装配仿真技术在飞机翼身对接中的应用

吴晓叶

(上海电力学院能源与环境工程学院，上海 200090)

随着数字化技术的发展，传统的飞机装配工艺设计已不能满足当前的发展需求，而三维数字化装配工艺仿真技术的应用，可以解决传统装配工艺设计过程中被忽略的问题(这些问题往往要通过实际装配过程才能被发现)，可以避免因装配工艺设计的错误而造成产品、周期、人力和费用等方面的损失.国外主要的航空航天企业广泛采用数字化手段进行产品、工艺和工装的设计，特别是在虚拟制造环境中进行三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真，并将设计的工艺和仿真结果用于车间现场真实的产品装配[1].美国波音公司在研制Boeing 777的过程中，运用并行工程的思想，实现三维数字化装配过程仿真，同时结合装配自动化技术、先进定位技术和简易型架装配技术，使产品开发周期缩短了40% ～60%，制造成本也降低了30% ～40%[2].因此，飞机翼身的装配仿真技术在整个飞机机制造工艺中十分关键

1 国内飞机大部件对接存在的问题

目前，国内整个飞机制造过程中处于重要地位的飞机装配过程基本沿袭了数字量传递与模拟量传递相结合的工作模式[3].传统的飞机大部件对接主要依靠工装和工艺补偿来保证大部件之间的协调，它通常在以下4个方面存在问题.

(1)对接方法 传统的对接方法精度低，可靠性差，极易出现超差问题.

(2)人机功效 飞机装配工作的完成需要操作人员不停地来回走动，装配人员还经常需要进入飞机内部进行操作，装配空间有限，操作难度较大.因此，在装配过程中要充分考虑到人的操作效率、疲劳程度和安全性等人机功效因素.

(3)装配工艺 现有装配工艺主要依靠有经验的装配工程师来完成，因此不可避免地存在设计难度大、设计效率低、优化程度低、一致性差等问题，如机翼装配生产线的规划会影响飞机制造的时间和成本.

(4)装配人员的培训和示教 目前在企业的装配生产车间内，指导工人实际操作的仍然是二维图纸和工艺文件，这种模式容易引起工人对工艺理解的偏差，导致装配过程中错装、漏装、重装等现象发生，降低了装配质量和效率.而装配操作需要一定的技能和经验，装配人员熟练掌握这些技能和经验需要一个长期的过程，目前还缺乏有效的培训和示教手段.

2 数字化装配过程仿真

数字化装配即为广义的虚拟装配，在装配仿真软件中主要完成以下6个方面的内容.

(1)装配顺序的仿真 利用已有的装配工艺流程信息，产品信息和资源信息，在定义好每个零件的装配路径的基础上，实现产品装配过程的三维动态仿真，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误.

(2)装配干涉的仿真 在装配顺序仿真过程中对每个零件进行干涉检查，当系统发现它们之间存在干涉情况时予以报警，并显示干涉区域和干涉量，帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因.

(3)产品和制造资源的仿真 在装配顺序仿真的基础上，引入工装等制造资源的三维实体模型，对产品和制造资源进行三维动态仿真，以发现产品与制造资源发生干涉的原因.

(4)人机工程仿真 在产品与制造资源仿真的基础上，再将定义好的三维人体模型放入该环境中进行人体和其所制造、安装、操作与维护的产品之间互动关系的动态仿真，以分析操作人员在该环境下工作的姿态、负荷等，进而修改和优化工艺流程和制造资源，并坚持高效装配和以人为本的原则.

(5)装配过程的记录 将整个装配过程记录下来，形成可以播放的影片格式，指导现场操作人员进行飞机装配，实现可视化装配，同时也可以对飞机维护人员进行上岗培训，帮助操作人员直观了解操作全过程.

(6)相关文档的生成 整个装配仿真过程经验证无误后，可以按照需要，制成相关的文档.图1为装配仿真流程图.

图1 装配仿真工作流程

此外，场景仿真系统必须实时生成画面.一个交互式的行走需要保持每秒20帧的速率，才能保持运动的平滑.如果模型的数据太大，则帧的速率会减小，故模型的数据需要控制在特定的范围内.

3 翼身对接的装配工艺仿真

机翼与机身的对接主要是实现机翼与中央翼盒的对合，是飞机装配中的重要环节之一.其装配特点如下:

(1)装配过程引进了国外先进工艺方法和手段，其中很多工序的完成需要相应工装设备提供保障;

(2)生产过程中对生产条件的依赖性较强，零组件、标准件的配套，以及成品材料供应等直接制约着生产周期，缺一不可;

(3)手工作业性强，即装配过程人在飞机上依靠手工将成品、零组件、材料、标准件、电缆导管等组成系统，以完成整机的装配;

(4)生产过程需要协调的问题和单位众多，部分问题出现的原因，如依靠原理、经验判断问题的所在等无法准确确定，故需要协调和协助解决的工作较多.

3.1 数据准备与工艺规划

首先，装配仿真资源模型库的建立应以现有的装配资源信息为基础，将装配车间内通用设备、刀量具、辅助工具、自制工具、外购工具，以及工装、器件、检测工具，辅助工装，地面试验设备，装配厂房，装配工人等资源信息进行分类汇总，运用科学的统计分析方法从中筛选出生产中常用的、具有代表性和关键性的资源信息，整理成装配仿真资源建模目录，并依据企业相关标准及国家或行业标准，对所有资源模型进行编码归类[4].然后遵循统一的建模规范创建各类资源模型，按不同层次实现装配仿真资源模型库结构的定义.通常情况下，装配仿真资源库需要包含厂房、设备、工具、工装、器件、刀量具、检测工具和人员等资源信息.基于数字化装配技术的翼身对接系统的装配工艺由数字化测量、柔性支撑定位、机械传动装置协同控制等先进技术组成[5-9].最后，将确定好的装配模型导入虚拟装配仿真软件，进行仿真前的数据准备工作.

飞机翼身对接的基本工艺方案如下:将机身放置在柔性支撑定位器上;测量中央翼的基准点，调整姿态;吊装机翼，并将其放置在柔性定位器上，并固定好交接点;测量机翼基准点，自动操作定位器，进行姿态调整，使之摆正;作平移操作，沿一个方向平行移动机翼，使之与翼盒对接面的位置误差为零，实现机翼与中央翼盒精确对接，以进行坐标锁定(左右机翼操作相同);最后进行中央翼与机翼对接面制孔.

3.2 数字化装配过程仿真与结果输出

通过数字化装配工艺设计，可以确定如下3类信息:

(1)确定产品信息，如机翼、机身(包括中央翼部件)中的全部零组件的三维实体模型和装配约束关系，以及装配工艺设计定义的三维装配工艺模型;

(2)确定装配工艺流程;

(3)确定制造资源的三维实体模型，包括装配型架、夹具、工具、机器人等.

根据以上3类信息就可以在全三维数字化环境下进行装配过程的仿真.其仿真流程见图2.

图2 装配工艺仿真流程示意

在装配仿真平台上主要完成如下仿真.

(1)装配顺序的仿真 利用已有的装配工艺流程信息、产品信息和资源信息，在定义好每个零件的装配路径的基础上，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真.机翼装配过程分为3个阶段:一是机翼蒙皮的加工处理;二是形成基本的翼盒，将蒙皮、翼肋和桁架到型架上并加以固定;三是安装机翼上的设备并进行测试.

(2)装配干涉的仿真 在装配顺序仿真过程中对每个零件进行干涉检查.当系统发现它们之间存在干涉情况时予以报警，并显示干涉区域和干涉量，帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因，如:根据机翼对接基准点的坐标值，进行机翼初始位姿标定;根据坐标值，进行工艺接头初始位姿标定;根据匹配的位置调整机翼姿态，进行碰撞检测;准确无误后调整机翼位置.

(3)产品和制造资源的仿真 在装配顺序仿真的基础上，引入工装等制造资源的三维实体模型，对产品和制造资源进行三维动态仿真，以发现产品与制造资源发生干涉的原因.

3.3 人机工程仿真

在产品与制造资源仿真的基础上，将定义好的三维人体模型放入该环境中进行人体和产品之间互动关系的动态仿真，以分析操作人员在该环境下工作的姿态、负荷等，进而修改和优化工艺流程和制造资源，坚持高效装配和以人为本的原则.在飞机机翼与机身对接中，需要操作工完成走路、爬梯等动作.

此外，还需要进行人体的可达性、可见性、作业空间合理性与舒适度等的检验.当操作人员拿着工具在机翼下方为翼身铆接时，因为空间位置有限，长时间弯腰作业的话，会感到不适.可以采用适当提高工作台，以单膝跪地的方式进行作业，或者交替变换作业姿势等措施来解决上述问题.

由于最终形成的装配顺序是动画形式的，因此可将整个装配过程记录下来，形成可以播放的影片格式，指导现场操作人员进行飞机装配，实现可视化装配，同时也可以对飞机维护人员进行上岗培训，帮助操作人员直观了解操作全过程.待整个装配仿真过程经验证无误后，可以按照需要，定制生成相关的文档和模块化设计.

4 结语

实践证明，装配仿真技术的应用可以强化各部门的协调能力，实施并行工程，提前发现并解决产品、资源和工艺设计中存在的各种问题;可以优化装配工艺，减少技术决策风险，降低技术协调成本，而且能生动直观地展示产品的装配过程，满足企业装配现场可视化培训指导的需求.这对于改善产品装配质量，提高装配效率具有重要意义.装配仿真技术，如结合装配容差分析技术、有限元分析技术和虚拟现实技术等进行综合应用，将会取得更好的效果.在面向飞机装配的设计对接形式时，还应充分考虑数字化对接装配的要求，特别是测量点的布置，以及大部件自动对接系统的标准化、模块化和系统化设计，使装配仿真技术得到更广泛的应用.

[1]郭洪杰.装配仿真技术在飞机并行设计阶段的应用[J].航空制造技术，2009(4):65-71.

[2]范玉青.现代飞机制造技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2001:77-91.

[3]黄翔，李泷呆，陈磊，等.民用飞机大部件数字化对接关键技术[J].航空制造技术，2010(3):54-56.

[4]黄垒，夏平均，姚英学.虚拟装配工艺设计技术研究与应用[J].现代制造工程，2007(7):52-55.

[5]布斯劳.面向制造与装配的产品设计[M].北京:机械工业出版社，1999:30-69.

[6]佟立杰，刘春，郭希旺.DELMIA在某机尾椎装配仿真中的应用[J].沈阳航空工业学院学报，2009(4):11-14.

[7]黄良.飞机制造工艺学[M].北京:航空工业出版社，1993:365-383.

[8]李伯虎，柴旭东.复杂产品虚拟样机工程[J].计算机集成制造系统-CIMS，2002，8(9):44-47.

[9]许国康.大型飞机自动化装配技术[J].航空学报，2008，29(3):734-740.