基于DELMIA的飞机数字化装配仿真技术应用研究

张 鹏

（湖北交通职业技术学院汽车与航空学院，武汉430079）

航空制造工业是新时代高精尖技术应用的重点领域之一，其技术水平代表着一个国家的综合实力[1]。数字化装配仿真技术作为国内外飞机先进制造技术的研究热点之一，代表着目前和将来飞机装配技术的发展方向。新一代飞机对性能及寿命提出了更高的标准，市场对飞机的需求逐渐呈现出小批量、多品种的特点，且产品的交货周期不断缩短，传统的飞机制造装配技术已无法满足航空制造企业发展的新需求。目前，国外以波音、空客为代表飞机制造企业，已经从产品设计、工艺设计、工装设计、产品制造到飞机装配整个流程采用基于三维数字模型的设计方法。以B787、A380为代表的大型飞机装配中，采用数字量尺寸协调体系和装配设计技术，通过装配虚拟仿真技术实现装配过程的优化，大大缩短了研制周期，降低了研制成本，提高了飞机的装配质量[2]。

与国外相比，数字化装配仿真技术应用在国内航空制造企业起步较晚，随着我国航空工业先进制造技术突飞猛进的发展，成飞、西飞、沈飞、洪都、上飞均开始使用DELMIA进行装配工艺设计。例如，基于DELMIA建立三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真环境，为企业生产提供快速、准确的MBOM；驾驶舱设计人机工效分析数字化，进行驾驶员视域分析、颜色域分析、可达域分析、舒适性分析、关键姿势及主要动作设定等；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；验证人员及工具是否可达、装配操作空间是否具有开放性等问题。

本文基于DELMIA的应用内容、范围和流程，通过实例分析，开展飞机数字化装配仿真技术应用研究，提出了实现飞机装配过程的“最优”路径规划、装配干涉检查和装配可达性的解决方案，使虚拟装配仿真过程与实际生产场景中的运行过程相一致，其结果可用于提前规划飞机装配工艺过程，对现实生产装配具有一定的指导作用。

1 数字化装配仿真技术概述

数字化装配仿真技术是伴随着虚拟现实技术和人机工程仿真技术的快速发展而产生的，是现代制造技术的关键组成部分，它可帮助生产者在不需要造出产品实物或不依赖生产过程支持的情况下，通过计算机画出虚拟模型，实现数据的精准表达和可视化，做出直接与装配相关的生产决策。同时，虚拟装配也是基于产品、工艺、生产过程的数字化实体模型，通过计算机软件技术分析与验证产品的工艺过程、生产效率及装配性能，从而提高装配工艺流程的可靠性，展现装配过程的全生命周期[3]。因此，数字化装配仿真技术能够有效的帮助生产者实现装配过程工艺规划、干涉检查、可达性验证和预判解决装配过程中可能遇到的各项不稳定、不确定等影响因素，以此指导工业生产装配的各个环节。

DELMIA软件以基于物理的虚拟设计与制造简便、机器人应用仿真表现优异而闻名于世，并处于世界领先地位，目前广泛应用于航空工业产品设计、制造的各种场景，是一款具有强大功能的虚拟仿真软件。它的虚拟装配仿真功能，能成功的处理现实装配工作过程中预期效果难以获取的难题。DELMIA软件能极大的提升过程规划设计工作的效率，并提高仿真的精度和可靠性。通过DELMIA软件构图可快速准确的建构出各种应用环境下的工作单元，其自带的自动碰撞侦测功能可有效侦测风险并计算出多种避让路径。与此同时，该软件还能方便快捷的导入CAD数据，互换性较强。DELMIA软件对当前装配生产线的设计，基本都可提供出合适的解决方案[4]。

基于DELMIA的数字化装配仿真技术，通过虚拟现实技术和人机工程仿真技术，将工艺设计过程进行可视化，提高产品结构设计的一次成功率，避免了产品重大和颠覆性的错误；提高了装配工艺设计、装配工装设计一次正确率，避免了重大和颠覆性装配工艺设计、工装设计错误；能对产品的可视性、可达性、可维护性以及工人操作舒适性进行有效评估[5]。

2 基于DELMIA的数字化装配仿真技术实现路径

随着现代信息技术和虚拟现实技术的快速发展，基于DELMIA的数字化装配仿真技术在航空制造领域得到了迅猛发展。根据飞机各系统装配难易程度，在总装设计阶段、部装设计阶段和零组件装配阶段都可以使用基于DELMIA的数字化装配仿真技术，完成虚拟场景搭建、虚拟模型导入、虚拟装配操作与虚拟装配仿真等[6]。下面就其具体实现路径，从以下四个方面展开论述。

2.1 主要内容

应用DELMIA开展数字化装配工艺设计的内容主要包括产品工艺分离面划分、工艺分析/工艺设计/工艺需求等信息添加、连接件工艺模型建模及划分、AO项目确定、参装零件指派、装配仿真、人机工程仿真验证及优化等内容。

2.2 数据要求

采用CATIA通用数据格式，如*.CATPart、*.CATProduct、*.cgr、*.CATProcess等。

2.3 工作流程

使用DELMIA软件开展数字化装配工艺设计的主要工作有项目PPR结构树及子节点建立及工艺规划（IMBOM构建、工艺分析/工艺设计信息添加、零组件划分、AO项目建立、装配仿真验证、装配顺序查看及优化、人机工程仿真等），其基本流程如图1。

图1 数字化装配工艺设计工作流程

2.4 实现途径

（1）采用基于DELMIA的装配仿真技术，解决装配工艺设计过程的可视化，优化产品设计、装配工艺设计；

（2）采用基于DELMIA的装配仿真技术，实现产品与工装的装配运动过程的干涉仿真检查，提高工装设计的一次成功率；

（3）采用人机工程虚拟仿真技术，实现产品设计、工艺设计、工装设计过程中的可视性、可达性、可维护性、舒适性等检查，促进产品设计、工艺设计的优化。

3 某型机翼数字化装配仿真技术应用及结果分析

以某型飞机机翼油箱段铆接工艺数字化装配仿真技术应用为例，建立基于DELMIA虚拟仿真技术下的柔性装配生产线，设计出虚拟环境下的装配工艺方案，将所有涉及的设备、工具、零件以及铆接装配工艺进行仿真，根据其结果可验证装配工艺流程、装配可达性、装配效率、装配安全性的有效性，实现仿真技术指导真实生产[7]。

3.1 装配工作站虚拟现实场景建模

某型飞机机翼装配工作站区域为大小长30 m×宽7 m×高0.3 m的工作平台，工作站分四个工作站位，其中第一站、第三站为右机翼油箱段装配，第二站、第四站为左机翼油箱段装配，工作站装备两台工业机器人，按两个工作节拍，同时实现飞机机翼左右油箱和外段的装配工作。同时，装配工作站的空间内要容纳完整的工装夹具、控制柜、试刀台、零附件柜、导轨等设备，并在工作站两侧布置机器人的导轨和滑动平台。

在Catia的Mechanical Design机械设计环境的装配设计模块中创建一个产品数据文件，作为飞机机翼装配工作站基础平台的模型文件，工作站的平台、机器人导轨等模型，都要在该模块建模并装配。再选择AEC工厂/Plant Layout模块，创建飞机机翼装配工作站的工作区域，通过装配区域的确立，来合理安排布置装配工作站内的各种设备、工装、零部件等的位置。

3.2 六自由度工业机器人选型与建模

在本方案中建立以库卡KR8_R1420型机器人为主体，依据其三维模型，建立了运动副为6自由度的工业机器人DMU运动机构，每个运动副的旋转角度是从-360°～360°，因此需要根据机器人参数，限制机器人6个运动副的旋转角度以及旋转方向，如图2所示。DMU的六自由度运动学机构的建立步骤：（1）定义机器人运动机构模型；（2）创建运动机构；（3）添加各种对应的运动副；（4）添加固定的零部件；（5）根据需要添加辅助附属模型；（6）进行运动仿真验证；（7）定义相应的实体模型到对应的骨架；（8）进行相关分析。

图2 Inverse Kinematics功能选择和建立机器人

3.3 虚拟柔性装配线运行模式试验

（1）在DELMIA的Device Task Definition环境中，将机翼装配工作站的实体模型、六自由度机器人实体模型、柔性工艺装备实体模型、飞机机翼油箱和机翼外段模型载入到环境中。

将六自由度的机器人安装在工作站的滑动导轨上，建立机器人的安装位置，设置机器人的初始位置。该方案的运行模式是，两个工作节拍，每个工作节拍有两个工作位同时运行。两个生产节拍完成，飞机机翼的左右机翼油箱外段整体装配完成。装配生产线的虚拟模型和工业机器人模型的关系建立需要在DELMIA软件的Device Task Definition模块中完成。在Device Task Definition模块中，利用Activity Management工具，可以导入装配生产线的虚拟模型和工业机器人模型，如图3所示。

图3 虚拟工业机器人飞机机翼外段装配生产线

建立虚拟工业机器人飞机机翼装配生产线后，首先，确立机器人在各站位的合理站位点，确立在站位点上，工作空间内工业机器人的可达性，检查干涉碰撞，机器人运行路径的规划，并最终输出工业机器人飞机机翼装配生产线的全部虚拟仿真结果。将机器人加载到装配线的站位上，检查机器人与站位的空间关系，保证整个工位在机器人的工作半径之内，如图4所示。同时规划好Check检查体区域，根据机器人运动到各点时与工装之间的空间位置关系，进行机器人与设备、工装、附件的干涩检查，保证机器人在安全区域工作，保证机器人加工路径的安全合理高效。

图4 工业机器人的工作空间检查

通过Device Task Definition模块中的 Teach示教功能，能对机器人到达各点的姿态获得8个逆解。机器人运动点的运动学逆解在Jog对话框中的Cartesian窗口中可看到，Jog对这些逆解会同时进行奇异性分析，并标明其Status状态，其中会有两个Good点，也就是恰当的逆解，选择这个逆解后，在Teach窗口中选择Modify按钮，这个恰当逆解就会变成机器人在这点的姿态，如图5所示。

图5 Teach示教功能的机器人运动学的恰当逆解获得

防碰撞检测的目的是分析装配过程和周围环境可出现的碰撞问题。干涉检测是分析机器人在装配过程中有可能出现的奇异性及速度加速度等超限问题。这是保证机器人能正常工作的必要条件。利用DELMIAI中Device Task Definition的标准自动碰撞监测功能，可以让用户生成多个碰撞和接近队列来避免碰撞，而且可通过自动路径规划器来生成避碰机器人轨迹。可利用也可检测机器人速度和加速度超限问题，效率高，准确度好，解决了实际工作中的难题，使机器人碰撞问题在设计过程中得到有效的解决。

双机器人协同工作，在装配线的4个工位上，在机翼油箱装配的工作站位中，两台机器人同时工作，首先机器人在第一和第二站位上工作，完成机翼整体油箱段的铆装装配，然后，两台机器人分别行走到第三和第四站位上工作，完成机翼外段装配。两台机器人，两个生产节拍，同时完成两段机翼的钻铆装配，如图6所示。

图6 工业机器人飞机机翼柔性装配生产线

3.4 装配仿真结果分析

通过仿真分析，装配生产线布局得到优化，避免了装配过程中的干涉碰撞可能性，并实现装配过程的准确可达。根据对装配生产线开展DELMIA软件仿真分析的结果表明，该型机翼柔性装配站布局合理，能较好适应机翼部装及总装，对柔性工装、工业机器人、机翼部附件、其他设备容纳性较好，未来在适应飞机整体的装配需求领域，仍可以有较大的扩展空间，装配生产线的布局可根据生产需要和产品类型不断调整优化。运行数据资料统计得出：对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%，大大提高飞机装配质量，极大限度满足客户要求。

4 总结

数字化制造技术是随着基于MBD技术的产品设计技术日益成熟而发展和成熟起来的，其中数字化装配仿真技术能有效解决复杂装配工艺，并可实现装配过程优化，应用前景十分广阔。本文以机翼油箱段为例，通过建立装配生产线的三维模型并DELMIA环境中开展分析，对机翼柔性装配生产线的装配路径规划、装配干涉碰撞检查、装配可达性进行规划和验证，为实施基于飞机机翼柔性装配工艺优化给出了实现路径。