.3.1 PPR結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建

在DPM環(huán)境中，調(diào)入產(chǎn)品三維數(shù)模，根據(jù)DPE工藝設(shè)計前期確定的組件裝配順序及AO項目， 將零件數(shù)模指派到工藝結(jié)構(gòu)樹中相應(yīng)的AO項目下，PPR結(jié)構(gòu)樹見圖3。

1.3.2 裝配流程仿真過程描述

1）前艙門裝配流程： 前艙門蒙皮定位—艙門梁定位—1~5橫隔板定位—前插銷座定位—后插銷座定位—鉤形鎖固定座定位—插銷座定位—縱隔板定位鉚接。

2）按AO典型零件的裝配方法制作了詳細(xì)的零件運動過程仿真，如艙門梁、橫隔板、縱隔板、前插銷座、后插銷座、鉤形鎖固定座的定位等，部分零件采用隱藏/顯示的方法表明零件裝配順序， 部分零件定位器制作了運動仿真， 少數(shù)定位器采用隱藏/顯示的方法表明零件的定位。

圖2 裝配工藝流程

圖3 PPR結(jié)構(gòu)樹

1.3.3 裝配干涉檢查

打開碰撞顯示或碰撞停止工具條， 播放仿真過程，查看零件運動過程中干涉情況，若有干涉，應(yīng)進(jìn)行分析， 必要時重新進(jìn)入PERT圖中調(diào)整AO順序，從而實現(xiàn)優(yōu)化裝配順序的目的。

1.3.4 前艙門裝配仿真中發(fā)現(xiàn)的問題

按AO典型零件的裝配方法制作零件運動仿真的過程中， 發(fā)現(xiàn)前艙門產(chǎn)品數(shù)模與工裝數(shù)模存在一些問題，舉例如下：

1）插銷鎖座是前艙門的一個重要交點， 與框及中艙門的交點必須協(xié)調(diào)一致， 在仿真過程中發(fā)現(xiàn)在前艙門插銷鎖與鎖座干涉， 交點干涉的問題最終會導(dǎo)致艙門裝不上，見圖4。

圖4 卡板上的鉤形定位器

2）前艙門鉤形鎖固定座也是一個重要交點，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)鉤形鎖固定座上連接螺栓與螺栓孔錯位，鉤鎖的位置不正確，最終會導(dǎo)致鎖鉤掛不到后機(jī)身下大梁上的鎖環(huán)上，見圖5。

圖5 鉤形鎖固定座

3）后插銷鎖座在型架上用定位器定位后， 還要夾緊，工裝設(shè)計在此使用了手柄螺栓，在仿真的過程中發(fā)現(xiàn)螺栓手柄與產(chǎn)品存在干涉現(xiàn)象， 該問題會導(dǎo)致實際生產(chǎn)中螺栓手柄無法使用，見圖6。

圖6 后插銷鎖座

通過裝配仿真， 及時地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、 工藝設(shè)計、工裝設(shè)計存在的問題，以文檔的形式及時報給設(shè)計部門與工藝部門，相關(guān)人員對產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模進(jìn)行了修改，有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障率，減少因裝配等問題而進(jìn)行的重新設(shè)計和工程更改，改變了以前只有試制才能發(fā)現(xiàn)問題的弊端， 優(yōu)化工藝方案，優(yōu)化工裝結(jié)構(gòu)，以達(dá)到縮短前艙門的生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本的目的，提高前艙門生產(chǎn)質(zhì)量。

2 前艙門裝配人機(jī)工程的仿真

在產(chǎn)品的裝配過程中，人的參與必不可少。 人機(jī)仿真在Safework模塊下進(jìn)行，主要使用人體任務(wù)仿真（Human Task Simulation），另有人體建立、人體姿態(tài)分析、人體行為分析等分模塊，主要是將人體模型數(shù)據(jù)化，引入裝配仿真中，用于人員操作過程各種行為分析、姿態(tài)分析、可達(dá)性分析、舒適度分析等。

2.1 人機(jī)工程數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在Safework 模 塊Human Builder 界 面 下Manikin Tools工具條中使用Inserts a new manikin命令來建立人體模型， 在Safework模塊Human Task Simulation界面下打開process文件，將建立好的人體模型作為資源調(diào)入Resourslist(Insert Resource)，如圖7所示，同時加入鉚槍等必要工具。

圖7 插入人體模型

2.2 鉚接過程人機(jī)仿真

使用DPM-Human Task Simulation模塊進(jìn)行人機(jī)工程仿真， 將人體模型插入工序并使用Task Tools工具條下Create a Task for Selected Manikin的命令建立任務(wù)， 在人的節(jié)點HumanTask下建立人體運動仿真，主 要 應(yīng) 用Worker Activities、Manikin Posture、Manikin Hand Grasp等工具條中的命令來進(jìn)行人機(jī)工程仿真，用Task Tools工具條分配運動到各節(jié)點中， 讓人體模型首先完成定位隔板、 艙門梁并把它們裝配到前艙門型架上，采用鉚槍在產(chǎn)品上工作，并加入走步、側(cè)移等行為。

3 裝配仿真的效果

通過對前艙門裝配工藝仿真和人機(jī)工程仿真，我們認(rèn)識到裝配仿真系統(tǒng)在數(shù)字化制造中有以下優(yōu)勢：

1）在產(chǎn)品實際裝配之前， 通過裝配過程仿真及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計存在的問題，有效地減少裝配缺陷和產(chǎn)品的故障， 減少因裝配干涉等問題而進(jìn)行的重新設(shè)計和工程更改， 因此保證了產(chǎn)品裝配的質(zhì)量。

2）可以改變傳統(tǒng)的工藝設(shè)計方法， 使裝配工藝設(shè)計從二維提升到三維， 建立數(shù)字化裝配制造的新模式；

3）裝配仿真過程產(chǎn)生的圖片、 視頻錄像直觀地演示裝配仿真，使裝配工人更容易理解裝配工藝，減少裝配過程反復(fù)，減少了人為差錯；

4）實現(xiàn)數(shù)字化裝配，數(shù)字化維護(hù)、數(shù)字化培訓(xùn)，為實現(xiàn)建立數(shù)字化工廠的目標(biāo)創(chuàng)造條件；

5）容易實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計的并行工程，因而，降低產(chǎn)品研制風(fēng)險，縮短產(chǎn)品研制周期，減少了開發(fā)成本。

雖然取得較大效果， 但也存在不足，DELMIA能夠發(fā)現(xiàn)理論上存在的裝配干涉， 但不能分析生產(chǎn)中常見的應(yīng)力裝配問題，對于裝配誤差積累的分析、裝配順序?qū)ρb配應(yīng)力的影響， 零件制造誤差對裝配方案的影響等缺乏分析和預(yù)見能力， 但后續(xù)我們將以此為著重點，繼續(xù)深入研究，將裝配仿真技術(shù)的應(yīng)用如結(jié)合裝配容差分析技術(shù)、有限元分析技術(shù)，會取得更好的效果。

4 結(jié)語

本文就使用DELMIA在前艙門工藝過程與人機(jī)工程仿真應(yīng)用進(jìn)行了闡述， 對前艙門裝配工藝流程進(jìn)行了仿真和驗證，將仿真過程進(jìn)行錄像，用來指導(dǎo)實際裝配操作，而在裝配仿真過程中提前發(fā)現(xiàn)零件、工裝干涉問題，避免可能會因此帶來的損失；前艙門裝配中人機(jī)仿真部分驗證了工人工作空間的開敞性，以及動作的舒適程度，并且在特定工作空間對操作人員身高體型的要求做了模擬， 保證實際工作順利進(jìn)行。

根據(jù)前艙門裝配的特點，利用DELMIA的虛擬裝配技術(shù)，擺脫傳統(tǒng)飛機(jī)裝配的二維方式的束縛，使裝配過程更形象、直觀，同時可優(yōu)化裝配工藝設(shè)計，有效提高飛機(jī)、工裝的建模效率，有助于降低飛機(jī)研制開發(fā)成本，縮短飛機(jī)研制周期。 隨著DELMIA虛擬裝配技術(shù)的持續(xù)改善， 這均給生產(chǎn)實際帶來極大的益處，相信DELMIA的應(yīng)用必將在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面都取得巨大的效益。

[1]王云渤, 張關(guān)康, 馮宗律. 飛機(jī)裝配工藝學(xué). 北京:國防工業(yè)出版社,1990，1.

[2]范玉青. 現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001，5.

[3]《航空制造工程手冊》總編委會.航空制造工程手冊.北京:北京航空工業(yè)出版社，2010,12.

[4]佟立杰，劉春，郭希旺.DELMIA在某機(jī)尾椎裝配仿真中的應(yīng)用.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2009.