基于DELMIA的飛機數字化裝配仿真技術應用研究

張 鵬

（湖北交通職業技術學院汽車與航空學院，武漢430079）

航空制造工業是新時代高精尖技術應用的重點領域之一，其技術水平代表著一個國家的綜合實力[1]。數字化裝配仿真技術作為國內外飛機先進制造技術的研究熱點之一，代表著目前和將來飛機裝配技術的發展方向。新一代飛機對性能及壽命提出了更高的標準，市場對飛機的需求逐漸呈現出小批量、多品種的特點，且產品的交貨周期不斷縮短，傳統的飛機制造裝配技術已無法滿足航空制造企業發展的新需求。目前，國外以波音、空客為代表飛機制造企業，已經從產品設計、工藝設計、工裝設計、產品制造到飛機裝配整個流程采用基于三維數字模型的設計方法。以B787、A380為代表的大型飛機裝配中，采用數字量尺寸協調體系和裝配設計技術，通過裝配虛擬仿真技術實現裝配過程的優化，大大縮短了研制周期，降低了研制成本，提高了飛機的裝配質量[2]。

與國外相比，數字化裝配仿真技術應用在國內航空制造企業起步較晚，隨著我國航空工業先進制造技術突飛猛進的發展，成飛、西飛、沈飛、洪都、上飛均開始使用DELMIA進行裝配工藝設計。例如，基于DELMIA建立三維數字化裝配工藝設計和裝配過程仿真環境，為企業生產提供快速、準確的MBOM；駕駛艙設計人機工效分析數字化，進行駕駛員視域分析、顏色域分析、可達域分析、舒適性分析、關鍵姿勢及主要動作設定等；將裝配工藝過程、裝配零件及與裝配過程有關的制造資源緊密結合在一起；驗證人員及工具是否可達、裝配操作空間是否具有開放性等問題。

本文基于DELMIA的應用內容、范圍和流程，通過實例分析，開展飛機數字化裝配仿真技術應用研究，提出了實現飛機裝配過程的“最優”路徑規劃、裝配干涉檢查和裝配可達性的解決方案，使虛擬裝配仿真過程與實際生產場景中的運行過程相一致，其結果可用于提前規劃飛機裝配工藝過程，對現實生產裝配具有一定的指導作用。

1 數字化裝配仿真技術概述

數字化裝配仿真技術是伴隨著虛擬現實技術和人機工程仿真技術的快速發展而產生的，是現代制造技術的關鍵組成部分，它可幫助生產者在不需要造出產品實物或不依賴生產過程支持的情況下，通過計算機畫出虛擬模型，實現數據的精準表達和可視化，做出直接與裝配相關的生產決策。同時，虛擬裝配也是基于產品、工藝、生產過程的數字化實體模型，通過計算機軟件技術分析與驗證產品的工藝過程、生產效率及裝配性能，從而提高裝配工藝流程的可靠性，展現裝配過程的全生命周期[3]。因此，數字化裝配仿真技術能夠有效的幫助生產者實現裝配過程工藝規劃、干涉檢查、可達性驗證和預判解決裝配過程中可能遇到的各項不穩定、不確定等影響因素，以此指導工業生產裝配的各個環節。

DELMIA軟件以基于物理的虛擬設計與制造簡便、機器人應用仿真表現優異而聞名于世，并處于世界領先地位，目前廣泛應用于航空工業產品設計、制造的各種場景，是一款具有強大功能的虛擬仿真軟件。它的虛擬裝配仿真功能，能成功的處理現實裝配工作過程中預期效果難以獲取的難題。DELMIA軟件能極大的提升過程規劃設計工作的效率，并提高仿真的精度和可靠性。通過DELMIA軟件構圖可快速準確的建構出各種應用環境下的工作單元，其自帶的自動碰撞偵測功能可有效偵測風險并計算出多種避讓路徑。與此同時，該軟件還能方便快捷的導入CAD數據，互換性較強。DELMIA軟件對當前裝配生產線的設計，基本都可提供出合適的解決方案[4]。

基于DELMIA的數字化裝配仿真技術，通過虛擬現實技術和人機工程仿真技術，將工藝設計過程進行可視化，提高產品結構設計的一次成功率，避免了產品重大和顛覆性的錯誤；提高了裝配工藝設計、裝配工裝設計一次正確率，避免了重大和顛覆性裝配工藝設計、工裝設計錯誤；能對產品的可視性、可達性、可維護性以及工人操作舒適性進行有效評估[5]。

2 基于DELMIA的數字化裝配仿真技術實現路徑

隨著現代信息技術和虛擬現實技術的快速發展，基于DELMIA的數字化裝配仿真技術在航空制造領域得到了迅猛發展。根據飛機各系統裝配難易程度，在總裝設計階段、部裝設計階段和零組件裝配階段都可以使用基于DELMIA的數字化裝配仿真技術，完成虛擬場景搭建、虛擬模型導入、虛擬裝配操作與虛擬裝配仿真等[6]。下面就其具體實現路徑，從以下四個方面展開論述。

2.1 主要內容

應用DELMIA開展數字化裝配工藝設計的內容主要包括產品工藝分離面劃分、工藝分析/工藝設計/工藝需求等信息添加、連接件工藝模型建模及劃分、AO項目確定、參裝零件指派、裝配仿真、人機工程仿真驗證及優化等內容。

2.2 數據要求

采用CATIA通用數據格式，如*.CATPart、*.CATProduct、*.cgr、*.CATProcess等。

2.3 工作流程

使用DELMIA軟件開展數字化裝配工藝設計的主要工作有項目PPR結構樹及子節點建立及工藝規劃（IMBOM構建、工藝分析/工藝設計信息添加、零組件劃分、AO項目建立、裝配仿真驗證、裝配順序查看及優化、人機工程仿真等），其基本流程如圖1。

圖1 數字化裝配工藝設計工作流程

2.4 實現途徑

（1）采用基于DELMIA的裝配仿真技術，解決裝配工藝設計過程的可視化，優化產品設計、裝配工藝設計；

（2）采用基于DELMIA的裝配仿真技術，實現產品與工裝的裝配運動過程的干涉仿真檢查，提高工裝設計的一次成功率；

（3）采用人機工程虛擬仿真技術，實現產品設計、工藝設計、工裝設計過程中的可視性、可達性、可維護性、舒適性等檢查，促進產品設計、工藝設計的優化。

3 某型機翼數字化裝配仿真技術應用及結果分析

以某型飛機機翼油箱段鉚接工藝數字化裝配仿真技術應用為例，建立基于DELMIA虛擬仿真技術下的柔性裝配生產線，設計出虛擬環境下的裝配工藝方案，將所有涉及的設備、工具、零件以及鉚接裝配工藝進行仿真，根據其結果可驗證裝配工藝流程、裝配可達性、裝配效率、裝配安全性的有效性，實現仿真技術指導真實生產[7]。

3.1 裝配工作站虛擬現實場景建模

某型飛機機翼裝配工作站區域為大小長30 m×寬7 m×高0.3 m的工作平臺，工作站分四個工作站位，其中第一站、第三站為右機翼油箱段裝配，第二站、第四站為左機翼油箱段裝配，工作站裝備兩臺工業機器人，按兩個工作節拍，同時實現飛機機翼左右油箱和外段的裝配工作。同時，裝配工作站的空間內要容納完整的工裝夾具、控制柜、試刀臺、零附件柜、導軌等設備，并在工作站兩側布置機器人的導軌和滑動平臺。

在Catia的Mechanical Design機械設計環境的裝配設計模塊中創建一個產品數據文件，作為飛機機翼裝配工作站基礎平臺的模型文件，工作站的平臺、機器人導軌等模型，都要在該模塊建模并裝配。再選擇AEC工廠/Plant Layout模塊，創建飛機機翼裝配工作站的工作區域，通過裝配區域的確立，來合理安排布置裝配工作站內的各種設備、工裝、零部件等的位置。

3.2 六自由度工業機器人選型與建模

在本方案中建立以庫卡KR8_R1420型機器人為主體，依據其三維模型，建立了運動副為6自由度的工業機器人DMU運動機構，每個運動副的旋轉角度是從-360°～360°，因此需要根據機器人參數，限制機器人6個運動副的旋轉角度以及旋轉方向，如圖2所示。DMU的六自由度運動學機構的建立步驟：（1）定義機器人運動機構模型；（2）創建運動機構；（3）添加各種對應的運動副；（4）添加固定的零部件；（5）根據需要添加輔助附屬模型；（6）進行運動仿真驗證；（7）定義相應的實體模型到對應的骨架；（8）進行相關分析。

圖2 Inverse Kinematics功能選擇和建立機器人

3.3 虛擬柔性裝配線運行模式試驗

（1）在DELMIA的Device Task Definition環境中，將機翼裝配工作站的實體模型、六自由度機器人實體模型、柔性工藝裝備實體模型、飛機機翼油箱和機翼外段模型載入到環境中。

將六自由度的機器人安裝在工作站的滑動導軌上，建立機器人的安裝位置，設置機器人的初始位置。該方案的運行模式是，兩個工作節拍，每個工作節拍有兩個工作位同時運行。兩個生產節拍完成，飛機機翼的左右機翼油箱外段整體裝配完成。裝配生產線的虛擬模型和工業機器人模型的關系建立需要在DELMIA軟件的Device Task Definition模塊中完成。在Device Task Definition模塊中，利用Activity Management工具，可以導入裝配生產線的虛擬模型和工業機器人模型，如圖3所示。

圖3 虛擬工業機器人飛機機翼外段裝配生產線

建立虛擬工業機器人飛機機翼裝配生產線后，首先，確立機器人在各站位的合理站位點，確立在站位點上，工作空間內工業機器人的可達性，檢查干涉碰撞，機器人運行路徑的規劃，并最終輸出工業機器人飛機機翼裝配生產線的全部虛擬仿真結果。將機器人加載到裝配線的站位上，檢查機器人與站位的空間關系，保證整個工位在機器人的工作半徑之內，如圖4所示。同時規劃好Check檢查體區域，根據機器人運動到各點時與工裝之間的空間位置關系，進行機器人與設備、工裝、附件的干澀檢查，保證機器人在安全區域工作，保證機器人加工路徑的安全合理高效。

圖4 工業機器人的工作空間檢查

通過Device Task Definition模塊中的 Teach示教功能，能對機器人到達各點的姿態獲得8個逆解。機器人運動點的運動學逆解在Jog對話框中的Cartesian窗口中可看到，Jog對這些逆解會同時進行奇異性分析，并標明其Status狀態，其中會有兩個Good點，也就是恰當的逆解，選擇這個逆解后，在Teach窗口中選擇Modify按鈕，這個恰當逆解就會變成機器人在這點的姿態，如圖5所示。

圖5 Teach示教功能的機器人運動學的恰當逆解獲得

防碰撞檢測的目的是分析裝配過程和周圍環境可出現的碰撞問題。干涉檢測是分析機器人在裝配過程中有可能出現的奇異性及速度加速度等超限問題。這是保證機器人能正常工作的必要條件。利用DELMIAI中Device Task Definition的標準自動碰撞監測功能，可以讓用戶生成多個碰撞和接近隊列來避免碰撞，而且可通過自動路徑規劃器來生成避碰機器人軌跡。可利用也可檢測機器人速度和加速度超限問題，效率高，準確度好，解決了實際工作中的難題，使機器人碰撞問題在設計過程中得到有效的解決。

雙機器人協同工作，在裝配線的4個工位上，在機翼油箱裝配的工作站位中，兩臺機器人同時工作，首先機器人在第一和第二站位上工作，完成機翼整體油箱段的鉚裝裝配，然后，兩臺機器人分別行走到第三和第四站位上工作，完成機翼外段裝配。兩臺機器人，兩個生產節拍，同時完成兩段機翼的鉆鉚裝配，如圖6所示。

圖6 工業機器人飛機機翼柔性裝配生產線

3.4 裝配仿真結果分析

通過仿真分析，裝配生產線布局得到優化，避免了裝配過程中的干涉碰撞可能性，并實現裝配過程的準確可達。根據對裝配生產線開展DELMIA軟件仿真分析的結果表明，該型機翼柔性裝配站布局合理，能較好適應機翼部裝及總裝，對柔性工裝、工業機器人、機翼部附件、其他設備容納性較好，未來在適應飛機整體的裝配需求領域，仍可以有較大的擴展空間，裝配生產線的布局可根據生產需要和產品類型不斷調整優化。運行數據資料統計得出：對典型部件裝配周期縮短60%，飛機裝配周期縮短10%以上，裝配工藝設計周期縮短30%～50%，裝配返工率減少50%，裝配成本減少20%～30%，大大提高飛機裝配質量，極大限度滿足客戶要求。

4 總結

數字化制造技術是隨著基于MBD技術的產品設計技術日益成熟而發展和成熟起來的，其中數字化裝配仿真技術能有效解決復雜裝配工藝，并可實現裝配過程優化，應用前景十分廣闊。本文以機翼油箱段為例，通過建立裝配生產線的三維模型并DELMIA環境中開展分析，對機翼柔性裝配生產線的裝配路徑規劃、裝配干涉碰撞檢查、裝配可達性進行規劃和驗證，為實施基于飛機機翼柔性裝配工藝優化給出了實現路徑。