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DELMIA在ARJ21飞机中央翼装配仿真中的应用

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目前国内飞机制造过程中占有重要地位的飞机装配工艺设计基本上仍是采用数字量传递与模拟量传递相结合的工作模式，主要依靠计算机辅助工艺过程设计系统软件CAPP进行。这种飞机工艺装配设计仍然停留在二维的工艺规划的基础上，与CAD系统没有建立紧密的联系，更谈不上工艺设计与产品设计的协同工作，无法将装配工艺过程、装配零件及与装配过程有关的制造资源紧密结合在一起实现装配过程的仿真，无法在工艺设计环境中进行三维的虚拟装配工艺验证。

当今，数字化虚拟装配工艺设计与装配过程仿真技术在现代飞机的设计和制造中扮演的角色将越来越重要。它提供了在三维数字化环境中动态地安装零部件及其组件的整个过程。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应用于生产中，取得了显著的效益。无论是波音还是空客目前已基本上实现了数字化三维装配。波音公司的7E7飞机已经完全采用航空制造业的数字化三维装配解决方案，实现了整机的三维虚拟装配仿真和验证，极大地减少了设计变更，缩短了工艺规划时间，提高了产量并降低了生产成本。空客系列飞机壁板装配采用了以数控钻铆机为中心的柔性装配系统，从铆接过程到装配管理均实现了数字化控制。据国际著名的制造业统计权威刊物CIMdata统计得出：典型部件装配周期缩短60%，飞机装配周期缩短10%以上，装配工艺设计周期缩短30%～50%，装配返工率减少50%，装配成本减少20%～30%，数字化三维装配大大提高飞机装配质量，极大限度满足了客户要求。

1 西飞公司现有装配工艺设计存在的问题

目前国内包括西飞公司在内的众多飞机制造企业，在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，装配工艺的设计主要采用计算机辅助工艺过程设计系统进行，但仍然停留在二维产品设计的基础上，与CAD系统没有建立紧密的联系，更谈不上与设计的协同工作，无法将装配工艺过程、装配零件及与装配过程有关的制造资源紧密结合在一起实现装配过程的仿真，无法在工艺设计环境中进行三维的虚拟工艺验证，零部件能否准确安装，在实际安装过程中是否发生干涉，工艺流程、装配顺序是否合理，装配工艺装备是否满足装配需要，装配人员及装配工具是否可达，装配操作空间是否具有开放性等一系列问题无法在装配设计阶段得到有效验证。上述任意环节在实际生产中出现问题都将影响飞机的研制周期，造成费用的损失。

2 中央翼装配的工艺过程仿真

2.1 DELMIA软件

DELMIA软件是达索公司的三维数字化工艺设计、制造整体解决方案，广泛应用在航空航天、汽车、造船等高科技制造领域。DELMIA涵盖飞机设计、制造反维护过程中的所有工艺过程，使用户能够利用3D设计模型完成产品工艺的设计与验证。它可以帮助制造企业提高生产率，促进协同和加速上市时间。

装配工艺规划是DELMIA软件的DPE(DELMIA Proccss Engineer)模块中的内容，主要是在装配之前进行装配工艺的规划。工艺仿真与验证模块即DPM(DELMIA Process Manufacture)模块，用来进行工艺验证，人机工程模块用来对工人操作模拟，验证工人动作的可达牲等。

2.2 中央翼组件装配特点及要求

中央翼组件结构是飞机中最重要的结构件之一（如图1所示），是整个飞机的最重要的承力结构，同时也是西飞公司承担ARJ21飞机的最重要装配件。主要结构件包括：SD560前梁框，SD648后梁框，0号肋，1号、2号展向粱，上下壁板，在中机身机身大开口处沿长桁方向安排有龙骨粱、纵粱等加强件。此外它还包括客舱、货舱的地板滑轨及其纵向支撑件等次要纵向构件。

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图1 中央翼产品组件模型

ARJ21中央冀组件装配具有如下特点：

(1)生产过程工艺性复杂。专业水平要求高，原理性知识需要掌握、熟悉，才能完成所承担的工序。

(2)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。

(3)手工作业性强，即装配过程靠人在飞机上手工将成品、零组件、材料、标准件、电缆导管组成系统，从而完成整机的装配过程。

(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无法准确地确定，如依靠原理、经验判断问题的所在，则需要协调和协助解决的工作增多。

(5)生产过程复杂，生产周期相对比较长。批生产周期为45d左右，新机生产为4个月左右。

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

2.3 数据准备与工艺规划

在CATIA V5中，首先读入已经设计好的ARJ中央翼产品数据，并通过脚本程序将产品数据导入到DELMIA DPE工艺设计平台中，形成产品结构树；然后将已定义好的相关资源（如厂房、工装、人等）加入到DPE环境中，形成资源结构树；最后进行装配工艺设计，在DPE中构建详细装配工艺结构树，同时将与该工艺有关的产品和资源加入到该工艺结构树中，进行工艺规划（如图2所示）。这样，就可以对装配流程进行全面的工艺布局设计和三维数字化装配工厂仿真等工作，并不断对工艺布局和装配流程进行调整、优化。

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图2 Process、Product、Resource链接相互关系

2.4 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，对特定的产品已经具备或产生了3大类信息：(1)确定了产品信息(Product)，包括中央翼中确定的全部零、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)确定了装配工艺流程(Process)，包括MBOM(Manufacture Bill of Materials)和AO(Assembly Order)；(3)确定了制造资源(Resource)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。通过PPRHUB数据库，将DPE中设计好的工艺过程导入DPM中进行详细的三维工艺验证和仿真。在DPM软件中主要完成的内容包括：(1)装配顺序的仿真。利用已有的装配工艺流程信息(Process)、产品信息(Product)和资源信息(Resource)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，从而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。当系统发现它们之件存在干涉情况时予以报警，并示出干涉区域和干涉量，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，以高效装配和以人为本为原则。(5)装配过程的记录。利用以上装配过程的三维数字化仿真功能，将整个装配过程记录下来，形成可以插放的影片格式，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)生成相关文档。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。

2.5 目前设计中存在的问题及改进措施

通过中央翼数字化工艺设计与过程仿真验证，发现中央翼总装型架和中央翼总装工作梯的设计存在如下需要改进的方面。

a.中央翼总装工作梯立柱位置不合理。一般情况下，操作人员是双手端著工具盒上到型架上，而原始设计的工作立柱恰好挡住了操作人员上到型架上的路径（如图3所示）。解决措施：图示立柱向左或右侧移动500mm。

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图3 工作梯立柱住置不合理图

b.操作人员从地面上到型架上，型架地板面距地面距离约500mm，以操作人员平均身高1720mm分析，其右腿抬得过高，此时人会失其重心。解决措施：需要在此处增设一级台阶，具体形式由工装设计定。

c.操作人员拿着工具上到中央翼上翼面工作，型架工作梯距上翼面边缘有730mm距离，操作人员来回行走存在不安全隐患（如图所示）。解决措施：中央翼上壁板铺工艺地板。

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图4 增设工艺地板图

d.由操作人员拿着工具钻进中央翼里工作的仿真图片可见，工人姿势很不舒服，右腿与上部躯体夹角106.532°，接近极限113°，工作环境极为恶劣。解决措施：在中央翼下壁板铺厚海绵垫，改善工作环境，防止操作人员与结构直接接触，造成身体不适。

3 结束语

本文就使用DELMIA在ARJ21中央翼工艺过程与人机工程仿真的应用进行了阐述，在用DELMIA对中央翼的仿真过程中，充分体会了数字化装配工艺设计和虚拟装配过程。通过工艺性验证和人机工程验证，及早发现工艺设计、产品设计、工装设计等方面的问题，这给生产实际带来了极大的益处。本文在工艺模板定制及MBOM输出方面做了较多的研究工作，取得了一定的研究成果，对于DELMIA在国内航空企业的应用有一定的借鉴作用。今后应该在DELMIA与PDM、ERP等系统平台集成及工艺设计业务流程梳理等方面多进行研究，使DELMIA三维工艺设计及仿真解决方案真正融入到企业的设计、制造一体化平台之中。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/2/2012)


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