面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

梁作文

摘要：本文研究了復(fù)雜航空產(chǎn)品的綜合組裝技術(shù)。對(duì)復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配技術(shù)進(jìn)行了前設(shè)計(jì)、裝配過(guò)程監(jiān)控和裝配后優(yōu)化三個(gè)領(lǐng)域的探討，包括MBD產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)、基于數(shù)模的裝配仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、基于AR技術(shù)的智能裝配技術(shù)、仿真技術(shù)對(duì)復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配全過(guò)程關(guān)鍵技術(shù)的研究，為復(fù)雜航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模式和方法提供了創(chuàng)新，并為提高復(fù)雜航空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：航空復(fù)雜產(chǎn)品;裝配工藝優(yōu)化;設(shè)計(jì)分析

前言

復(fù)雜航空產(chǎn)品子系統(tǒng)很多，空間布局緊湊，出現(xiàn)數(shù)萬(wàn)個(gè)組件，裝配過(guò)程中存在許多問(wèn)題，如組件干擾、裝配順序和路徑規(guī)劃困難，安裝空間小。裝配仿真技術(shù)是解決復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。它可以取代傳統(tǒng)的實(shí)體檢查組合模式，分析和最佳化在模擬期間發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，例如組合干涉和作業(yè)空間的可存取性，并完成組合程序的檢查以確保其效率。可視化虛擬仿真可以提高產(chǎn)品裝配的成功率，并縮短設(shè)計(jì)更改和產(chǎn)品裝配過(guò)程的計(jì)劃時(shí)間。

一、面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度低、零部件豐富。在制造業(yè)中，技術(shù)專(zhuān)業(yè)人員種類(lèi)很多，處理過(guò)程困難，制造過(guò)程冗長(zhǎng)，零件匹配關(guān)系復(fù)雜，電子集成。隨著航空工業(yè)市場(chǎng)需求和競(jìng)爭(zhēng)的增加，航空產(chǎn)品的制造往往與設(shè)計(jì)、工藝和制造工藝密切協(xié)調(diào)，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)質(zhì)量。隨著新的MBD技術(shù)、雙機(jī)數(shù)字技術(shù)、VR技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，迫切需要將這些新技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的特殊要求因此，有必要借鑒國(guó)內(nèi)外發(fā)達(dá)飛機(jī)制造企業(yè)的成功事例和經(jīng)驗(yàn)，將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于航空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，研究適合中國(guó)航空產(chǎn)品的數(shù)字裝配技術(shù)。

安裝前設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)用MBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更好地滿足制造能力和制造能力的要求。同時(shí)，在3d模型上標(biāo)注過(guò)程、制造和檢驗(yàn)信息，以便在單個(gè)數(shù)據(jù)源下進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。工程師可以基于ASME 14.5M-1994和ISO1101要求，根據(jù)當(dāng)前產(chǎn)品公差直接設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)模型并計(jì)算產(chǎn)品成功率。根據(jù)數(shù)模技術(shù)，將實(shí)際裝配條件加載到數(shù)字樣機(jī)上，進(jìn)行裝配仿真，進(jìn)行裝配過(guò)程中的干涉檢查和間隙檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果優(yōu)化裝配設(shè)計(jì)。

智能監(jiān)控和調(diào)整裝配過(guò)程。以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字顯示技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)獲取組裝過(guò)程信息并實(shí)時(shí)顯示。根據(jù)裝配知識(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整裝配工藝參數(shù)以滿足智能裝配要求。在基于虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字和實(shí)時(shí)環(huán)境中實(shí)時(shí)組裝產(chǎn)品。隨著裝配環(huán)境的變化，它會(huì)智能地調(diào)整裝配路徑，以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)操作員快速裝配部件并滿足裝配質(zhì)量要求。裝配后優(yōu)化設(shè)計(jì)。獲取裝配產(chǎn)品時(shí)生成的不同數(shù)據(jù)?；谌斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)技術(shù)的裝配幾何建模、裝配過(guò)程仿真模型和智能裝配決策模型。根據(jù)航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配知識(shí)庫(kù)，通過(guò)智能監(jiān)控和通過(guò)數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)調(diào)整裝配過(guò)程，實(shí)現(xiàn)智能裝配。

二、工藝組件的分類(lèi)

1.工藝組件劃分

在數(shù)字設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)必須確定產(chǎn)品分解計(jì)劃以及工藝和制造。設(shè)計(jì)階段飛機(jī)故障的結(jié)果是設(shè)計(jì)清單（EBOM）。從上到下的組件、組件和零件階層清單稱(chēng)為「產(chǎn)品爆炸結(jié)構(gòu)」。但是，工程物料清單是根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)需求展開(kāi)的，并且很難從下到上表示產(chǎn)品裝配流程。在制造準(zhǔn)備階段，該流程涉及重新構(gòu)建設(shè)計(jì)清單、形成EBOM流程以及管理制造目標(biāo)。重新建置程序以組合樹(shù)為基礎(chǔ)，分割主要以組合連接關(guān)系為基礎(chǔ)。根據(jù)相對(duì)獨(dú)立的工作內(nèi)容、特定的工作負(fù)載和組合程序進(jìn)行分割。拆分流程元素的過(guò)程包括首先構(gòu)建結(jié)構(gòu)組件類(lèi)型樹(shù)，然后構(gòu)建通過(guò)對(duì)象類(lèi)型映射拆分流程元素的主體結(jié)構(gòu)。隨后，基于知識(shí)的辦法制定了分配進(jìn)程組成部分的初步計(jì)劃。其次，使用模糊聚類(lèi)方法計(jì)算剩馀技術(shù)元素與相鄰技術(shù)元素之間的相關(guān)性，利用剛性、裝配操作難度、裝配對(duì)象的空間接近度等指標(biāo)來(lái)判斷技術(shù)元素。，然后確定技術(shù)元素的劃分方案。

2.工藝組件分類(lèi)與層次樹(shù)

設(shè)S*={S1，S2，S3 … }，S*，s是集合所有部分的集合，S1，S2，S3是集合的核心，因此S*集合決定了s集合的劃分結(jié)構(gòu)，s的劃分問(wèn)題可以細(xì)化為p，P={P1，P2，P3 … }。根據(jù)將零件分割成零件并將零件分割成幾何形狀的飛機(jī)組件特征，您可以先選取具有空氣動(dòng)力形狀的物件作為處理組件的核心，然后使用物件之間的連接關(guān)系來(lái)加工其他組件物件?？筛鶕?jù)組件類(lèi)型并選取核心來(lái)確定工藝組件的主要切削和裝配結(jié)構(gòu)。

3.裝配順序規(guī)劃流程

首先，創(chuàng)建產(chǎn)品組件模型，該模型必須包含生成組件序列所需的數(shù)據(jù)。適當(dāng)?shù)慕M合塑型直接影響后續(xù)的推理效率。第二個(gè)步驟是生成裝配序列，它主要涉及如何從裝配模型中導(dǎo)出無(wú)碰撞裝配方向，從而可以導(dǎo)出物理上和幾何上可行的裝配序列。由于幾何信息比非幾何信息更容易建模，因此幾何裝配序列規(guī)劃始終是裝配序列規(guī)劃的主要趨勢(shì)。最后，表示裝配順序：要確定裝配序列的原因，必須表示生成的不同裝配序列。選擇表示裝配序列的方法時(shí)，請(qǐng)考慮以下幾點(diǎn)：表示方法所需的存儲(chǔ)空間。從組件模型中，直接導(dǎo)出組件序列表示的難度，以及將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)表示的能力。是否可以表示組件任務(wù)之間的時(shí)間從屬關(guān)系或不相關(guān);隱含表示的準(zhǔn)確性和完整性。

三、面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

1.基于MBD技術(shù)的面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

（1）面向裝配的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

基于組件的設(shè)計(jì)旨在提高產(chǎn)品的整體性能，同時(shí)考慮到產(chǎn)品的外觀、功能和可靠性。裝配能力是指產(chǎn)品設(shè)計(jì)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的裝配技術(shù)，從而確保了裝配效率、低裝配缺陷率、低裝配成本和高裝配質(zhì)量特性。使用面向裝配的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)裝配規(guī)則執(zhí)行裝配設(shè)計(jì)，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)先測(cè)試產(chǎn)品裝配。通過(guò)分析影響產(chǎn)品裝配的因素評(píng)估產(chǎn)品裝配能力，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化裝配設(shè)計(jì)的建議，以簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高裝配性能和提高產(chǎn)品裝配能力。

（2）基于MBD的裝配產(chǎn)品設(shè)計(jì)

為了提高產(chǎn)品裝配效率，實(shí)現(xiàn)技術(shù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及時(shí)表達(dá)和裝配信息的數(shù)字化管理，MBD技術(shù)的深度可以應(yīng)用于裝配工藝的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)工程師使用MBD技術(shù)在產(chǎn)品模型上注釋產(chǎn)品開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)信息、工藝信息、制造信息和檢驗(yàn)信息，以形成完整的數(shù)字原型。工藝部門(mén)根據(jù)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行數(shù)字化過(guò)程設(shè)計(jì)、數(shù)字化儀器設(shè)計(jì)、數(shù)控編程設(shè)計(jì)、數(shù)控編程設(shè)計(jì)和數(shù)字化過(guò)程分析。MBD技術(shù)的應(yīng)用為設(shè)計(jì)、工藝、處理和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和相關(guān)性以及設(shè)計(jì)和制造的一體化提供了技術(shù)支持。

2.基于裝配模型的裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

整個(gè)過(guò)程的初始模擬。此階段的模擬對(duì)象是產(chǎn)品的全局模型。其主要目的是根據(jù)裝配計(jì)劃和過(guò)程模擬整個(gè)產(chǎn)品裝配過(guò)程，包括裝配順序仿真、簡(jiǎn)單裝配路徑仿真等。此時(shí)，可以忽略制造資源的使用。通過(guò)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行初始仿真，可以對(duì)產(chǎn)品裝配的關(guān)鍵零部件進(jìn)行排序，準(zhǔn)備下一個(gè)仿真，并驗(yàn)證當(dāng)前過(guò)程的可行性。此階段的模擬對(duì)象是產(chǎn)品中每個(gè)系統(tǒng)的模型。由于設(shè)計(jì)人員在裝配仿真過(guò)程中繼續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品模型的狀態(tài)，隨著產(chǎn)品模型狀態(tài)的改善以及產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完成，工程師必須對(duì)每個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)執(zhí)行裝配仿真分析，包括裝配順序仿真、裝配路徑仿真。基于最新產(chǎn)品模型狀態(tài)的干涉檢查和人工工程模擬，并結(jié)合車(chē)間人員的參與，針對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

完成模擬。此階段的模擬對(duì)象是產(chǎn)品的全局模型。必須先排序整個(gè)產(chǎn)品的最后一個(gè)參照模型，以確定正在模擬的模型狀態(tài)是否為最后一個(gè)凍結(jié)狀態(tài)。然后，根據(jù)每個(gè)系統(tǒng)的模擬和組件計(jì)劃的確定來(lái)模擬整個(gè)產(chǎn)品模型過(guò)程。在模擬過(guò)程中，您可以簡(jiǎn)化組合路徑模擬、略過(guò)組合干涉檢查，并正常執(zhí)行組合順序模擬和人體工學(xué)模擬。此階段是基于子系統(tǒng)的仿真，它可以驗(yàn)證最終裝配過(guò)程的可行性，并為后續(xù)工廠的實(shí)際最終裝配奠定基礎(chǔ)。

3.基于數(shù)字孿生技術(shù)的裝配仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

數(shù)碼孿生充分利用物理模型、傳感器更新、工作歷史等數(shù)據(jù)，并整合了多學(xué)科、物理、多尺度和多概率模擬過(guò)程，以便在虛擬空間中進(jìn)行映射，從而反映相應(yīng)物理設(shè)備的整個(gè)生命周期。數(shù)字配對(duì)是一種具有多種物理特性、分辨率和概率的建筑系統(tǒng)的集成模擬，它通過(guò)數(shù)字索引實(shí)現(xiàn)，并使用最佳可用模型、感知信息和輸入數(shù)據(jù)來(lái)映射和預(yù)測(cè)相應(yīng)的雙物理生命周期活動(dòng)和性能。以數(shù)碼孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，將物理空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)用于虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，不斷分析、評(píng)價(jià)、驗(yàn)證和優(yōu)化數(shù)字裝配模型和物理模型，改進(jìn)定量分析和確認(rèn)，有效做出關(guān)鍵決策，開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

4.基于AR技術(shù)的裝配現(xiàn)場(chǎng)模擬和智能裝配

增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)it系統(tǒng)提供的信息提高了用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的認(rèn)識(shí)。改進(jìn)現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)是虛擬制造仿真系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展?！霸鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)”是一種實(shí)時(shí)計(jì)算相機(jī)圖像位置和角度并添加相應(yīng)技術(shù)的技術(shù)，其目的是將虛擬世界放置在屏幕上，并在現(xiàn)實(shí)世界中相互作用。目前，大多數(shù)改進(jìn)都是通過(guò)復(fù)蓋物理世界中已知的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。虛擬制造由于現(xiàn)代生產(chǎn)的需要而成為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可視化、技術(shù)說(shuō)明、操作入門(mén)培訓(xùn)等。AR技術(shù)可以將虛擬操作指令復(fù)制為現(xiàn)場(chǎng)操作手冊(cè)，在服務(wù)和維護(hù)過(guò)程中實(shí)時(shí)投影數(shù)字信息，從而根據(jù)特定環(huán)境中的當(dāng)前流程操作任務(wù)提高現(xiàn)場(chǎng)操作效率。

5.基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的裝配分析仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)

在復(fù)雜航空產(chǎn)品組裝過(guò)程中，組裝過(guò)程中的質(zhì)量、檢驗(yàn)、物流、設(shè)備和能耗等數(shù)據(jù)是根據(jù)傳感器、物體互聯(lián)網(wǎng)和CPS等技術(shù)以及影響組裝質(zhì)量、進(jìn)度和成本的關(guān)鍵因素實(shí)時(shí)收集的通過(guò)研究這些關(guān)鍵因素的演變，查明裝配過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并采取具體措施解決這些問(wèn)題，優(yōu)化復(fù)雜航空產(chǎn)品裝配過(guò)程的設(shè)計(jì)。時(shí)間優(yōu)化設(shè)計(jì)：記錄每個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的每項(xiàng)操作的開(kāi)始時(shí)間、完成時(shí)間和預(yù)計(jì)完成時(shí)間;它還計(jì)算流程的實(shí)際工作時(shí)間和延遲時(shí)間，并確定流程是否按時(shí)完成。對(duì)這些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和計(jì)算，以分別計(jì)算每個(gè)工序的完成率、交貨率和質(zhì)量控制時(shí)間。流程指南在流程方法、流程計(jì)劃、流程質(zhì)量控制和操作員類(lèi)別方面進(jìn)行了優(yōu)化。裝配夾緊力優(yōu)化設(shè)計(jì)：獲得裝配設(shè)備的力度和產(chǎn)品在各裝配過(guò)程中的力度，分析裝配設(shè)備夾緊力與產(chǎn)品裝配壓力/壓力/力矩之間的關(guān)系，獲得裝配設(shè)備和產(chǎn)品的力度關(guān)系和變化趨勢(shì)， 獲得裝配設(shè)備的最優(yōu)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)裝配夾緊力優(yōu)化設(shè)計(jì)。

優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)類(lèi)型差：獲得數(shù)據(jù)，例如運(yùn)動(dòng)類(lèi)型中的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型上的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型和運(yùn)動(dòng)類(lèi)型之間的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型差以及運(yùn)動(dòng)類(lèi)型中運(yùn)動(dòng)類(lèi)型面之間的最大和最小運(yùn)動(dòng)類(lèi)型。并分析每個(gè)裝配過(guò)程中裝配工藝參數(shù)和裝配集參數(shù)的變化趨勢(shì)以及步長(zhǎng)差異，以優(yōu)化裝配工藝參數(shù)，獲得滿足裝配集和步長(zhǎng)差異的工藝參數(shù)的最佳值。材料分布優(yōu)化設(shè)計(jì)：分析不同材料的分布時(shí)間、不同材料分布對(duì)裝配的影響、不同供應(yīng)商材料的交付率。在整個(gè)組裝過(guò)程中，材料的分配是以不同材料分配的準(zhǔn)確性為基礎(chǔ)的，以確保大型和緊急組裝具有可靠的供應(yīng)商材料，最大限度地保證組裝材料的正常供應(yīng)，并確保組裝順利進(jìn)行。合理優(yōu)化操作人員分配：根據(jù)不同操作數(shù)，計(jì)算不同技能操作人員執(zhí)行操作的時(shí)間和質(zhì)量，對(duì)操作人員進(jìn)行分類(lèi)和定義，根據(jù)裝配操作的優(yōu)先級(jí)分配不同級(jí)別的操作人員，最大限度地利用人力資源，確保以下各項(xiàng)的進(jìn)展和質(zhì)量。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著航空產(chǎn)品功能性能的提高，航空產(chǎn)品及其制造工藝變得越來(lái)越復(fù)雜，迫切需要在復(fù)雜航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造中應(yīng)用更多的新技術(shù)。因此，優(yōu)化復(fù)雜航空產(chǎn)品組裝過(guò)程的設(shè)計(jì)，需要加大研究重點(diǎn)，形成更多的研究成果，應(yīng)用于航空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，提高我國(guó)航空產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。

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