使用DELMIA在飞机中机身上部装配工艺仿真运用

DELMIA飞机中机身上部装配工艺仿真 激光跟踪仪在飞机装配中的运用

专业综合实训 （现代飞机装配部分）

实 验 报 告

使用DELMIA在飞机中机身上部装配工艺仿真运用

目 录

第一章 飞机中机身上部装配工艺仿真 .................................. 1 1 飞机装配仿真技术 ................................................. 1 2飞机装配工艺仿真软件 .............................................. 2 3 飞机机身结构及零件分析 ........................................... 3

3.1机身总装图 .................................................. 3 3.2机身典型零件 ................................................ 3 4 飞机机身结构件装配顺序的规划 ..................................... 5

4.1工艺分离面和设计分离面 ...................................... 5 4.2装配基准的选择 .............................................. 6 4.3工装设备的选用 .............................................. 7 5飞机上半机身装配方案及DELMIA仿真 ................................. 8

5.1装配仿真流程 ................................................ 8 5.2装配序列规划 ................................................ 8 5.3装配路径规划 ................................................ 9 5.4装配工艺仿真过程 ........................................... 10 5.5装配干涉检查 ............................................... 12

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第一章 飞机中机身上部装配工艺仿真

1 飞机装配仿真技术

在现代制造企业的生产流程中，工艺设计工作贯穿于整个制造流程当中，是生产技术准备工作的第一步。工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产品结构、工艺装备、生产技术水平等，而且还要受到工艺人员实际经验和生产管理体制的制约，其中的任何一个因素发生变化，都可能导致工艺方案的变化。工艺总方案、工艺路线规划和工艺规程是指导工装制造和零件装配的主要依据，它们对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直接影响，因此工艺设计是整个生产流程中的关键性工作。

以往装配工艺的设计工作主要是依赖工艺人员个人的技术水平和经验，工艺人员根据产品图纸、工艺标准、工装、设备等，所做的工艺设计在车间实际生产（式制）时，还要不断更改，不能保证其装配工艺设计的合理性、适用性。而大型飞机由于尺寸大，零件数量多，结构复杂，协调部位多，装配工艺设计不可避免地存在问题。但装配工艺设计中隐藏的错误难以在设计过程中被发现，装配工艺的优化基本上是凭工艺员的经验，工艺设计中存在的问题往往要在产品实际装配过程中才被发现 , 因此装配工艺设计的错误带来了产品、周期、人力和费用的损失。 要检验装配工艺设计是否可行，过去也只有靠实际生产检验工艺方案，不断更改直到生产定型，一般成本比较高、周期比较长。随着现代计算机技术的发展，飞机设计已采用三维数字化技术。飞机的每个零件在计算机中按1∶1比例，以立体形式表现，这为随之而来的装配过程仿真技术奠定了基础。

由于大飞机结构零件数量多，装配关系极其复杂，又需要有大量的制造资源支持，致使装配工艺设计难度很大，仅凭工艺工程师的个人经验，在数字化装配工艺过程设计中难免会有各种工艺设计错误或工艺设计不合理的情况，如果这些错误在产品实际装配过程才发现的话，就会造成大量的产品、资源返工和工艺修改，甚至整个工艺布局和装配流程的调整，给制造周期、生产成本等都将带来不可估量的损失。所以三维数字化装配过程仿真是产品实物在实施装配以前对装配工艺进行验证的最佳方法，它时间短、费用低等多优点。

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2飞机装配工艺仿真软件

DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）是一款数字化企业的互动制造应用软件。是一款由法国达索系统公司(Dassault System)开发的软件。DELMIA在国内外广泛应用于航空航天、汽车、造船等制造业支柱行业

DELMIA涵盖飞机设计、制造及维护过程中的所有工艺设计，使用户能够利用3D设计模型即可完成产品工艺的设计与验证。DELMIA数字制造解决方案建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型(PPR)上，可以在整个产品研发过程中持续不断的进行产品的工艺编制与验证。同时，可以实现与CATIA、ENOVIA、SMARTEAM、LMS等系统的无缝集成，有效的利用已经设计好的数据，并且可以使制造业的专业知识能被提取出来，让最佳的产业经验得以重复利用。使用DELMIA产品，可以得到生产效率、安全性及质量方面的最大效益，同时降低成本。

DELMIA中的DPM(Digital Process Manufacturing)（数字制造工艺）工艺细节规划和验证应用环境，将 DPE 产生的结构和图表结合生产制造规则形成 3维虚拟制造环境，以实际产品的 3D（或 DMU）模型，构造 3D 工艺过程，分析产品的可制性、可达性、可拆卸性和可维护性，实现 3D 产品数据与 3D 工艺数据的同步的、真正的并行工程环境。主要模块有 ELMIA DPM Assembly、DELMIA DPM Envision Assembly、DELMIA BIW、DELMIA Powertrain。

图2-1 DELMIA软件仿真模块 使用DELMIA在飞机中机身上部装配工艺仿真运用

3 飞机机身结构及零件分析

3.1机身总装图

某型号飞机机身上半筒形件的总装配图如图3-1所示，其主要由三块蒙皮，若干的长桁，隔框和其他连接零件组成。

蒙皮 隔框 长桁

图3-1 机身总装配图

3.2机身典型零件

1、蒙皮

机身蒙皮在构造上的功用是构成机身的气动外形，并保持表面光滑，它承受局部空气动力，在增压密封座舱部位的蒙皮将承受内压载荷，蒙皮将其传递给机身骨架。

在本机身中蒙皮分为三块，分为机身上部分蒙皮，左侧蒙皮，右侧蒙皮，蒙皮的草图如图3-2所示，蒙皮厚度为3mm，蒙皮的曲率半径为1500mm，长度为5000mm。

图3-2 蒙皮（上部分及侧面部分）结构草图

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2、长桁

长桁作为机身结构的纵向构件，在桁条式机身中主要用来承受机身弯曲引起的轴向力。另外长桁对蒙皮有支持作用，它提高了蒙皮的受压、受剪失稳临界应力；其次它承受部分作用在机身蒙皮上的气动力并传给隔框。

长飞机上长桁的截面形状有“L”型、“Z”型、“J”型和“T”型等，本次采用的结构为L型，长桁的结构草图及截面尺寸见下图3-3，3-4。

图3-3长桁结构草图

图3-4 长桁截面图

3、隔框

隔框分为普通框和加强框。普通框主要用于维持机身的截面形状，承受蒙皮的局部载荷。对蒙皮和长桁起支持作用。普通框一般为环形钣金件。加强框除上述作用外，其主要功用是将装载的质量力和其他部件（如机翼和尾翼等）上的载荷，经连接接头

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传递到机身结构上将集中力加以分散。隔框的结构草图见下图3-5所示。

图3-5 隔框结构草图（左）及截面（右）

4 飞机机身结构件装配顺序的规划

4.1工艺分离面和设计分离面

对飞机结构来说，根据使用、运输、维护等方面的需要将整架飞机在结构上进行划分多个部件、段件和组件；根据飞机结构的特点，及工艺分离面将其分为上右壁板、上壁板、上右壁板和隔框。这些部件、段件和组件之间一般采用可拆卸的连接，这样所形成的可拆卸的分离面就是设计分离面。

即使飞机被划分成多个部件，这样的部件还是十分复杂的，由于部件的划分是按照功能、实用等划分的，因此在部件装配的时候还需要将部件进一步划分从而形成更小的板件、段件、组合件等等；这些组合件在装配时一般采用不可拆卸的连接，他们之间的分离面称为工艺分离面。

合理的划分工艺分离面，也就是合理地对部件进行剖分，对制造是极有好处的。增加了平行装配工作面，提高了装配工作的机械化和自动化；改善了装配工作的开放性，有利于提高产品的装配质量。

根据机身的结构特点，在装配过程中需要将机身分为多个部分，工艺分离面必不可少，因此在这里我们将机身上半段分为以下几个部分，上右壁板，上壁板，上左壁板，隔框，其中的接触面为工艺分离面，图4-1为装配各部分分离工装设计。

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图4-1 装配各部分分离工装设计

4.2装配基准的选择

1、以骨架表面为装配基准装配时的准确度

以骨架表面为装配基准装配时，外形误差主要由骨架零件外形误差、骨架装配误差、蒙皮厚度误差、蒙皮与骨架贴合间隙及装配变形组成。产品的装配准确度主要取决于骨架外形准确度（包括零件制造和骨架装配的准确度），误差积累为“由内向外”，误差积累的最终结果都反映到部件的蒙皮外形上。

2、以蒙皮为装配基准装配时的准确度

采用以蒙皮外表面为装配基准时，外形误差主要由卡板外形误差、蒙皮与卡板贴合间隙及装配变形组成。产品的外形准确度主要取决于型架制造准确度和装配连接的变形。误差积累为“由外向内”，所积累的误差在骨架内部装配时可用补偿件进行消除。其装配的误差尺寸链方程。

1-桁条；2-撑杆；3-卡板； 4-蒙皮；5-翼肋 图4-2 以蒙皮外形为装配基准

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3、以工艺孔为装配基准装配时的准确度

以工艺孔为装配基准的准确度其装配过程是：蒙皮与部分骨架零件先装成板件，而部件骨架按定位孔在型架中定位装配，型架上不用卡板，然后蒙皮板件按装配孔在部件骨架上定位并连接，最后形成部件外形。以工艺孔为装配基准的准确度主要取决于工艺孔的协调制造方法，以及定位时孔销的配合精度。

无论是以哪一种方法作为基准，选择定位基准和装配基准都应遵循四个原则：  装配定位基准与设计基准统一原则  装配定位基准与零件加工基准统一原则  装配基准与定位基准重合原则  基准不变原则

因此根据上半部分机身特点，在装配的过程中，采用以蒙皮外形基准为装配基准的方法，进行装配。

4.3工装设备的选用

在装配的过程中，采用了以蒙皮外形为基准的方法进行装配，因此需要有一定的工装设备对蒙皮进行固定，以保证装配时的精度，这就是装配型架。

装配型架的功用是：保证进入装配型架装配的低刚度飞机零件、装配件能准确、迅速地定位、夹紧，保证其有正确的几何开关和位置，并限制它在连接装配过程中的变形，使装配后装配件的几何形状和尺寸在规定的公差范围内，以满足产品的制造准确度和协调准确度要求，从而达到产品的装配协调和互换。

图4-3 装配型架

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5飞机上半机身装配方案及DELMIA仿真

5.1装配仿真流程

在上部分中，对飞机装配工艺进行了分析与讨论，深入研究了飞机装配结构的划分、定位方法、装配基准、协调方法和工装设计等方面。本小节将结合飞机装配工艺及装配过程，应用DELMIA 系统仿真飞机装配，仿真流程如图如5-1 所示。以数字化模型代替实体在 DELMIA 环境下进行飞机装配过程的仿真，确保产品的可装配性，并合理规划及布置装配资源。飞机装配仿真流程分析如下：

图5-1 飞机装配仿真流程

5.2装配序列规划

产品装配序列规划(Assembly Sequence Planning，ASP)是产品装配过程中零部件装配序列的指令，产品中零件之间的几何关系、物理结构及功能决定了产品的装配序列。产品装配序列规划是飞机装配仿真的关键环节。装配同一产品可以采用不同的装配顺序，这些不同的装配顺序形成了不同的装配序列 按照某些装配序列，可以较顺利地组织装配，最终达到设计要求；而有些装配序列的采用， 由于各种原因， 却不能达到指定的装配目标。装配序列的优劣直接影响到产品的可装配性、装配成本、装配质量。

图5-2 上半筒形状 使用DELMIA在飞机中机身上部装配工艺仿真运用

飞机机身上班筒形件结构如图5-2所示，按照之前对工艺分离面的设计，可以将装配按照组件的识别与划分和拆卸法，对该型号机身进行装配序列规划。该机身要完成的装配任务为：首先是壁板级的装配，即将蒙皮、长桁、剪切角片组装成上、上左、上右三块壁板；其次是壁板间的装配，即将上、上左、上右三块壁板和框组装成总壁板。

图5-3 机身上半筒形件装配层次关系

在对该型号机身进行装配序列规划时，首先进行组件识别，即将机身分为上壁板、上左壁板、上右壁板和框4组组件，如图5-3所示，第二，在已识别出的组件再次进行组件识别，即组件内的组件识别，即将壁板分为蒙皮、长桁、剪切角片，以上壁板来讲，有1块蒙皮，9根长桁，以及角片。

组件识别完成后，在DELMIA中用基于“可拆即可装”原理的拆卸法，交互式生成装配顺序。壁板的拆卸顺序为角片→9根长桁→蒙皮；机身拆卸顺序为上壁板→上左壁板→上右壁板→框。拆卸完成后，将拆卸顺序逆转综合即得飞机机身产品装配序列。

5.3装配路径规划

装配路径是指从被安装零部件存放的位置，直到零件被装配到装配体上形成产品所行走的空间轨迹。装配路径规划就是寻找一条装配零件从装配初始点（装配操作前的位置）到装配目标点（产品最终的装配位置）的空间运动路径，当零件沿此路径装配时不会与环境中其他物体（包括设备、工夹具、人和已装配零件等）发生碰撞。路径规划通常只考虑工作空间中的几何信息，生成结果是针对每一个具体零部件的无碰撞的几何路径。装配路径可以是直线、二维、三维曲线或折线。

在仿真中我们主采用DELMIA中基于“可装即可拆”思想的装配路径规划原理。

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按照这种方法，对机身上半筒形件的拆卸顺序为上壁板→上左壁板→上右壁板→框，其PERT图如图5-4所示：

图5-4 机身上半筒形件的拆卸顺序

5.4装配工艺仿真过程

配过程仿真主要的内容有：（1）装配顺序和装配路径仿真。在虚拟装配仿真环境中动态直观地显示其装配序列、路径和方法等。通过视觉观察, 可实时发现装配过程中各种明显的工人、工具、工件、产品、工装和其他环境元素间的空间干涉和碰撞情况, 以便及时调整,得到较为合理的装配顺序和最佳装配路径。（2）干涉检查和分析。通过对仿真过程的视觉观察可以发现其中明显的工艺结构性问题, 但是对于一些细节问题, 如工件与产品间不存在干涉, 但与产品某表面已接触或间隙不合乎工艺要求的问题, 仍需对其进一步定量化计算和详细分析。为此, 利用 DELMIA系统所提供的整体干涉检查、可拆卸性检查、约束分析、自由度分析和精度分析等各种分析工具, 直观或定量化地考察工件装配的约束状态、细节定义以及空间准确度等问题。其中, 干涉检测分为静态、动态和运动等 3 类方式, 利用这些方式对装配路径上的障碍实施自动鉴别, 如通过计算工件的运动包络体并判断该包络体与环境元素间是否相交来确定工件在装卸中有无干涉问题等。若发现动态干涉现象, 系统采用线框提示或自动停止模拟过程。(3)人机工程仿真。考察工艺中影响工人作业的空间开敞性、姿态舒适性和劳动强度等诸多因素在现在和未来工艺评估和优化中越发需要得到人们的重视。DELMIA 系统中的“人机工程”子系统即是用来完成此项工作的，利用数字化环境中的任务仿真及分析工具, 指定工人在完成某个装配操作过程中的作业行为、行走路线和工作负荷, 对各种典型作业姿态和装配行为进行模拟及定性定量分析, 并在此基础上准确地评估工艺和工装的人机性能及工人的劳动生产率。

装配中的过程及操作见图5-5，5-6，5-7所示

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图5-5 中机身上半段装配前状态

在路径规划的过程中，需要通过罗盘的操作将上壁板的拆装路径表示出来，即插入动作，如图为拆卸过程的路径规划，其过程见图5-6所示：

图5-6 路径规划过程操作

在完成所有路径仿真规划后，最终的装配图如5-7所示：

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图5-7 仿真装配后的状态（含路径）

5.5装配干涉检查

DELMIA 的强大功能提供了装配路径仿真试拆卸中所需要的实时碰撞干涉检查功能，利用其本身具有的功能来进行动态干涉检查，方便在路径规划同时进行干涉检测。

在 DELMIA 中进行虚拟装配仿真时，干涉主要有以下几种： 1. 由于装配序列规划不合理产生的干涉

在飞机装配仿真过程中，若装配序列选择不合理，极易导致装配干涉。这种情况下，应重新回到装配序列规划步骤，调整产品装配序列，以消除干涉。

2. 由于装配路径规划不便产生的干涉

飞机产品结构和装配环境复杂，装配精度要求高，若装配路径规划的不合理，易导致零部件在运动过程中发生干涉。这是由于装配路径上存在其他物体导致零件运动过程中与其他装配件形成干涉，可以对装配路径重新规划，通过调整装配路径的办法解决干涉。

3. 将拆卸路径求逆，生成装配路径时产生的干涉

本文在 DELMIA 中生成装配路径时，是基于“可装即可拆”思想，将拆卸路径“反演”得到。所以，在完成装配体的所有零部件路径规划后，必须针对产品的整体装配路径进行检验，以避免在拆卸时不会出现干涉而在装配时出现干涉的情况。某些零部件在拆卸时，并不出现拆卸路径上而产生干涉碰撞，而在装配时，由于装配序列与拆卸完全颠倒，就可能存在先装配（后拆卸）的零部件出现在后续装配零部件路径上，

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从而出现干涉碰撞。所以必须在路径规划完成后进行统一干涉检查。

在DELMIA中，可以使用干涉命令检测到，本次在装配的路径上规划的较为简单，因此不存在干涉的过程。DELMIA的干涉工具条使用见下图5-8所示

图5-8 DELMIA干涉工具条

干涉检验在产品和工艺设计的有效性检验中起到了重要的作用，DELMIA作为全球领先的数字化制造软件为用户提供了静态和动态两种干涉检验。本文分析了静态和动态干涉检验的含义，介绍了DELMIA中静态干涉和静态干涉的用法，并给出了应用实例

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6 仿真结果分析

通过仿真中后机身装配过程，并通过干涉碰撞检测与装配可达性检查，可以很直观地观察到装配序列规划与路径规划是否合理；另外，中后机身装配仿真验证了第三章里所分析和制定的该型号飞机中后机身装配工艺方案的合理性，通过仿真可以了解到先进装配技术的部分优点如下

 机身框的分段按壁板分块，壁板装配的开敞性好，自动化程度高；  定位基准及方法大量采用工艺孔及自定位技术，极大地简化了工装结构的复

杂性；

 在各个工位上的手工预装配及自动化装配共用一副工装，避免二次定位误差。 同时DPM能真实反映产品从零件到装配到工位到流水线到工厂的生产过程，直观分析产品的可制性、可达性、可拆卸性和可维护性。在计算机数字环境中随意调整加工工艺，配置加工设备，规划资源，使得企业“硬”设备得到合理利用。