基于DELMIA的虚拟装配技术

成飞科技2 0 0 7 第 1 期 基于 D E L MI A的虚拟装配技术贾朝定 基 于 D E L MI A的虚 拟装配技术 制造工程部贾朝定 摘要通过虚拟装 配技术在 A P d 2 1飞机机 头装配工艺设计上 的应用 实例 介绍 了以 D E L MI A 软件 系统为实施平台的飞机虚拟装配技术 关键词D E L MI A虚拟装配三维实体模型 1 前言 飞机装配是飞机研制过程 中最重要的环 节之一 据有关 资料统计 装配 占有整个飞 机制造周期 的一半时间 装 配工艺设计是现 代飞机制造业 的基础工作 是连接产 品设计 与产品制造的桥梁 它 的质量和效 率以及装 配工装设计的合理 正确性直接影响企业制 造资源的配置 优化 产 品质量 生产组织效 率 产品成本及制造周期等方方面面 过去 每一次新机研制 企业都选派 了经验丰富的 工艺工程师 工装设计员 尽 管如此 工艺设 计不合理 零件返修 工装返修的情况仍层出 不穷 究其根本原 因 飞机设计与装配工艺 设计 由于停 留在二维的基础上 工艺 工装设 计员对飞机结构和装配过程 的理解只能通过 二维图纸的表达在 自己头脑 中想象 这需要 长期实际工作的锻炼积累经验 同时 事前缺 乏周密考虑和疏漏在所难免 随着计算机技术的飞速发展 数字化技 术的应用从根本上改变了传统的飞机设计与 制造方式 最大幅度提高 了产品的设计水平 与开发速度 最大限度地减少 了设计返工与 制造返修 国外先进飞机制造企业从八十年 代后期就开始进行数字化设计及虚拟装配技 术的研究 并成功地运用 到新机研制 中 美 国波音公 司在 B o i n g 7 7 7客机 的研制 中全 面 采用了数字化技术 实 现 1 0 0 的产 品三维 数字化定义 1 0 0 的数字化预装配 并实施 一 3 2 一 了并行工程 使得开发周期从过去的 8 9年 缩短到 4 5年 设计 成本降低 了 2 5 出错 与返工率减少 了 7 5 保 证 了飞机设计 制 造 试飞一次成功 法国达索系统 的 C A T I A D E L M I A在世界 C A D C A M软件应用领域一 直处于领先地位 成都飞机公 司率先在 国内 A 砌2 l飞机机头装配工艺设计 中以 D E L MI A 为平台实施了虚拟装配技术 取得 了显著 的 效益 D E L MI A软件系统包括两个相互关联 的 独立 软件 D P E D i g i t a l P r o c e s s E n g i n e e r 与 D P M D i g i t a l P r o c e s s M a n u f a c t u r e 前 者 为 数字化工艺规划平台 它建立产品数据 资源 数据和工艺结构 并将三者有效地关联 在一 起 实现工艺方案 的评估 各种数据 的统计计 算 装配工艺结果 的输出等 D P E管理的数 据包括三部分 P一产 品 p r o d u c t P一工艺 p r o c e s s R一资源 r e s o u r c e 后者提供工 艺细节规划和验证应用的虚拟环境 以产品 工装的三维模 型并结 合 D P E已设 计好 的工 艺流程进行数字化装配过程的仿真验证 二 者通过 唯一 的 P P R H u b数 据库共 享数 据 单一的 D P M也可以进行仿 真验证 但是 构 成一架飞机的零件数量庞大 装配关 系极其 复杂 参与 的部门 人员很多 数据 的管理和 维护显得极为重要 同时配套使用 D P E D P M 比单一使用 D P M更加有效 由于飞机制造 行业的特点以及各企业 在技术标准方 面 数 据管理方面 输入输出需求方面 用户使用习 维普资讯 成飞科技2 0 0 7 第 1 期 基于 D E L M I A的虚拟装配技术贾朝定 惯方 面存 在 差 异 按 照企 业 的 不 同需 求 D E L M I A需要进行客户化定制 本文以我公 司研制 A R J 2 1飞机机 头为 应用背景 分享基 于 D E L MI A的虚拟装配技 术 鲢 画 熏 戛 r L一 竺 i I 1 f 一 一 工 艺 骨 一 面 瑚 骨 i r 1 J r 1 l 一 一 I 蔓 苎 l 乎 蔓 塑 卜 i j j I 糊 1盘 L I l妻 苎 型 j 一 一 一 i f 蕊 薹 蹙 j 1 赣 荽 f 稿 i r 一 l 照墨 I 一一上 一 J 一 竺 竺 L 曼 竺 图一虚拟装配技术工作 流程 2提取产品信息 产品设计提供给我们 的原始制造依据有 三维的电子样机和 E B O M 细 目表 C A T I A 系统里电子样机的每个零组件在空 间的位置 表达方式有两种 一种是采用统一的全机坐 标系 另一种在建 立数模时采用各 自的零件 坐标系 当装配到组件时 利用零 组件之 间 的装配约束关系来保证正确的空间位置 而 在后面将产品输入 D E L MI A时 各零 件是 以 单独的个体输入 它们本身之间没有任何 的 装配约束关系 它们之间的正确位置关系 由 各零件 的位置坐标控制 因此在 C A T I A的 电子样机里需要提取 出各零 组件 的位置坐 标信息 它是下一级零 组件坐标系在上一级 组件坐标系的 9个控制旋转的基 向量和 3个 控制平移的向量构成的位置矩阵 我们可以 通过 V B S c r i p t 调 用 C A T I A 内置 函数 分别读 出每个零组件的这 1 2个 向量 并且把它们转 换为欧拉角表示方式 欧拉角表达位置坐标 只有 6个数 据 为 了节省 内存 加快运算 速 度 D E L MI A 系 统 只允 许保 存 零 件 的欧拉 角 三维数模中每个零组件工程属性信息 还包括图号 名称 材料 重量 设计人 员 链 接的文档等 模型之间的层 次关系 由结构树 来表示 它们均可 以在上述程序 中一起提取 出来 这 些 读 出 的产 品 信 息 最 终保 存 为 x l s E x c e l 文件格式 对 于三维数模 中没 有的产品信息和工厂内部附加的一些工艺信 息 如 分工路线 毛料规格 毛料重量等也可 以通过程序从 E B O M或工艺分 工表 中批量 读出 加入到前述 x l s 文件 中 这样基 本实现提取产 品信息 自动化 减轻手工操作 的工作强度 减少手工操作的出错机会 3导入产品数据 D P E与外部环 境进行数 据交换 的文件 格式为 c x l s 和 x m l x l s 文件 格式在工厂中应用较为普遍 它的优点是浅 显易懂且数据表达直观 因此对 D P E进行数 据读 入 输 出优先采 用 x l s 格式 文件 向 D P E导入产品数据分为程序批量导人 和 人工手动输入两种输入方式 前者用 于新建 工程项 目时或 大装配件数据的输人 利用用 户定制 的 导人 数 据 V B A 程序 批量 地在 P B O M 节点 下建 立零 组 件 的节 点 并将 零 组件的各种信息写入相应节点的属性项 目内 这种方式大大地提高 了数据读人效 率 和准确性 后者主要用于生产 中产品的少量 更改和工艺信 息临时更改的情况 更体 现出 手工输入方式 的灵活性 提取产品信息 导人产品数据属于企业 内数据管理员 的工作范 围 其他人员应 无权 对产品设计数据进行改动 4生 成 I MB OM D P E最早是针对汽车制造业而开发 的 汽车行业 中产品的设计组件的划分与生产中 工艺组件的划 分基本一致 工艺人员可 以直 一 33 维普资讯 成飞科技2 0 0 7 第 1 期 基于 D E L M I A的虚拟装配技术贾朝定 溢 文 毪 淫 誓 07 豁 熏黑 墨 要 i謦 7 j l l纂 蠹 壤 l j I i 一 舞 费 一 删 fi t P B O M I M B O M的数据结构 5建立资源结构 D E L MI A里 面 的 资源是 一个 广 义 的概 3 4 念 指参与装配过程的所有非 产品的实物元 素 如 装配夹具 机床设备 工具量具 人 车 间厂房等 分别在 D P E项 目结构树 的 l e s o u i c e 下建立上述元素的节点 填人必要 的 属性信息 最重要 的是将这些元素指 向该元 素的三维模型文件 只有这样才可以在 D P M 的仿真环境中成功调入该元素的三维模型 6建立工艺结构 在工艺分离面划分和各装配车 间职责分 工的基础上 工艺规划部 门需要设计 大部件 的工艺流程 在 p r o c e s s 下建立属于各车间 的工艺结构 并且在更下一级根据装配方案 确定装配工位的设置 制定 出全机各工位之 间的装配流程图 7详细工艺设计 在工位划分 的基础上 依据 组件装 配工 艺模型进行各工位 内的装 配过程设计 确定 工位内工艺组件 的装配顺序以及需要多少个 装配过程实现 定义装 配过程对应 的 A O号 每本 A O需要的零 组件项 目及工作 内容 制 定反映工位 内各 A O关 系的装配流程 提 出 装配工装 工具的订货技术要求 图 三AO 工 序 属 性 内容 在 A O划分 的基础上进行详 细的工序设 计 确定每一步工序的工作内容 需要装配的 零件项 目以及需要使用到的制造资源 D P E 中通过拖拽的方式将 产品 资源与相应的工 序建立联系 随着与工序关联后 产品的剩余 维普资讯 基于D E L M I A的虚拟装配技术贾朝定 数量属性项会随之减少 如果工艺设计完成 后有的产品剩余数量不为零 提示工艺人 员 还有哪些产品没有被装配 有效 防止漏装 情 况发生 8 仿真验证 仿真验证是用户以交互式方式操作产品 三维 模 型 利 用 产 品 资 源 的 形状 特性 在 D P M仿真环境里真实模拟飞机 的装配过程 用于实物装配前分析产 品的装 配特性 验证 工艺设计的合理性 通过发现问题不断地优 化工艺方案 模拟装配按装配顺序分 为正装 和反装 正装是按实际设计好的装配顺序安装每一个 零 组件 这符合一般人的思维 习惯 容易理 解且修改比较方便 缺点是飞机零件数模绝 大部分按全机坐标系设计 零件与零件之间 零件与工装之间没有特殊的点 直线 平面等 约束元素存在 当移动零件到正 确的装 配位 置时 找不到这些约束元素 而需要工艺人员 在产品数模上建立辅助的约束元素 这比较 费时而且需要一定的使用技巧 反装是基于 可拆即可装 的原理 将虚拟环境 中的零件 模型从正确的空间位置进行 交互拆 除 得到 各零 组件的拆卸序列 最后将整个拆卸流程 反转倒置 拆 的过程就转换 成为 装 的过程 由于不需要在移动零件数模时查找 零件之间的约束元 素 这种方式移动零件特 别方便 缺点是与人的思维习惯相反 拆卸的 逻辑顺序上需要清晰的思路 按 自动化程度 模拟装配分为交互式手 工操作和路径 自动查找 前者当装 配零件运 动到定位器附近时 通过两者装配特征属性 匹配 自动识别出两者之间的装配关系 点 线 面等约束关系 在准确捕捉 到工艺人员 装配意图的基础 上 实现模拟装配过程中零 件的约束运动 确保将零件移动到准确的装 配位置 后者则是由工艺人员手工给出装配 零件的起始位置和终点位置 调用 D P M 系统 提供的 路径 自动查找 命令 系统 自动找到 一 条从起 始位置到终 点位置且 不与其 它产 品 工装发生干涉的移动路径 这种方式虽 然对空间狭小处零件的模拟装配较适用 但 同时要求计算机系统配置性 能较高 否则查 找移动路径的时间会很长 8 1 装配顺序仿真 在定义好每个零件装配路 径的基础 上 实现产 品装配过程和拆卸过程的三维动态仿 真 以验证工艺设计过程 中装配顺序设计 是 否合理 正确 8 2 装配干涉检查 在装配顺序仿真过程中对每个零 组件 成品 工装等进行干涉检查 当系统发现零件 之间 零件与工装之 间存在干涉情况时予以 报警 同时示出干涉区域和干涉量 以帮助工 艺人员查找 分析干涉的原因 图四检查干涉情况 8 3 装配工具的仿真 引入装配工具 的三维实体模 型 对工具 与产品 工装进行三维动态仿真 有效验证装 配工具的可达性 操作空间的开放性 8 4 人机功效仿真 引入三维人体模型进行人体操作的动态 仿真 分析操作人员 在该 环境 中的姿态 负 荷 舒适度等 验证人体操作 的可达性 舒适 性 进一步优化工艺流程 改进工装设计 一 3 5 维普资讯 成飞科技2 0 0 7 第 1 期 基于 D E L MI A的虚拟装配技术贾朝定 9 输出仿真结果 经仿真验证合理 正确的装配过程 可以 通过特定的视频记录软件记录下来 形成 可 以播放 的影 片文件 如 a v i 格式 文件 用于对现场操作人员进行 岗前培训 指导现 场装配 1 0输出 A O 报表 整个装配工艺过程经仿真验证无误后 便可以根据需要输 出 A O及 各种报表 用于 上接第 2 7页 7结束语 ME S弥合 了企业计划层 和生产过 程控 制系统之间的间隔 是制造过程信息集成 的 纽带 通过强调制造过程的整体优化来帮助 企业实 完整 的闭环生产 同时也为敏捷制 造企