摘要:飞机工艺装备简称飞机工装,是飞机制造的关键技术之一,对飞机产品质量、制造成本和生产周期都有非常重要的影响。提高工艺装备的设计效率和质量对飞机制造企业意义重大。本文通过对飞机工艺装备进行模块划分,研究模块化及参数化设计,实现飞机工艺装备的快速设计。
关键词:工艺装备;模块化;参数化
飞机工艺装备在航空产品的生产制造过程起着非常重要的作用,它对飞机产品的可靠性、适航性有着重要的意义,同时又关系着飞机产品的生产制造成本及周期,对产品在市场上的竞争力影响很大。据统计,工艺装备的设计、制造周期一般占产品研制周期的40%左右,成本占总成本的25%左右,因此,工艺装备的设计制造在航空制造企业中是不容忽视的部分。
一、飞机工艺装备模块化、参数化设计的基础
飞机工艺装备的种类很多,如装配工装、成型模、工作梯台、转运拖车、装配夹具、焊接夹具等。工艺装备与飞机产品接触、连接、装配位置因飞机产品的不同而各不相同,但主体部分却存在大量相似的结构,这也就给工艺装备模块化及参数化设计提供了基础。以生产制造过程中常用的夹具为例,夹具一般由夹具本体、夹紧机构、传动装置、定位件、夹紧件和导向件等组成。定位件、夹紧件及导向件的结构会根据与之配合的产品外形进行调整,而夹具本体、夹紧机构及传动装置的结构基本固定,不会有太大的变化。因此,在工装设计过程中,就可以针对变化较小的夹具本体、夹紧机构及传动装置进行模块化及参数化设计,这样能够大大提高工艺装备的设计效率,并且能够提高工艺装备的稳定性,提高飞机产品质量。
模块化设计的方式有两种,一是全部采用标准模块进行组合设计,二是采用标准模块和非标准模块进行组合设计。通常情况下,第二种方法更为常用,标准模块主要用于工装主体结构部分的设计,而非标准模块用于与产品接触、装配位置的设计。
参数化设计可以大大提高模型的生成和修改速度,在工艺装备的系列设计、相似设计中具有较大的应用价值。参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法,其中前者主要用于平面模型的建立,后者更适合于三维实体或曲面模型。
二、飞机工艺装备模块化及参数化设计方法
1.飞机工艺装备模块划分依据。对工艺装备进行模块划分是工艺装备模块化设计的基础,模块划分合理与否直接影响到模块化设计工艺装备的功能、成本及通用化程度。模块划分主要考虑以下方面:
工艺装备任务对象的结构:包括对工艺装备设计有决定性影响的任务对象本身的形状特征例如旋转、平板等形状、加工部位拓扑形状和尺寸大小特征,以及零部件包括其布局特点。其中需要强调的是,工艺装备任务对象要有相似的尺寸特点,即强调合理的尺寸分段,很多时候尺寸变化过大,则工艺装备的结构就会变化很大。
加工工艺特点:包括车、铣、装配、加工类型包括钣金成型、注塑成型等、加工设备、加工精度、材料特征、批量、装夹定位等加工特征。
2.飞机工艺装备的模块划分及设计。以工作梯为例,工作梯在航空工艺装备中较为常见,并且结构复杂,设计周期较长。对工作梯进行模块化设计,可以有效提高设计效率,缩短设计制造周期。工作梯一般由架体、防护栏、钢板组件、防滑胶板、千斤顶、活动轮等组成。通常情况下,防滑胶板、千斤顶和活动轮都可以直接选用成品件,所以,对工作梯进行模块化设计,主要从架体和防护栏入手。
架体:架体是工作梯类工艺装备的基础部分,由纵梁、横梁、斜梁和连接板等相同或类似典型零件构成。
大部分工作梯高度在1.5m以上,需要设计上梯位置,因此,架体可细化为平台模块、支腿模块、斜梯模块及踏板模块几个部分。
防护栏:防护栏一般安装在梯台、通道、升降口及其他敞开边缘防止人员坠落,是由方钢管焊接而成的框架结构。常用防护栏一般为I型、L型、U型。防护栏可单独划分为一个模块。
3.工艺装备的参数化设计。工艺装备零组件在设计过程中通常需要进行装配验证和性能分析,因此,零组件模型具有易于修改的柔性是很重要的。参数化设计方法就是将零件、组件模型中的定量信息变量化,使之成为任意调整的参数。在设计过程中,根据实际需要,对于变量化参数赋予不同数值,就可以得到不同尺寸及结构的零件、组件模型,参数化设计是工艺装备快速设计的基础。
CATIA可以实现将主要设计参数提取出来,便于对产品的设计参数进行控制,实现产品模型的快捷更改,同时将组件参数与零件参数进行关联设计,可以实现通过改变组件整体参数来改变某一零件的参数,提高设计效率。
参数化设计的流程为根据划分模块的简图分析整体参数,然后进行零件模型参数化设计、组件模型参数化设计,同时对零组件参数进行关联,最后建立规则、检查等参数进行约束,即可实现参数化设计。
三、飞机工艺装备发展趋势
1.工装的数字化。工装的数字化包括工装的数字化设计、数字化制造和数字化检测。工装数字化设计是指在三维数字化环境下,进行工装结构体的零组件设计和数字化预装配设计。工装数字化制造是指应用数字化设计的工装模型,采用数字化加工设备,对工装的关键特征型面、互换协调交点等进行加工和装配。工装数字化检测是指采用数字化检测设备对数字化设计制造工装的检验过程。数字化设计制造技术的应用,使飞机工装设计与制造过程发生了很大变化。首先反映在工艺装备的设计制造依据上发生了根本性的改变,三维数字量取代了传统的实物样件模拟量,数字量的协调方法代替模拟量传递的协调方法,工装数量大幅度减少。其次,数控加工和先进安装技术广泛应用于各类工艺装备的制造,改变了传统工装制造的专业分工、生产方式、作业流程、组织管理模式等。数字化技术应用于飞机工装设计制造后,大量数字化设计制造的软件、设备广泛应用,传统的专业分工必然造成大量资源的浪费、效率低下等问题。因此,为适应工装设计制造模式的改变,必须调整现有组织结构,优化资源,提高效率。
2.工装的柔性化。柔性技术在国外大型航空企业已普遍采用。国外飞机制造技术的发展表明,采用柔性装配是缩短生产准备周期、降低制造成本的有效途径。柔性装配技术的应用能给飞机制造业带来巨大效益,愈来愈成为飞机制造不可缺少的先进技术。柔性工装可以是“多点阵成形真空吸附式”万能柔性工装系统,也可以是“行列式高速柱阵”式工装,在型架中采用可以快速调整的机构,以满足不同装配对象的装配要求。一般型架有数个立柱,每个立柱上有多个定位件,柔性型架的立柱、定位件,甚至底座都是可以移动或调整的。
3.工装的快速研制。工装的快速研制是我国目前飞机主机厂亟待解决的问题,这对缓解当前工装设计制造的压力和解决生产瓶颈问题有重要作用。工装的快速研制包括工装的快速设计和快速制造。工装快速设计可以从多方面着手,但工装设计的各种数据库的建立和完善对提高工装设计效率是一条简单而有效的途径,包括标准件库的建立和完善,有关工艺数据库的建立,工装典型结构库的开发等。另外,针对不同工装开发各种专用工装设计系统对提高设计效率也是非常有效的。
综上所述,飞机工艺装备模块化及参数化设计对飞机的制造周期、质量、成本等起着至关重要的作用,在进行飞机工艺装备设计时,应当通过采用先进的工装设计方法和技术,减少工装制造成本,缩短飞机研制周期。
参考文献:
[1]朱伟.飞机装配型架制造安装CAPP 系统报表平台的研究与开发[D].北京航空航天大学,2018.
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