一、引言

    隨著基于MBD（Model-Based Definition）的三維產品設計技術被廣泛運用，飛行器三維協(xié)同裝配設計、規(guī)劃成為可能。DELMIA（DigitalEnterpriseLeanManufacturingInteractiveApplication）是達索公司研制的面向制造過程、維護過程和人機工程的數字化制造平臺，提供了定義、模擬和分析制造過程的各項功能，應用涵蓋了汽車制造、航天航空器設計制造和船舶制造等諸多工業(yè)領域。基于DELMIA的三維設計繼承了三維模型數據的直觀、易懂的優(yōu)勢，同時又使設計、工藝人員能看到產品裝配工藝的過程，通過對仿真過程進行分析和交互反饋，縮短設計周期、確保產品方案裝配的可行性。波音公司的787飛機已經完全采用航空制造業(yè)的數字化三維裝配解決方案,實現了整機的三維虛擬裝配仿真和驗證,極大地減少了設計變更,縮短了工藝規(guī)劃時間,提高了產量并降低了生產成本。三維數字化裝配仿真設計，可實現從傳統(tǒng)的以二維裝配工藝設計向三維數字化過程仿真、無紙化制造的革命性突破，是打造數字化生產線的重要環(huán)節(jié)。

    二、總體思路

    1.基本原理

    位置變換技術是定義動力支架裝配仿真路徑規(guī)劃的關鍵技術。動力支架組件坐標平移變換。設待移動組件的初始坐標為(x，y，z)，經過(a，b，c)距離的平移后，終點坐標為(x1，y1，z1)，則組件的位置變換矩陣為：

    動力支架組件坐標旋轉變換。設組件的初始坐標為(x1，y1，z1)，分別繞x，y和z軸旋轉θ角度后，終點坐標為(x2，y2，z2)，則組件繞x，y和z軸的位置變換矩陣分別為：

    2.技術路線

    本文以某航天器前艙動力支架組件總裝過程為研究對象，在對產品結構分析的前提下，在現有制造能力(車間、設備、工藝方法、標準和人力)的基礎上，建立某航天器前艙（含動力支架）產品模型、工裝模型和廠房環(huán)境模型，制定裝配流程，確定裝配方法，并定義各裝配環(huán)節(jié)所需要的制造資源；在協(xié)同三維數字化預裝配環(huán)境中，使用DELMIA軟件，根據工藝流程在軟件中完成零件、組件和成品等數模上架、定位、裝夾和裝配等工序的虛擬操作，驗證設計方案的準確性，并用原理樣機產品實物進行試驗驗證，技術路線如圖1所示。

    圖1 某產品三維虛擬裝配設計技術路線

    三、仿真研究

    1.產品裝配特點分析

    某航天器前艙動力支架組件結構是儀器安裝重要結構件之一（圖2），安裝在航天器前艙結構框架上，用于維持姿控發(fā)動機的安裝剛度，承擔飛行過程中的載荷，安裝支架組件通過螺栓和管路接頭與飛行器框架連接。該裝配過程具有如下特點。

    （1）產品零件較多，且部分數模格式異構，需要建立匹配的裝配模型。

    （2）界面復雜，安裝支架不僅有螺栓連接的機械接口，還有電接插件電氣接口，裝配過程容易發(fā)生干涉，需要設計合理的工藝路徑。

    （3）安裝空間狹小，部分螺栓需要特殊工具并進行人機工程分析。

    （4）產品裝配需要借助工裝，需要分析工裝的可行性、合理性。

    圖2 產品模型

    2.仿真過程

    （1）虛擬裝配建模。

    虛擬裝配建模包括三個方面，一方面是產品模型，產品模型應嚴格按照實際幾何關系和裝配關系創(chuàng)建，具有機構運動關系的需要定義機構電子樣機，以保證對運動部件進行仿真的準確性，在定義產品模型的過程中要特別注意盡量用統(tǒng)一的軟件如CATIA建模，對不同格式的異構模型，需要進行格式轉換；第二方面是資源模型，針對產品裝配過程實際需要使用的工人、工裝、托架、氣鉆和扳手等，資源模型應單獨建立集成的模型資源庫，供不同產品裝配調用，圖3為氣鉆模型；第三方面是環(huán)境模型，應根據裝配廠房的實際布局情況，建立廠房吊車，桁架、過道等模型，以布局產品裝配的主要路徑，圖4為裝配廠房模型。

（2）裝配順序規(guī)劃。

    裝配順序規(guī)劃的步驟為將產品、廠房環(huán)境，資源（工裝、人、工具和設備）等數據導入到DELMIADPE設計平臺后，進行裝配工藝設計，根據初步的產品裝配方案，構建詳細裝配工藝序列樹，進行工藝序列節(jié)點創(chuàng)建（圖5）。創(chuàng)建好的工藝序列在后續(xù)仿真模擬過程中，對不足之處可以通過軟件的邏輯關系進行順序更改，以實現次序的合理和優(yōu)化。

    （3）裝配路徑規(guī)劃。

    裝配路徑規(guī)劃為利用已經創(chuàng)建好的裝配環(huán)境和工藝節(jié)點上，通過對安裝支架組件裝配過程進行三維動態(tài)仿真，設計合理的裝配路徑，在實物裝配前發(fā)現裝配路徑問題，發(fā)現產品或者工藝設計中的錯誤，圖6為安裝支架的路徑設計示意圖。

    圖6 裝配路徑規(guī)劃

    （4）裝配過程仿真。

    動力支架總裝主要是支架與航天器艙段之間的螺栓連接，對螺栓、螺母安裝通路中是否有干涉進行仿真尤為關鍵，直接關系到裝配工藝路線的可行性。而且螺栓在安裝運動過程中與周邊結構的距離是個動態(tài)環(huán)境，需要分析過程中的干涉或者間隙情況，如圖7所示。可運用軟件中的干涉實時檢查演示功能，對裝配順序仿真過程進行干涉檢查，發(fā)現產品-資源之間存在的干涉情況，并以碰撞、產品名稱、矩陣三類顯示出干涉情況，幫助設計、工藝人員查找和分析干涉原因，如圖8所示。

    （5）人機工程分析。

    在仿真環(huán)境中，依據初始的裝配工藝流程，對動力支架的組件、成品和緊固件進行平移、旋轉、定位和裝配操作，并根據工作程序的復雜程度，引入三維人體模型進行人體操作的動態(tài)仿真分析，分析操作人員在該裝配過程中的可視性、可達性、姿態(tài)、負荷和舒適度等，驗證人體操作的可行性和合理性，從而為進一步優(yōu)化工藝流程，改進產品設計提供反饋信息。在裝配仿真的過程中，DELMIA可以實現產品與產品、產品與工裝的動畫表達，人與物體進行干涉檢查，當系統(tǒng)識別存在干涉情況時報警，演示動畫自動停止，并給出干涉區(qū)域和干涉量，以幫助仿真人員查找和分析干涉原因，如圖9、10所示。

    DELMIA擁有完善的人體工學數據庫并提供自定義途徑，可以根據裝配人員的具體人體參數如身高、體重和臂展等定義到人體模型，在模擬操作過程中，根據經驗公式計算每一個操作的人體可實現性，用三種不同顏色表達，如綠色表示在良好范圍內，黃色則較疲勞，紅色則實現難度大或者不可能。仿真人員可以通過軟件中的肢體調節(jié)功能完成動作的重新定義，直到滿足要求為止，如圖11所示。

    裝配工裝是航天器裝配過程中的一個重要設備，其合理性直接影響產品裝配過程的可行性，通過引入工裝等制造資源的三維實體模型，對產品和制造資源進行三維動態(tài)仿真，以發(fā)現產品與制造資源發(fā)生干涉或者產品工裝不符合人體工學的原因并進行改進，如圖12所示。

    圖11 人體疲勞性分析

（6）裝配過程評價。

    通過完成裝配模型創(chuàng)建、裝配順序規(guī)劃、工藝路徑規(guī)劃等步驟后，對仿真過程中不同裝配方案的干涉情況以及操作效率進行定性或者定量分析，對比預先設置的評價參數，對設計方案的合理性、裝配并行度、穩(wěn)定性、復雜性、成本和工藝性進行評價。評價若為通過，則進行結果輸出，評價若未通過，則將問題反饋進行修改或者報告。通過動力支架裝配仿真驗證記錄，發(fā)現需要改進的問題并提出如下解決措施。

    ①安裝部位空間狹小，施工性能差，部分螺栓需要無工具活動空間。解決措施：建議在安裝框腹板上開操作口，確保能實現操作。

    ②內部安裝螺栓數量較多，安裝過程中有螺栓頭干涉現象。解決措施：適當減少緊固件的數量。

    ③重量較大，操作人員肢體存在嚴重疲勞狀態(tài)，存在不安全因素。解決措施：安排兩人同時工作。

    ④安裝電纜在局部區(qū)域轉彎半徑不足。解決措施，改變電纜走向。

    ⑤產品裝配工裝經過人體工學分析，人體舒適性差。解決措施：對工裝進行優(yōu)化。

    （7）裝配過程記錄。

    通過運用裝配過程仿真，獲取一條切實可行性的裝配規(guī)劃后，利用軟件將整個可行的裝配過程記錄，并使用軟件中的“切換攝像機角度”、“顯示/隱藏”、“延遲”及“添加文本”等形成可以播放的影片或者電子書格式，用于指導現場操作人員進行飛行器裝配，實現可視化裝配，幫助操作人員直觀、形象地了解操作全過程，如圖13所示。

    圖13 裝配過程記錄修飾

    （8）仿真結果輸。

    完成裝配仿真后，對仿真結果進行整理，交付給設計或者工藝部門，主要包含以下幾項：①裝配模型的干涉檢查報告；②裝配過程仿真分析報告；③裝配順序、裝配路徑報報告；③裝配順序、裝配路徑報。

    四、仿真過程中的關鍵技術

    某航天器動力支架裝配仿真過程中的關鍵技術主要包括以下四個方面。

    （1）異構模型重用技術。

    由于動力支架包含不同供應商提供的數模，數據格式存在差異（如CATIA和Pro/ENGINEER），需要開展不同異構模型處理技術研究，解決部分零件供應單位使用不同CAD接口軟件與原理樣機總裝引起的數據不協(xié)調問題。

    （2）基于剛柔耦合等物理特性的虛擬裝配建模技術。

    動力支架由機械結構和電纜管路組成，柔性件與普通剛性零件仿真差異較大，需要研究電纜管路等柔性件特有建模方法，解決柔性件預裝配模型準確度不足，仿真效果實用性差的問題，突破柔性零件模型物理特性賦值技術。

    （3）基于知識工程（KBE）的虛擬裝配建模技術。

    航天器虛擬裝配建模工作量巨大，涉及成千上萬個零件、緊固件和工裝夾具等，如果每一種元件都重新建模將消耗大量時間。另外建模往往由不同單位的人員通過協(xié)同方式創(chuàng)建，經驗不盡相同，建立的模型可能千差萬別，不利于控制建模的質量，也不利于后續(xù)更改，極有可能造成質量隱患。需要研究基于知識工程的虛擬裝配建模技術，開發(fā)定制一整套包括緊固件、材料、電氣和工具等模型庫并集成到DELMIA中，實現規(guī)范有序的建模操作以及知識的快速重用，如圖14所示。

    圖14 模型庫

    （4）基于模型的定義技術（MBD）。

    基于模型的定義技術是當前制造業(yè)實現三維設計的優(yōu)選解決方案，用唯一的模型集成幾何、非幾何等所有涵蓋設計、加工和裝配等全部信息，統(tǒng)一產品壽命周期數據源。在虛擬裝配過程中，由于傳統(tǒng)的預裝配仿真模型只能看到產品的幾何信息，對于裝配技術條件、裝配精度等只能通過技術文件進行傳遞，容易造成信息的失真和不協(xié)調。需將產品的全部物理信息定制到模型中，保障了仿真分析結果的準確性和完整，如圖15所示。

    圖15 產品零件模型包含的信息

    五、結語

    本文就使用DELMIA在某飛行器動力支架裝配仿真的應用過程進行了簡要介紹并討論了其中的關鍵技術。本文以項目研制需求為牽引，以驗證和改善產品的可裝配性為目的，通過運用工藝過程規(guī)劃、動畫表達等手段，實現三維數字化預裝配仿真，對航天器三維數字化裝配仿真技術推廣和打造工業(yè)4.0模式下智能工廠生產線具有重要的參考價值。