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 來源:仿真在線

近年來,國內(nèi)外對飛機(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)制造以及自動化裝配等方面。國際上以飛機(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)場的技術(shù)文檔和培訓(xùn)文檔;第三為自動鉆鉚等數(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),融入知識管理的概念,對產(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、以及這些信息對象之間的相互關(guān)系,為設(shè)計(jì)、工藝、制造、生產(chǎn)營運(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、資源等信息知識對象以及這些對象之間的關(guān)聯(lián)。由于在統(tǒng)一的集約化數(shù)據(jù)庫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象的變更會對其它對象帶來的影響和沖擊。例如:若變更某個(gè)零件設(shè)計(jì),哪個(gè)制造計(jì)劃或工藝會受影響等等。可以充分利用P P R 對象之間的豐富關(guān)聯(lián),促使其中的任一對象均能盡早盡快進(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)利用知識庫案例,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,并以知識工程為基礎(chǔ),提供定義和管理這些對象間相互關(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,針對各個(gè)不同的裝配方案進(jìn)行離散事件仿真,能夠針對多產(chǎn)品混產(chǎn)情況分析評估物料流、生產(chǎn)效率和資源利用率。利用P P R數(shù)據(jù)庫,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)動規(guī)則等。

(2)知識驅(qū)動下約束關(guān)系的自動生成和識別。在仿真環(huán)境中對裝配的零件賦予機(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)為可視的宏觀和動作過程。

(3)知識驅(qū)動的裝配規(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)劃過程中信息的動態(tài)流動及其可視化;如何在生成裝配規(guī)劃過程中通過人機(jī)交互加入知識管理和融入人的智能;如何基于知識檢查裝配干涉和配合力分析。

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

(5)裝配仿真系統(tǒng)的建立。虛擬裝配系統(tǒng)由裝配動作輸入、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),且對制造資源及裝配工藝知識的描述是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,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)場指導(dǎo)生產(chǎn)和對工人進(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)人會失其重心,需要增設(shè)一級臺階。

(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。在此處工裝對稱兩側(cè)分別增設(shè)一個(gè)高800mm 左右活動梯,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

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)真正的無紙化信息和知識的應(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,因而能夠減少對特殊工具工裝的需求。

目前我國航空企業(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,以滿足型號快速研制的需要。(end)

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