典型裝配工藝模塊化的應(yīng)用研究

邢 帥 ，劉偉強，熊 濤

（1.國防科技大學(xué) 航天與材料工程學(xué)院，長沙 410073；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

裝配是產(chǎn)品生產(chǎn)階段的最終環(huán)節(jié)，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、性能、成本及生產(chǎn)周期。在現(xiàn)代的工業(yè)制造業(yè)中，裝配工作約占整個產(chǎn)品生產(chǎn)工作量的45%，約1/3的人力從事各種與裝配有關(guān)的活動[1]。在產(chǎn)品裝配生產(chǎn)過程中，裝配工藝設(shè)計是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，作為指導(dǎo)操作人員進(jìn)行操作的依據(jù)，是高效、高質(zhì)量完成裝配工作的基礎(chǔ)。

航天器類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常以成熟型號為平臺發(fā)展出多種系列型號以適應(yīng)日益更新的使用需求，大部分衍生型號與母型號間差別很小。同時由于航天器類產(chǎn)品使用環(huán)境、功能需求等約束條件的相似性，且不同型號間也存在著共同點，此類產(chǎn)品在工藝設(shè)計過程中占有很大比例重疊內(nèi)容，此外在某些產(chǎn)品的裝配過程中，諸如轉(zhuǎn)運、產(chǎn)品停放姿態(tài)改變等工序需反復(fù)進(jìn)行，這就造成了工藝設(shè)計重復(fù)、工作量大、工作效率較低等問題。每個型號航天器的總裝工藝文件都有10多萬字[2]，工藝編制中涉及到大量的標(biāo)準(zhǔn)、航天器結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、專業(yè)技術(shù)要求等內(nèi)容。由于沒有專門的工程數(shù)據(jù)庫對這些內(nèi)容加以規(guī)范和管理，大量的工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)沒有得到合理、有效的利用。

本文針對以上問題提出了典型工藝模塊化的工藝設(shè)計方法，并對模塊化工藝應(yīng)用過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，重點介紹典型裝配單元的檢索及基于典型工藝模塊化的工藝流程規(guī)劃等內(nèi)容。在“天宮一號”目標(biāo)飛行器總裝中的應(yīng)用實踐證明，典型裝配工藝模塊化方案可行，使用該方法可局部或全部實現(xiàn)工藝規(guī)程參數(shù)化設(shè)計，能夠大幅提高裝配工藝設(shè)計效率。

1 劃分裝配單元

為實現(xiàn)典型工藝模塊化，首先需將產(chǎn)品整個裝配過程劃分為若干相對獨立的裝配單元[3]。成為一個裝配單元需滿足以下兩個條件：

1）裝配單元中各零件的裝配特性相同或相似，裝配過程中相互有關(guān)聯(lián)性，能夠作為獨立子結(jié)構(gòu)；

2）裝配單元可作為整體參與工藝流程規(guī)劃而不受其他裝配單元影響。

裝配單元劃分方式有兩種：一種是基于裝配過程中各階段獨有的工藝特性劃分；另一種是基于產(chǎn)品各部分組合關(guān)系劃分。上述兩種方式所依據(jù)的特征屬性包括固定屬性及可變屬性：其中固定屬性作為典型裝配單元的識別特征，具有方便識別、不可替代的特點；可變屬性是需要工藝技術(shù)人員修改賦值的部分，此部分不作為典型裝配單元的識別依據(jù)。例如將粘貼產(chǎn)品上的熱敏電阻作為一個獨立的裝配單元，可將粘貼操作規(guī)范作為固定屬性，作為本單元的主要內(nèi)容，將熱敏電阻編號、粘貼位置等作為可變屬性，供工藝技術(shù)人員賦值。為實現(xiàn)典型裝配單元模塊工藝的快速應(yīng)用，劃分裝配單元時可變屬性數(shù)量應(yīng)盡量少，同時盡量將可變屬性定義為數(shù)值格式或數(shù)據(jù)量較小的文本格式。

1.1 基于裝配過程中各階段獨有的工藝特征劃分

組成產(chǎn)品的每個零件都可以提煉出一組描述與其裝配有關(guān)的工藝特征[4]。裝配工藝特征主要描述實現(xiàn)產(chǎn)品某部分裝配所需采取的操作方式及所需要選用的工藝裝備等信息，其中操作方式可以是不同工種，如電裝、鉗裝等，也可以細(xì)化為焊接、膠接、吊裝等。由于相似的工藝特征所采用的操作方式或選用的工藝裝備相同或相近，因此具體零件的裝配工藝特征可表示為操作方式或工藝裝備的集合?？梢哉J(rèn)為一組零件其共用的操作方式或工藝裝備越多（通用工具除外），則零件的相似程度越高，劃分為同一裝配單元的可行性越高。相似程度系數(shù)可按公式

計算，式中：xi與xj為待分析的零件；Sij為xi與xj的相似系數(shù)；kij為零件xi與xj使用同一工裝的數(shù)量或相同操作方法的數(shù)量；ki、kj分別為零件xi與xj各自單獨使用的工裝數(shù)量或操作方法的數(shù)量。

此部分特征主要由裝配關(guān)系確定，限制了工藝方法、操作規(guī)范、工藝裝備、使用情況等內(nèi)容。按此關(guān)系劃分的裝配單元適用范圍廣、通用性強，可實現(xiàn)不同型號間的借用。

1.2 基于產(chǎn)品各部分組合關(guān)系劃分

Lambert[5]等研究將實現(xiàn)相同功能且穩(wěn)定連結(jié)的零件作為獨立的子裝配體的方法可借鑒用于劃分典型裝配單元。對于包含多個零件的裝配體，按照裝配過程中零件間裝配關(guān)系的相對變化將一個或多個零件組合成裝配單元，可具體理解為將產(chǎn)品分解為相對獨立的部分，每個部分內(nèi)部的裝配關(guān)系固定，在整個或大部分裝配過程中作為整體參加流轉(zhuǎn)。此部分裝配單元劃分主要依據(jù)零件與周邊零件之間裝配關(guān)系的變化情況來確定：變化次數(shù)越少，則相對關(guān)系越穩(wěn)定。

進(jìn)行一組零件（兩個以上）相對關(guān)系判別時，除了與本組內(nèi)兩兩相鄰的零件之間的穩(wěn)定關(guān)系有關(guān)外，還與該組零件中各相對關(guān)系產(chǎn)生變化的時刻有關(guān)：變化的時刻越接近，劃分為同一裝配單元的可行性越高。

本類裝配單元劃分主要依靠各單位工程經(jīng)驗確定，按各單位成熟工藝技術(shù)流程及生產(chǎn)線流轉(zhuǎn)路線可確定。

1.3 劃分典型流程

將不同裝配單元作為基本元素，可將裝配流程按照上述方法劃分成特殊的裝配單元，此部分典型流程可作為頂層裝配單元供工藝設(shè)計時查詢及調(diào)用。

2 模塊化工藝應(yīng)用

將整個裝配過程劃分為一組裝配單元以后，將能夠指導(dǎo)完成某個典型裝配單元操作的工藝文件進(jìn)行固化即可得到模塊化工藝。此類工藝的特點是不經(jīng)修改或經(jīng)少量修改后可在不同產(chǎn)品間相互借用或是在同一產(chǎn)品全裝配周期過程中反復(fù)應(yīng)用。應(yīng)用模塊化工藝需要解決典型裝配單元識別、建立模塊化工藝數(shù)據(jù)庫、模塊化工藝檢索等方面的問題。

2.1 識別典型裝配單元

典型裝配單元是編制模塊化工藝的依據(jù)，準(zhǔn)確地識別出典型裝配單元是建立模塊化工藝數(shù)據(jù)庫的首要任務(wù)，結(jié)合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及本單位生產(chǎn)規(guī)劃對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析是識別典型裝配單元的有效途徑。由于裝配單元特征屬性值種類較少，可以通過對每一個裝配單元的特征屬性進(jìn)行統(tǒng)計，提煉出使用頻率高或能夠預(yù)見的有借鑒意義的裝配單元定義為典型裝配單元。

2.2 建立模塊化工藝數(shù)據(jù)庫

模塊化工藝數(shù)據(jù)庫是模塊化工藝應(yīng)用的基礎(chǔ)。工藝技術(shù)人員按照識別出的典型裝配單元編制模塊化工藝文件，該文件經(jīng)工藝專家組審核通過后便可固化提交數(shù)據(jù)庫。工藝文件全文作為檢索結(jié)果，工藝技術(shù)人員按照裝配單元特性為對應(yīng)的模塊工藝賦予查詢值，并在后續(xù)的應(yīng)用過程中不斷修正及補充。模塊化工藝數(shù)據(jù)庫建立流程如圖1所示。

圖1 模塊化工藝數(shù)據(jù)庫建立流程Fig.1 Building database of modularization process

2.3 模塊化工藝檢索

為保證檢索結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先須對檢索特征值進(jìn)行規(guī)范，檢索特征值應(yīng)該是典型裝配單元的固定屬性，即典型裝配單元特征庫提供的可供檢索的屬性，如：“器衣”、“粘貼熱敏電阻”、“吊裝”等。

檢索典型模塊化工藝時按照先總體后具體的順序，即按照流程、工序、工步的順序進(jìn)行檢索。首先以產(chǎn)品組成及特殊工藝要求為特征值選擇典型流程作為骨架，然后以流程各節(jié)點為檢索值檢索典型工序，最后根據(jù)工序內(nèi)各工步內(nèi)容檢索，最終完善工藝文件細(xì)節(jié)。

模塊化工藝檢索的本質(zhì)是查詢典型裝配單元與待查目標(biāo)之間的相似匹配。相似匹配性通過相似度來衡量[6]。定義對象x、y的相似度為sim(x,y)，sim(x,y) ∈[0,1]，且滿足條件：

① 互換性，即sim(x,y)= sim(y,x)；

② 自反性，即sim(x,x)=1；

③ 非負(fù)性，即sim(x,y)≥0。

根據(jù)特征值數(shù)量及種類，可分如下3種情況計算相似度。

1）當(dāng)特征值唯一且為確定數(shù)值時，相似度sim(x,y)可用公式

計算，式中α，β分別為變量x、y取值范圍的上限及下限x,y∈[α, β]，為方便計算，限定α、β滿足如下條件：

①α≤min(x,y)；

②β≥max(x,y)；

③β-α＝10i（i＝1, 2, …,n），在滿足上述條件的前提下，i盡量小。

2）當(dāng)特征值唯一且賦值為文本或其他非數(shù)值屬性時，相似度sim(x,y)按公式

計算，式中f(x)、f(y)為模糊值變量的定量轉(zhuǎn)換函數(shù)，f(x) 、f(y) ∈[0, 1]，不同變量賦值按工程經(jīng)驗確定。例如將裝配周期作為變量，可將其分為長、較長、中等、較短、短5個檔次，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)f(x)可賦值為f(x)={0，0.25，0.5，0.75，1}。

3）當(dāng)特征值不唯一，假設(shè)待查裝配單元Q包含t個特征值，即Q={a01,a02,…,a0t}，則Q與M個典型裝配單元中某個具體單元Mk的相似度可按如下公式

為對象a0i、aki的相似度，根據(jù)對象a0i、aki屬性不同，分別應(yīng)用式(2)、式(3)計算。

根據(jù)如上所列公式，具體檢索某個裝配單元Q與典型裝配單元庫P={P1,P2,…,Pn}中各典型裝配單元匹配關(guān)系時，可按如下方法進(jìn)行計算確定：

① 輸入查詢目標(biāo)Q，并設(shè)定Q中各屬性的權(quán)值為(wl,w2,…,wi)，各項權(quán)值按工程經(jīng)驗由工藝專家確定；

② 從查詢目標(biāo)中選取必須滿足的幾個約束條件，即裝配單元的固定屬性（此部分屬性權(quán)值應(yīng)設(shè)置得較大），在待查詢目標(biāo)P中找出與Q的固定屬性相同的所有目標(biāo)。如檢索到的目標(biāo)唯一，則可直接引用該模塊單元對應(yīng)的模塊化工藝；如檢索結(jié)果不唯一，則進(jìn)行以下步驟；

③ 假設(shè)檢索到M個滿足約束條件的目標(biāo)，按照上述相似度計算公式將Q分別與M個模塊單元進(jìn)行進(jìn)一步相似匹配計算，得到相似度S1,S2, …,SM；

④ 提取最佳匹配實例。比較相似度S1,S2, …,SM的大小，求出相似度最大的實例。若Sj=max(S1,S2,…,SM)，則典型裝配單元Mj是待查目標(biāo)Q的最佳匹配單元，Mj對應(yīng)的典型工藝即為希望得到的檢索結(jié)果。

3 應(yīng)用模塊化工藝的工藝設(shè)計流程

裝配工藝設(shè)計的一般工作流程為：首先綜合分析裝配目標(biāo)的相關(guān)信息確定工藝路線，然后按照工藝路線編寫各工序內(nèi)容以完成工藝設(shè)計。應(yīng)用模塊化典型工藝進(jìn)行工藝設(shè)計增加了典型工藝識別、典型工藝模塊庫維護(hù)及以模塊化內(nèi)容為單獨裝配單元的流程規(guī)劃等工作，整個工藝設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 工藝設(shè)計流程圖Fig.2 The flow chart of process design

4 應(yīng)用實例分析

“天宮一號”目標(biāo)飛行器實驗艙艙門外、艙體前錐段外側(cè)、艙體柱段外側(cè)、艙體后錐段外側(cè)、艙體后球底外側(cè)及前錐防護(hù)板外側(cè)、柱段防護(hù)板外側(cè)均需包覆熱控多層，各部分多層制作略有差異。但在“天宮一號”總裝流程中，熱控多層制作無論從工藝方法還是與周邊其他零件的相對關(guān)系上都有明顯的區(qū)別，可作為一個獨立的裝配單元；并且由于艙體需包覆多層部位較多，多層制作工藝應(yīng)用頻繁，可將該裝配單元作為典型裝配單元編制模塊工藝。下面以實驗艙柱段外側(cè)多層組件制作為例，重點介紹模塊工藝應(yīng)用過程。該裝配單元特征屬性見表1，其中取樣方法等為可變屬性，不作為檢索值。

表1 熱控多層組件裝配單元屬性表Table 1 Properties of assembly unit for multi-layer thermo-control component

由于成型方法為固定屬性且所占權(quán)重較高，按照此屬性在典型裝配單元庫中選擇具有相同成型方法的典型裝配單元，檢索結(jié)果見表2。

表2 典型裝配單元屬性表Table 2 Properties of typical assembly units

將所有文字屬性模糊函數(shù)均按照相同賦值為1，不同賦值為 0，依公式(4)分別計算可得：S1(Q,M1)=0.529；S2(Q,M2)=0.447；S3(Q,M3)=0.4；S4(Q,M4)=0.49。比較上述結(jié)果，可知S1=max(S1，S2,S3,S4)，按照典型裝配單元1編制的模塊化工藝滿足使用要求，可調(diào)用該模塊化工藝，并修改完善即得到實驗艙柱段外側(cè)多層組件制作的工藝文件。

按照上述方法，“天宮一號”總裝過程中的吊裝、轉(zhuǎn)運、多層制作、輻射器安裝、兩艙對接等均實現(xiàn)了模塊化工藝應(yīng)用，共識別、生成模塊化工藝6項，每項模塊化工藝平均被引用8次以上，極大節(jié)省了工藝文件編制時間，提高了工藝設(shè)計工作效率。

5 結(jié)束語

本文探討了基于典型工藝模塊化的快速工藝設(shè)計技術(shù)，提出了以工藝特征、產(chǎn)品各零件間關(guān)聯(lián)關(guān)系等作為判別依據(jù)劃分裝配單元的方法，并闡述了應(yīng)用模塊工藝的工藝流程設(shè)計方法，分析了應(yīng)用模塊化工藝提高工藝設(shè)計效率的可行性。與傳統(tǒng)工藝設(shè)計方法相比，應(yīng)用模塊化工藝更有利于成熟工藝的沿襲與共享，能夠?qū)崿F(xiàn)局部參數(shù)化設(shè)計。通過在“天宮一號”總裝工藝設(shè)計過程中的實際應(yīng)用，證明該方法應(yīng)用簡單，能夠有效提高工藝設(shè)計效率。

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