浅析机械系统数字化装配仿真技术的应用

【摘 要】本文主要比较了传统装配方法与数字化装配技术的特点，着重介绍了数字化装配工艺设计、优化与装配过程仿真方法。在数字化装配工艺设计过程中，主要利用计算机图形学技术构建真实的物理装配环境，然后引入机械装配环境中的人/机器人、装配设备、装配工具等装配环境信息，对装配过程进行实时分析，并通过修改完善工艺设计方案，最终形成最优的装配方案。

【关键词】数字化 工艺设计 装配仿真

数字化装配仿真技术在产品的设计阶段，实现虚拟产品的预装配，验证和改进产品的装配工艺过程，生动直观地展示产品的可装配性，从而提高产品的装配效率，减少装配时间和费用。数字化技术的应用从根本上改变了传统的飞机设计和制造方式，大大地提高了设计水平，最大限度地避免了设计漏洞和缺陷，减少了返修率。近年来，国外飞机数字化装配技术的研究主要集中在装配分析与仿真、装配数据管理、装配工装夹具设计制造以及自动化装配等方面。装配过程仿真与优化技术的使用使波音、 空客取得了显著的效益，比如空客典型部件的装配周期缩短了60%，装配工艺的设计周期缩短了30%～50%，装配成本却减少了近20%～30%。

一、传统装配设计存在的问题

（一）装配工艺设计仍然停留在二维方式

传统的工艺设计是由设计人员在头脑中想象出三维装配空间，以及设计装配顺序，然后再用二维的方式描述出来。传统的工艺设计质量主要取决于工艺设计人员的高超的技术水平和丰富的设计经验，操作人员则要根据设计人员的设计文件以及二维工程图纸，在大脑中还原设计人员构建的三维装配空间，进而理解装配顺序及需求，如此设计非常容易在设计人员与操作人员之间产生偏差，造成严重的装配错误，因此，二维模式的装配工艺设计严重阻碍了制造业的快速发展。

（二）缺少科学的工艺设计优化方法

传统工艺设计主要以二维的设计为主要模式，工艺设计的修改和优化周期较长，方案的优劣主要取决于设计人员的工作经验，缺乏科学的研究方法，没有定性定量的分析，制造工艺水平因人而异，会增加制造周期和制造成本。传统工艺设计中制造资源的二维描述可能导致设计过程中对细节设计的淡化，不能充分利用三维CAD数据，不能完全消除工艺设计转换造成与产品设计数据的不一致性，难以实现工艺设计的继承性、规范化、标准化。

（三）无法进行一些三维工艺设计

工艺设计环境不具备三维工艺验证能力，不能用三维的方式准确的检测工艺设计过程中存在的错误，还可能会导致装配中装配顺序是否合理、工艺设备是否满足需求、操作空间是否要开敞等一系列的问题，直到在生产试制阶段才会发现。任何一个环节出现了问题，都会影响飞机制造的进度和质量，进而造成巨大的损失。

二、数字化装配设计和仿真

（一）ARJ21中央翼组件特点

ARJ21中央翼组件式飞机上机身与外翼对接部位，是全机对接基准件。该组件有一些特点，比如定位精度要求高，协调部位多，工人操作困难，工装定位器多等，使得工艺设计过程更细致，也更复杂。如果按照传统工艺设计模式，不仅不能在规定时间内完成中央翼工艺准备，而且可能因为考虑不周、经验不足等原因造成试制过程停工，甚至返修等严重问题。

（二）工艺规划设计

我们采用DELMIA软件来进行设计，在DELMIA的数字化工艺设计模块支持下，将产品数据导入到数字化工艺设计环境，直接使用产品数字化数据进行工艺设计，能够有效提高设计效率，保证产品数据的准确性和唯一性。工艺规划设计方法有两种：

方法一：1在数字化工艺设计模块，以设计树为基础来构建工艺树；2在数字化工艺仿真模块浏览三维装配顺序；3根据三维模拟效果，在数字化工艺仿真模块下修改工艺组件定义及装配顺序；4根据三维显示，在数字化工艺设计模块直接修改工艺组件定义。重复123步骤，直到获得满意的规划设计并记录下装配工艺设计模型。

方法二：1在数字化工艺设计模块命名工艺装配件；2在数字化仿真模块，拆分设计装配模型获得装配顺序；3在数字化工艺仿真模块，浏览三维动态装配顺序，修改并完善工艺组件定义，直到获得满意的规划设计并记录下装配工艺设计模型。

（三） 装配过程仿真及结果输出

在数字化工艺设计模块对装配过程进行实时仿真与分析，然后优化飞机零部件的装配顺序以及装配路径、装配操作姿态、工具使用方案等，检验装配工具的可达性、装配操作空间的开敞性，为产品设计、工装设计、工艺设计提供可靠的依据。数字化的装配工艺设计输出结果十分丰富，可以实现我们想象的大部分形式。可输出AVI文件，比如详细装配操作AVI文件等。还可以输出各种形式的报表，比如输出包含零件三维信息的文件等。

三、数字化工艺装配技术特点

（一）工艺设计特点

首先，数字化装配工艺设计以产品设计数据为源，在工艺设计数据的基础上，通过增加和补充工艺设计内容的方式来建立符合要求的工艺装配模型，使得工艺效率得到大大的提高，同时也保证了产品数据的前后一致性。其次，数字化装配工艺设计的工艺人员很容易能够获得相关的制造资源的详细数据，这不仅为工艺设计提供了坚强有力的支持，在很大程度上使工艺设计更加标准，更加规范，而且使工艺设计的效率大大提高，质量也得到了保证，同时也降低了制造成本。然后，二维设计与三维设计相互结合，汲取各个的优势，使工艺人员可以以多种方式完成并完善工艺设计，工艺优化简单而且有效。此外，数字化装配工艺设计有各种各样的输出形式，工艺人员不需要接受培训就可以方便地使用相关的设计数据，这将在很大程度上提高产品数据利用率，保证工作效率。

（二）过程仿真特点

装配过程仿真是当前先进产品设计的验证、优化手段。DELMIA的数字化工艺仿真系统具有优秀的特性，可以使工艺人员更直观、定性、定量的分析每个工艺设计细节，可以将以前大量的再试制过程中验证、优化的设计结果提前在计算机网络环境中模拟，这种方式不但可以提前发现问题，而且可以通过科学测量和分析手段，设计比较合理的改进方案。

比如在装配仿真过程中发现的部分工艺设计问题：1中央翼下壁板距型架地板约1350mm，操作人员很难把工具钻进中央翼里进行相关工作，为此可以在工装对称两侧分别增加一个高约800mm的活动梯，方便操作人员的进出。2操作人员需要拿着工具进入中央翼里工作，我们在仿真分析中分析得到右腿与上部躯体夹角106.53度，接近极限113度，工作环境极其恶劣，可以根据仿真结构，更改连接方式，尽最大程度的改善操作人员的工作姿态。

四、结束语

数字化装配技术在制造业中起着举足轻重的作用，是产品制造过程中的关键工序。数字化装配仿真技术有着强大的优势，可以大大缩短产品的开发时间，提高产品的生产质量，还可以降低产品生产成本，可以检验装配顺序。

近年来，科学技术与信息技术迅猛发展，传统的设计方法逐渐地被现代的科学的设计方法所取代，国内投入大量的人力物力财力进行新的设计方法的探索与研究，在机械系统中，数字化装备仿真技术的得到了广泛的应用。产品数字化制造的基本前提是数字化的工艺设计，产品设计是制造业的灵魂，只有高质量的产品设计方案，才能进行高质量、高标准的数字化制造。在我国，大力推广仿真技术应用能力建设已经成为贯彻科学发展观、建设创新型国家的迫切需要。

参考文献：

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