装配仿真技术及其在某机垂尾装配中的应用

刘春, 焦蒂

（沈阳航空航天大学 航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳110136）

0 引 言

数字化装配工艺设计与过程仿真技术提供了在三维数字化环境中动态装配零部件及其组件的整个过程，在现代飞机的设计和制造中扮演的角色将越来越重要。通过数字化三维仿真技术实现飞机装配全过程的仿真，来验证产品设计、工艺和资源的合理性。通过在产品零部件及工装制造之前在虚拟环境下检查产品设计、工艺和资源的合理性，可大大缩短产品研制周期和降低成本［1］。

目前，国际上以飞机和汽车为代表的大型复杂产品研制企业都已将数字化装配技术如UG、CATIA 和DELMIA 等应用于生产中，并取得了显著的效益。无论是波音还是空客公司，目前已基本实现了数字化装配，实现了整机的三维虚拟装配仿真和验证，极大减少了产品制造阶段的设计更改，缩短了工艺规划时间，大大提高了工作效率［2］。然而，国内的飞机数字化装配技术的应用仍处于探索和起步阶段，飞机制造业依然沿用传统的依据实物的装配方法和手段，使得飞机的装配周期不易保证，无法满足三维数字化条件下装配工艺设计和要求，而且缺少典型示教的三维动态装配过程,不便装配工人使用和理解［3］。

本文将通过某机垂尾装配实例研究装配仿真技术的应用。首先分析产品结构和工艺方案，然后，利用DELMIA 的DELMIA DPM ASSEMBLY 模块的验证功能，根据工艺流程，对飞机垂直尾翼装配过程进行动态仿真，验证飞机垂直尾翼的可装配性以及装配型架的合理性。

1 DELMIA 的装配仿真功能

DELMIA 软件是达索公司的一款虚拟仿真软件。它提供了能够数字化设计、测试和验证一台机床、一个工作单元或整条生产线的解决方案［4］。DELMIA 服务于那些亟需制造流程优化的行业，包括汽车、航空、制造与装配、电气电子、生活消费品、工厂和造船部门［5］。通过使制造商能够优化流程，DELMIA 帮助公司提高生产率，促进协同和加速上市时间。

利用DELMIA 软件，结合3D 工厂设计、人机工程、3D 设备/工装/夹具等功能形成三维虚拟装配环境，可以实现装配、拆卸过程的三维动态仿真，进行装配干涉检查，验证产品的可装配性；分析操作人员、工装工具的可达性和可操作性；验证装配型架的可制造性和正确性。常用的DELMIA 模块主要包括：DELMIA DPM ASSEMBLY、DELMIA HUMAN、DELMIA QUEST、DELMIA PLANT LAYOUT。

其中，DPM ASSEMBLY 促进了并行设计和制造、装配可行性研究、可制造性研究、可维护性分析、三维工艺规划、装配工艺规范审批。并且使用高级干涉检查和分析、高级截面分析、测量、距离分析、三维几何比较工具，提供最优的校验手段。

DPM ASSEMBLY 的价值表现在：1）促进了装配可行性分析，可制造性分析，可维护性分析，三维工艺规划，装配工艺规范审批；2）评估装配可行性；3）检测碰撞，接触，间隙，在投产前避免碰撞；4）装配、拆卸过程工艺校验；5）图形化创建，查看，校验和修改装配工艺；6）提供标注，保证交流快速准确。

2 垂尾结构与装配型架

垂尾部件主要由前梁、后梁、肋、蒙皮等零件组成，如图1 所示。其与方向舵、尾锥和背鳍等组件连接，是飞机的主要气动部件之一，外形精度要求较高。

图1 垂尾结构

为了保证部件外形及零件间的相互位置关系和组件的互换性要求，垂尾需要采用装配型架进行装配。该型架主要由骨架、定位器、卡板、支承等构成，其结构如图2所示。

图2 垂尾装配夹具

3 垂直尾翼装配的工艺过程

设定的垂尾装配工艺流程如下：1）通过端肋定位器将垂尾端肋定位到装配型架上；2）通过端肋和前对接交点定位器将前梁定位到装配型架上；3）通过前梁和根肋定位器将根肋定位到装配型架上；4）通过端肋和后对接交点定位器将后梁初步定位到装配型架上；5）通过交点定位器将后梁进一步定位到装配型架上，并用后梁卡板夹紧；6）分别在垂尾前梁和后梁上依次装上前缘上部肋、前缘下部肋、上中肋和下中肋；7）通过外形卡板将蒙皮定位到工装上并夹紧。

传统的装配方式是将工艺直接用于实际装配，即将垂尾结构和装配型架加工制造出实物以后进行装配，致使装配中是否存在干涉等一系列问题在实物制造之后才能暴露出来，直接影响到飞机研制的进度和质量。利用装配仿真技术，可以在设计阶段，即零件和工装制造之前对零件、工装和工艺进行验证和修改，可减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改，从而保证了产品装配的质量，提高了飞机研制的效率。下面通过对垂尾的装配仿真来介绍DELMIA 软件在装配仿真过程中的应用。

4 垂尾装配仿真

仿真验证是用户以交互方式操作产品三维数模，利用产品、资源的形状特性在DPM 仿真环境里真实地模拟飞机的装配过程，在进行零件和工装制造之前分析产品的装配特性，验证工艺设计的合理性，通过发现问题不断地优化工艺方案。

模拟装配的过程是按反装顺序进行的［6］。反装是基于“可拆即可装”的原理，将虚拟环境中的零件模型从正确的空间位置进行交互拆除，得到各零件、组件的拆卸顺序，最后将整个拆卸流程“反转倒置”，“拆”的过程就转换为“装”的过程［7］。由于不需要在移动零件数模时查找零件间的约束元素，这种方式移动零件特别方便，缺点是与人的思维习惯相反，拆卸的逻辑顺序上需要清晰的思路。

装配顺序的仿真在定义好每个零件装配路径的基础上，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，以验证工艺设计过程中装配顺序设计是否合理、正确［8］。在装配顺序仿真过程中可以对每个零件、组件、工装等进行干涉检查，当系统发现零件之间、零件与工装之间存在干涉情况时给予警报，同时给出干涉区和干涉量以帮助工艺人员查找、分析干涉的原因。DELMIA 除了能进行静态的干涉检查外，它的最大特点是进行动态干涉检查，即在零件、工装虚拟装配的运动路径中检查干涉情况。

采用DELMIA 仿真的基本操作过程如下：1）首先要对产品数模和工装非常了解，只有在了解的基础上才能开展下一步工作；2）将产品数码和工装导入到PPR 结构树中，如图3 所示；3）进行静态干涉检测，查看产品与工装是否有干涉；4）创建ProcessLibrary 文件，ProcessLibrary中保存的是装配工艺信息；5）将ProcessLibrary 文件加载到PPR 结构树上；6）使用PERT 图调整Activity 的顺序；7）将产品数据链接到Activity 上；8）利用Simulation Activity Creation 工具栏生成仿真过程，并查看是否有动态干涉；9）检测仿真过程是否有错，如有错误进行更改；10）对仿真过程进行录像，记录干涉问题。

图3 仿真结构树图

在虚拟环境中，依据设计好的尾椎装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否与周边环境有碰撞。在三维环境中，检查过程非常直观。

图3 中，ProcessList 部分为仿真过程结构树，ProductList 部分为产品结构树。

根据以上基本操作对垂尾进行DELMIA 仿真，发现垂尾组件存在干涉问题，产品与工装发生静态干涉，如图4 所示。这影响到垂尾组件的装配，通过及时与工艺制造部门交流，最后工装数模得到了修正。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。再将仿真过程用屏幕录像专家录制成视频文件，用于指导生产实践。垂尾装配仿真过程见图5。

图4 静态干涉

图5 装配过程仿真

5 结 语

本文通过DELMIA 仿真软件在某机垂尾装配实例中展示了仿真技术的应用。主要通过DELMIA 的DPM ASSEMBLY 模块对工艺和工装进行了仿真验证，解决了装配过程中存在的干涉问题，减少了实际装配过程中装配工艺问题及工装返工问题。同时，生成的仿真录像可以用于工人技术培训。这样，大大提高了工作效率和质量，缩短了飞机制造周期。装配仿真技术的应用，改进了传统的装配技术，保证了飞机装配的质量，具有广泛的应用前景。但由于目前的装配仿真技术仍处于发展阶段，还存在一些不足之处需要改进，如零件的尺寸和外形超差、装配变形等问题不能在仿真中真实地体现出来。

［1］ 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.

［2］ 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（24）：65-71.

［3］ 王云渤.飞机装配工艺学［M］.北京：国防工业出版社，1990.

［4］ 贾朝定.基于DELMIA 的虚拟装配技术［C］//2007 国防科技工业虚拟制造技术高层论坛论文集，2007：97-101.

［5］ 徐旭东，毕利文，姚定.虚拟装配技术改变飞机制造流程［J］.航空制造技术，2009（11）：45-47.

［6］ 李景新，郑国磊.DELMIA 系统在飞机装配模拟中的应用研究［J］.航空制造技术，2008（11）：90-93.

［7］ 邹晓明，许建新，耿俊浩.基于三维模型的装配工艺规划技术研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2008（7）：97-100.

［8］ 黄良.飞机制造工艺学［M］.北京：航空工业出版社，1993.