飛機(jī)研制中的裝配過程仿真

2013-06-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化裝配技術(shù)的研究主要集中在裝配分析與仿真、裝配數(shù)據(jù)管理、裝配工裝夾具設(shè)計(jì)制造以及自動(dòng)化裝配等方面。國(guó)際上以飛機(jī)和汽車為代表的大型復(fù)雜產(chǎn)品研制企業(yè)都已將數(shù)字化裝配技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)中,取得了顯著的效益,無(wú)論是B o e i n g 還是Airbus 目前基本上已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化裝配。如Airbus 系列飛機(jī)壁板裝配采用了以數(shù)控鉆鉚機(jī)為中心的柔性裝配系統(tǒng),從鉚接過程到裝配管理均實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制。資料統(tǒng)計(jì)得出:典型部件裝配周期縮短60%、飛機(jī)裝配周期縮短10%以上、裝配工藝設(shè)計(jì)周期縮短30%~ 50%、裝配返工率減少50%、裝配成本減少20%~ 30%,同時(shí)大大提高飛機(jī)裝配質(zhì)量,極大限度地滿足了客戶要求。

裝配過程仿真是數(shù)字化裝配的基礎(chǔ)

1 數(shù)字化飛機(jī)裝配與裝配過程仿真

飛機(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)就是零件數(shù)量巨大、形狀復(fù)雜、剛度低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配合關(guān)系復(fù)雜、材料種類多、工藝方法多,協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜、準(zhǔn)確度要求高、尺寸鏈復(fù)雜以及工藝環(huán)節(jié)影響大。以往依靠工藝人員的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)常從零件、乃至工裝開始就出現(xiàn)超差,最終累積反映在裝配階段,可能發(fā)生強(qiáng)迫裝配,裝配車間的工藝人員80%的時(shí)間用于處理超差,從而影響飛機(jī)的質(zhì)量、性能和壽命。因此,應(yīng)用裝配過程仿真主要有以下目的:首先使得各種不協(xié)調(diào)問題暴露在真實(shí)的裝配開始之前并得到解決;其次通過裝配過程的仿真及其優(yōu)化后,輸出應(yīng)用于裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)文檔和培訓(xùn)文檔;第三為自動(dòng)鉆鉚等數(shù)字化裝配手段和工具的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

飛機(jī)裝配是一個(gè)復(fù)雜的過程,一般用于指導(dǎo)裝配生產(chǎn)的工藝文件的最終形成是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、企業(yè)的生產(chǎn)組織方式、人力與設(shè)備的情況、裝配準(zhǔn)確度的要求、裝配基準(zhǔn)及定位方法、裝配連接技術(shù)要求、設(shè)計(jì)功能的特殊要求、尺寸及剛度要求等因素,對(duì)整個(gè)裝配過程和企業(yè)資源綜合優(yōu)化的結(jié)果,這些都充分體現(xiàn)了仿真的復(fù)雜性及必要性。在進(jìn)行裝配過程仿真時(shí),必須進(jìn)行人體建模、飛機(jī)虛擬樣機(jī)建模、設(shè)備以及工裝工具建模、人機(jī)工程虛擬環(huán)境建模、仿真過程建模等,必須進(jìn)行人機(jī)工效分析,進(jìn)行過程仿真和優(yōu)化,最后生成相關(guān)工藝文件。

2 三維裝配工藝規(guī)劃和過程仿真

三維裝配工藝規(guī)劃和過程仿真是在計(jì)算機(jī)提供的虛擬空間內(nèi),融入知識(shí)管理的概念,對(duì)產(chǎn)品零組件、工裝、工藝過程、工具等用數(shù)字化模型表示的全部行為,為人們提供一個(gè)從產(chǎn)品零件開始到完成部件裝配全過程的三維可視化及交互的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。信息技術(shù)的高速發(fā)展為三維裝配工藝規(guī)劃和裝配過程仿真提供了有效的手段和技術(shù)支撐。在飛機(jī)研制中通過裝配過程仿真可以提前暴露并解決實(shí)際裝配過程中的設(shè)計(jì)、工藝、制造等問題,采用裝配過程仿真可以有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短裝配周期、降低研制成本。主要表現(xiàn)在:

· 在3D 環(huán)境中模擬裝配流程,以避免在裝配現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生各種預(yù)料之外的問題。

· 在設(shè)計(jì)的早期階段,就考慮產(chǎn)品的工藝性、裝配性,可以有效地減少設(shè)計(jì)更改,降低研制成本。

· 同步進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì),并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段完成所有工藝設(shè)計(jì)和制造流程的模擬與優(yōu)化,真正實(shí)現(xiàn)面向制造的設(shè)計(jì)。

·在PPR(Product、Process 和Resource)的集成環(huán)境中,可以暴露工裝設(shè)計(jì)和制造中的問題,優(yōu)化工裝的設(shè)計(jì)。

· 減少(或消除)制造現(xiàn)場(chǎng)的返工與工程更改,以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。

在構(gòu)型管理和工程更改的控制下,統(tǒng)一管理產(chǎn)品(Product)、工藝過程(Process)和資源(Resource)等信息、以及這些信息對(duì)象之間的相互關(guān)系,為設(shè)計(jì)、工藝、制造、生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)、與售后服務(wù)等之間的緊密聯(lián)系提供了一個(gè)共同的環(huán)境,整合并管理從概念設(shè)計(jì)到維修報(bào)廢之間的產(chǎn)品全生命周期。

3 三維裝配工藝規(guī)劃和過程模擬仿真的核心

裝配過程三維規(guī)劃和過程仿真的核心是產(chǎn)品、工藝過程和資源三者的數(shù)據(jù)交互技術(shù),也是同步支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造流程規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì)、并綜合進(jìn)行仿真驗(yàn)證的技術(shù)基礎(chǔ)。獨(dú)特的PPR 數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境支持飛機(jī)復(fù)雜的構(gòu)型管理與數(shù)據(jù)有效性控制規(guī)則,支持工程更改、流程規(guī)劃,資源規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì),并保持產(chǎn)品工程信息之間的關(guān)聯(lián)性。這種數(shù)據(jù)交互技術(shù)提供現(xiàn)實(shí)可靠的方法,通過產(chǎn)品構(gòu)型管理和數(shù)據(jù)有效性控制,直接管理產(chǎn)品、流程、資源等信息知識(shí)對(duì)象以及這些對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)。由于在統(tǒng)一的集約化數(shù)據(jù)庫(kù)中可以直接定義和管理這些關(guān)聯(lián),每個(gè)工程師可以直接地觀察到某一類對(duì)象的變更會(huì)對(duì)其它對(duì)象帶來(lái)的影響和沖擊。例如:若變更某個(gè)零件設(shè)計(jì),哪個(gè)制造計(jì)劃或工藝會(huì)受影響等等?？梢猿浞掷肞 P R 對(duì)象之間的豐富關(guān)聯(lián),促使其中的任一對(duì)象均能盡早盡快進(jìn)行可能的優(yōu)化。

產(chǎn)品工藝過程和資源的數(shù)據(jù)交互支持捕捉,積累、管理并重復(fù)利用知識(shí)庫(kù)案例,包括標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)規(guī)則、制造流程與工藝規(guī)格、資源限制、標(biāo)準(zhǔn)工時(shí)分析等等,并以知識(shí)工程為基礎(chǔ),提供定義和管理這些對(duì)象間相互關(guān)聯(lián)的能力和環(huán)境,使得飛機(jī)研制中設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)制造、與企業(yè)營(yíng)運(yùn)等組織之間得到優(yōu)化整合。

在整個(gè)產(chǎn)品生命周期內(nèi)高效正確地管理各種并行的設(shè)計(jì)變更與工程更改,將多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的接口置放在以唯一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的架構(gòu)內(nèi),有效運(yùn)用以唯一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的應(yīng)用程序來(lái)支持裝配流程規(guī)劃和工藝設(shè)計(jì)等業(yè)務(wù),能夠在產(chǎn)品全生命周期中快速響應(yīng)設(shè)計(jì)變更和工程更改的要求,并確保工程信息和技術(shù)資料的完整性。

應(yīng)用以唯一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的產(chǎn)品流程資源數(shù)據(jù)庫(kù),針對(duì)各個(gè)不同的裝配方案進(jìn)行離散事件仿真,能夠針對(duì)多產(chǎn)品混產(chǎn)情況分析評(píng)估物料流、生產(chǎn)效率和資源利用率。利用P P R數(shù)據(jù)庫(kù),能夠進(jìn)一步分析流程規(guī)劃、資源配置與優(yōu)先需求,以便平衡制造設(shè)施內(nèi)的工作負(fù)荷,并提高人力資源使用率。

飛機(jī)裝配仿真技術(shù)的關(guān)鍵主要可歸納為下列5 個(gè)方面:

(1)裝配仿真環(huán)境的構(gòu)建。仿真環(huán)境的描述與管理,裝配動(dòng)作與感覺信息間的相互關(guān)系,感覺信息的綜合方法以及輸入、輸出的驅(qū)動(dòng)規(guī)則等。

(2)知識(shí)驅(qū)動(dòng)下約束關(guān)系的自動(dòng)生成和識(shí)別。在仿真環(huán)境中對(duì)裝配的零件賦予機(jī)械、物理特性,并由此形成裝配過程的作用力;使微觀和瞬態(tài)的分析數(shù)據(jù)在虛擬空間中展現(xiàn)為可視的宏觀和動(dòng)作過程。

(3)知識(shí)驅(qū)動(dòng)的裝配規(guī)劃技術(shù)。裝配規(guī)劃就是尋求一條最優(yōu)的零件裝配順序序列,重點(diǎn)解決如何更形象地表現(xiàn)裝配規(guī)劃過程中信息的動(dòng)態(tài)流動(dòng)及其可視化;如何在生成裝配規(guī)劃過程中通過人機(jī)交互加入知識(shí)管理和融入人的智能;如何基于知識(shí)檢查裝配干涉和配合力分析。

(4)人的知識(shí)和技巧的映射。為了使知識(shí)和智能融入裝配規(guī)劃的生成,需要研究人體模型在虛擬環(huán)境中的映射,正確檢測(cè)和處理人的裝配動(dòng)作信號(hào)。

(5)裝配仿真系統(tǒng)的建立。虛擬裝配系統(tǒng)由裝配動(dòng)作輸入、虛擬裝配環(huán)境、裝配過程和判斷裝配正確性的感覺信息輸出等四個(gè)子系統(tǒng)組成,研究其信息的集成以完成虛擬裝配全過程的實(shí)施。

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應(yīng)用案例:某機(jī)翼中央翼組件裝配工藝流程仿真

傳統(tǒng)的2 維工藝設(shè)計(jì)模式是由工藝設(shè)計(jì)人員在頭腦中抽象構(gòu)建3維裝配空間、設(shè)計(jì)裝配順序,最終用平面方式表述;設(shè)計(jì)質(zhì)量完全取決于工藝設(shè)計(jì)人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)。操作人員需要根據(jù)工藝設(shè)計(jì)人員編發(fā)的文件及2 維工程圖紙?jiān)诖竽X中再次構(gòu)建3 維裝配空間,理解裝配順序、裝配要求,這對(duì)生產(chǎn)操作人員的素質(zhì)要求較高。

另一方面,現(xiàn)有C A P P 基于2維設(shè)計(jì)模式開發(fā),不能充分利用上游產(chǎn)品的3 維C A D 數(shù)據(jù),且對(duì)制造資源及裝配工藝知識(shí)的描述是2 維的。因此難以保證工藝數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,工藝設(shè)計(jì)工作量大、效率低、周期長(zhǎng),難以實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)的繼承性、規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)化和最優(yōu)化。

為了探索裝配工藝三維數(shù)字化設(shè)計(jì)基本思路及工作流程,我們以某飛機(jī)中央翼為例,應(yīng)用基于PPRHUB和知識(shí)的DELMIA 軟件進(jìn)行了裝配過程的工藝設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真。

裝配過程仿真在工程設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造之間提供了一個(gè)可視化的工藝設(shè)計(jì)環(huán)境,變過去工藝人員在2 維環(huán)境進(jìn)行工藝工作為在3 維可視環(huán)境下真正的裝配工藝流程設(shè)計(jì),工藝人員在這個(gè)工作平臺(tái)能夠模擬整個(gè)裝配過程,可以分析零組件在裝配過程中任何一個(gè)具體的姿態(tài),以及工裝定位器、夾緊裝置的使用等。裝配過程可制作成A V I 文件,置于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)生產(chǎn)和對(duì)工人進(jìn)行培訓(xùn)。

通過裝配過程仿真,發(fā)現(xiàn)中央翼產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工裝設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步完善的地方,主要問題是:

(1)中央翼總裝工作梯立柱位置不合理。操作人員是雙手端著工具盒上到型架上,而圖示立柱恰好擋住了操作人員上到型架上的路徑。

(2)操作人員從地面上到型架上,型架地板面距地面距離約500m m,以操作人員平均身高1720m m 分析,其右腿抬得過高,此時(shí)人會(huì)失其重心,需要增設(shè)一級(jí)臺(tái)階。

(3)操作人員行走在中央翼總裝型架上,不安全,存有安全隱患。工裝設(shè)計(jì)應(yīng)在工裝上鋪設(shè)地板,便于操作人員行走。

(4)操作人員要拿著工具鉆進(jìn)中央翼里工作,中央翼下壁板距型架地板約1350mm,操作人員很難鉆進(jìn)中央翼里工作。在此處工裝對(duì)稱兩側(cè)分別增設(shè)一個(gè)高800mm 左右活動(dòng)梯,便于操作人員鉆進(jìn)中央翼里工作。

(5)操作人員工作姿勢(shì)下,右腿與上部軀體夾角106.532°,接近極限113°,工作環(huán)境極為惡劣。應(yīng)在中央翼下壁板鋪厚海綿墊,改善工作環(huán)境,防止操作人員與結(jié)構(gòu)直接接觸,造成身體不適。

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結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不僅可以有效地應(yīng)用于飛機(jī)研制中,也可以有效地應(yīng)用于制造工程與工藝設(shè)計(jì)、以模擬仿真為基礎(chǔ)的驗(yàn)證優(yōu)化過程、工藝指令的編制過程和制造工人的培訓(xùn)過程,讓一個(gè)真正的無(wú)紙化信息和知識(shí)的應(yīng)用變成現(xiàn)實(shí)。同時(shí),也可以延伸到售后服務(wù)與維護(hù)修理作業(yè)的仿真驗(yàn)證過程等。

有效地運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),可以減少對(duì)物理樣機(jī)的需求,降低成本,節(jié)省時(shí)間。在產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程的后期結(jié)合最新的設(shè)計(jì)更改,來(lái)進(jìn)行工裝工具的設(shè)計(jì)制造,消除產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更所帶來(lái)的昂貴的工具工裝的更改。在設(shè)計(jì)的早期,按照制造裝配與維修工作的可操作性要求,進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和變更,因而能夠減少對(duì)特殊工具工裝的需求。

目前我國(guó)航空企業(yè)還都維持在傳統(tǒng)的制造流程上,飛機(jī)裝配從部件鉚接過程到整機(jī)大部件對(duì)接及裝配基本上還采用手工作業(yè)或人工控制。隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化制造、數(shù)字化管理的全面推廣應(yīng)用,航空企業(yè)迫切需要提高數(shù)字化裝配水平,縮短裝配周期,以滿足型號(hào)快速研制的需要。(end)

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