一、引言

    隨著基于MBD（Model-Based Definition）的三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)被廣泛運(yùn)用，飛行器三維協(xié)同裝配設(shè)計(jì)、規(guī)劃成為可能。DELMIA（DigitalEnterpriseLeanManufacturingInteractiveApplication）是達(dá)索公司研制的面向制造過程、維護(hù)過程和人機(jī)工程的數(shù)字化制造平臺(tái)，提供了定義、模擬和分析制造過程的各項(xiàng)功能，應(yīng)用涵蓋了汽車制造、航天航空器設(shè)計(jì)制造和船舶制造等諸多工業(yè)領(lǐng)域?；贒ELMIA的三維設(shè)計(jì)繼承了三維模型數(shù)據(jù)的直觀、易懂的優(yōu)勢，同時(shí)又使設(shè)計(jì)、工藝人員能看到產(chǎn)品裝配工藝的過程，通過對仿真過程進(jìn)行分析和交互反饋，縮短設(shè)計(jì)周期、確保產(chǎn)品方案裝配的可行性。波音公司的787飛機(jī)已經(jīng)完全采用航空制造業(yè)的數(shù)字化三維裝配解決方案,實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的三維虛擬裝配仿真和驗(yàn)證,極大地減少了設(shè)計(jì)變更,縮短了工藝規(guī)劃時(shí)間,提高了產(chǎn)量并降低了生產(chǎn)成本。三維數(shù)字化裝配仿真設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的以二維裝配工藝設(shè)計(jì)向三維數(shù)字化過程仿真、無紙化制造的革命性突破，是打造數(shù)字化生產(chǎn)線的重要環(huán)節(jié)。

    二、總體思路

    1.基本原理

    位置變換技術(shù)是定義動(dòng)力支架裝配仿真路徑規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù)。動(dòng)力支架組件坐標(biāo)平移變換。設(shè)待移動(dòng)組件的初始坐標(biāo)為(x，y，z)，經(jīng)過(a，b，c)距離的平移后，終點(diǎn)坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，則組件的位置變換矩陣為：

    動(dòng)力支架組件坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換。設(shè)組件的初始坐標(biāo)為(x1，y1，z1)，分別繞x，y和z軸旋轉(zhuǎn)θ角度后，終點(diǎn)坐標(biāo)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(shù)路線

    本文以某航天器前艙動(dòng)力支架組件總裝過程為研究對象，在對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析的前提下，在現(xiàn)有制造能力(車間、設(shè)備、工藝方法、標(biāo)準(zhǔn)和人力)的基礎(chǔ)上，建立某航天器前艙（含動(dòng)力支架）產(chǎn)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(shù)字化預(yù)裝配環(huán)境中，使用DELMIA軟件，根據(jù)工藝流程在軟件中完成零件、組件和成品等數(shù)模上架、定位、裝夾和裝配等工序的虛擬操作，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性，并用原理樣機(jī)產(chǎn)品實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，技術(shù)路線如圖1所示。

    圖1 某產(chǎn)品三維虛擬裝配設(shè)計(jì)技術(shù)路線

    三、仿真研究

    1.產(chǎn)品裝配特點(diǎn)分析

    某航天器前艙動(dòng)力支架組件結(jié)構(gòu)是儀器安裝重要結(jié)構(gòu)件之一（圖2），安裝在航天器前艙結(jié)構(gòu)框架上，用于維持姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝剛度，承擔(dān)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(diǎn)。

    （1）產(chǎn)品零件較多，且部分?jǐn)?shù)模格式異構(gòu)，需要建立匹配的裝配模型。

    （2）界面復(fù)雜，安裝支架不僅有螺栓連接的機(jī)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(shè)計(jì)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(jìn)行人機(jī)工程分析。

    （4）產(chǎn)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(chǎn)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(gè)方面，一方面是產(chǎn)品模型，產(chǎn)品模型應(yīng)嚴(yán)格按照實(shí)際幾何關(guān)系和裝配關(guān)系創(chuàng)建，具有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的需要定義機(jī)構(gòu)電子樣機(jī)，以保證對運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行仿真的準(zhǔn)確性，在定義產(chǎn)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(gòu)模型，需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換；第二方面是資源模型，針對產(chǎn)品裝配過程實(shí)際需要使用的工人、工裝、托架、氣鉆和扳手等，資源模型應(yīng)單獨(dú)建立集成的模型資源庫，供不同產(chǎn)品裝配調(diào)用，圖3為氣鉆模型；第三方面是環(huán)境模型，應(yīng)根據(jù)裝配廠房的實(shí)際布局情況，建立廠房吊車，桁架、過道等模型，以布局產(chǎn)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(chǎn)品、廠房環(huán)境，資源（工裝、人、工具和設(shè)備）等數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DELMIADPE設(shè)計(jì)平臺(tái)后，進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)初步的產(chǎn)品裝配方案，構(gòu)建詳細(xì)裝配工藝序列樹，進(jìn)行工藝序列節(jié)點(diǎn)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(guān)系進(jìn)行順序更改，以實(shí)現(xiàn)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(jīng)創(chuàng)建好的裝配環(huán)境和工藝節(jié)點(diǎn)上，通過對安裝支架組件裝配過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真，設(shè)計(jì)合理的裝配路徑，在實(shí)物裝配前發(fā)現(xiàn)裝配路徑問題，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品或者工藝設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤，圖6為安裝支架的路徑設(shè)計(jì)示意圖。

    圖6 裝配路徑規(guī)劃

    （4）裝配過程仿真。

    動(dòng)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(jìn)行仿真尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系到裝配工藝路線的可行性。而且螺栓在安裝運(yùn)動(dòng)過程中與周邊結(jié)構(gòu)的距離是個(gè)動(dòng)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?？蛇\(yùn)用軟件中的干涉實(shí)時(shí)檢查演示功能，對裝配順序仿真過程進(jìn)行干涉檢查，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品-資源之間存在的干涉情況，并以碰撞、產(chǎn)品名稱、矩陣三類顯示出干涉情況，幫助設(shè)計(jì)、工藝人員查找和分析干涉原因，如圖8所示。

    （5）人機(jī)工程分析。

    在仿真環(huán)境中，依據(jù)初始的裝配工藝流程，對動(dòng)力支架的組件、成品和緊固件進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)、定位和裝配操作，并根據(jù)工作程序的復(fù)雜程度，引入三維人體模型進(jìn)行人體操作的動(dòng)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(dá)性、姿態(tài)、負(fù)荷和舒適度等，驗(yàn)證人體操作的可行性和合理性，從而為進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供反饋信息。在裝配仿真的過程中，DELMIA可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品與產(chǎn)品、產(chǎn)品與工裝的動(dòng)畫表達(dá)，人與物體進(jìn)行干涉檢查，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別存在干涉情況時(shí)報(bào)警，演示動(dòng)畫自動(dòng)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(xué)數(shù)據(jù)庫并提供自定義途徑，可以根據(jù)裝配人員的具體人體參數(shù)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(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算每一個(gè)操作的人體可實(shí)現(xiàn)性，用三種不同顏色表達(dá)，如綠色表示在良好范圍內(nèi)，黃色則較疲勞，紅色則實(shí)現(xiàn)難度大或者不可能。仿真人員可以通過軟件中的肢體調(diào)節(jié)功能完成動(dòng)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(gè)重要設(shè)備，其合理性直接影響產(chǎn)品裝配過程的可行性，通過引入工裝等制造資源的三維實(shí)體模型，對產(chǎn)品和制造資源進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真，以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品與制造資源發(fā)生干涉或者產(chǎn)品工裝不符合人體工學(xué)的原因并進(jìn)行改進(jìn)，如圖12所示。

    圖11 人體疲勞性分析

（6）裝配過程評(píng)價(jià)。

    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(jìn)行定性或者定量分析，對比預(yù)先設(shè)置的評(píng)價(jià)參數(shù)，對設(shè)計(jì)方案的合理性、裝配并行度、穩(wěn)定性、復(fù)雜性、成本和工藝性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)若為通過，則進(jìn)行結(jié)果輸出，評(píng)價(jià)若未通過，則將問題反饋進(jìn)行修改或者報(bào)告。通過動(dòng)力支架裝配仿真驗(yàn)證記錄，發(fā)現(xiàn)需要改進(jìn)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(dòng)空間。解決措施：建議在安裝框腹板上開操作口，確保能實(shí)現(xiàn)操作。

    ②內(nèi)部安裝螺栓數(shù)量較多，安裝過程中有螺栓頭干涉現(xiàn)象。解決措施：適當(dāng)減少緊固件的數(shù)量。

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

    ④安裝電纜在局部區(qū)域轉(zhuǎn)彎半徑不足。解決措施，改變電纜走向。

    ⑤產(chǎn)品裝配工裝經(jīng)過人體工學(xué)分析，人體舒適性差。解決措施：對工裝進(jìn)行優(yōu)化。

    （7）裝配過程記錄。

    通過運(yùn)用裝配過程仿真，獲取一條切實(shí)可行性的裝配規(guī)劃后，利用軟件將整個(gè)可行的裝配過程記錄，并使用軟件中的“切換攝像機(jī)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(dǎo)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行飛行器裝配，實(shí)現(xiàn)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(jié)果輸。

    完成裝配仿真后，對仿真結(jié)果進(jìn)行整理，交付給設(shè)計(jì)或者工藝部門，主要包含以下幾項(xiàng)：①裝配模型的干涉檢查報(bào)告；②裝配過程仿真分析報(bào)告；③裝配順序、裝配路徑報(bào)報(bào)告；③裝配順序、裝配路徑報(bào)。

    四、仿真過程中的關(guān)鍵技術(shù)

    某航天器動(dòng)力支架裝配仿真過程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下四個(gè)方面。

    （1）異構(gòu)模型重用技術(shù)。

    由于動(dòng)力支架包含不同供應(yīng)商提供的數(shù)模，數(shù)據(jù)格式存在差異（如CATIA和Pro/ENGINEER），需要開展不同異構(gòu)模型處理技術(shù)研究，解決部分零件供應(yīng)單位使用不同CAD接口軟件與原理樣機(jī)總裝引起的數(shù)據(jù)不協(xié)調(diào)問題。

    （2）基于剛?cè)狁詈系任锢硖匦缘奶摂M裝配建模技術(shù)。

    動(dòng)力支架由機(jī)械結(jié)構(gòu)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(yù)裝配模型準(zhǔn)確度不足，仿真效果實(shí)用性差的問題，突破柔性零件模型物理特性賦值技術(shù)。

    （3）基于知識(shí)工程（KBE）的虛擬裝配建模技術(shù)。

    航天器虛擬裝配建模工作量巨大，涉及成千上萬個(gè)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(shí)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(jīng)驗(yàn)不盡相同，建立的模型可能千差萬別，不利于控制建模的質(zhì)量，也不利于后續(xù)更改，極有可能造成質(zhì)量隱患。需要研究基于知識(shí)工程的虛擬裝配建模技術(shù)，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(shí)現(xiàn)規(guī)范有序的建模操作以及知識(shí)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(shù)（MBD）。

    基于模型的定義技術(shù)是當(dāng)前制造業(yè)實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、加工和裝配等全部信息，統(tǒng)一產(chǎn)品壽命周期數(shù)據(jù)源。在虛擬裝配過程中，由于傳統(tǒng)的預(yù)裝配仿真模型只能看到產(chǎn)品的幾何信息，對于裝配技術(shù)條件、裝配精度等只能通過技術(shù)文件進(jìn)行傳遞，容易造成信息的失真和不協(xié)調(diào)。需將產(chǎn)品的全部物理信息定制到模型中，保障了仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和完整，如圖15所示。

    圖15 產(chǎn)品零件模型包含的信息

    五、結(jié)語

    本文就使用DELMIA在某飛行器動(dòng)力支架裝配仿真的應(yīng)用過程進(jìn)行了簡要介紹并討論了其中的關(guān)鍵技術(shù)。本文以項(xiàng)目研制需求為牽引，以驗(yàn)證和改善產(chǎn)品的可裝配性為目的，通過運(yùn)用工藝過程規(guī)劃、動(dòng)畫表達(dá)等手段，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化預(yù)裝配仿真，對航天器三維數(shù)字化裝配仿真技術(shù)推廣和打造工業(yè)4.0模式下智能工廠生產(chǎn)線具有重要的參考價(jià)值。