基于數(shù)字化協(xié)同制造的飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)

沈清方，艾 奇

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

傳統(tǒng)的飛機(jī)制造裝配協(xié)調(diào)工藝技術(shù)采用的是基于模擬量傳遞方式為主的模線-樣板-標(biāo)準(zhǔn)工裝 （模板、樣件、量規(guī)等）工作方法[1]。其裝配協(xié)調(diào)的工藝技術(shù)方法復(fù)雜，難度大；另外，在傳統(tǒng)的飛機(jī)研制過(guò)程中，工藝生產(chǎn)準(zhǔn)備、裝配工藝設(shè)計(jì)等，都是依靠人工經(jīng)驗(yàn)和手工的方法進(jìn)行的，包括利用模線、樣板、標(biāo)準(zhǔn)工裝進(jìn)行協(xié)調(diào)，利用人工方法依據(jù)二維紙質(zhì)文件/圖樣進(jìn)行工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)/編制，所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上的協(xié)調(diào)都是依靠模線進(jìn)行的，產(chǎn)品、工裝在制造過(guò)程中都是靠樣板進(jìn)行協(xié)調(diào)的等。工藝方法協(xié)調(diào)性、可靠性均較差，環(huán)節(jié)特別多，效率低，周期長(zhǎng)，質(zhì)量難以保證穩(wěn)定。而自20世紀(jì)80年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造 （CAD/CAM）技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等迅速發(fā)展并成熟了起來(lái)，也使飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)隨之迅速發(fā)展并成熟起來(lái)。以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家首先開始研究和采用這一新技術(shù)，并盡快把它應(yīng)用到了航空航天制造業(yè)中。這項(xiàng)技術(shù)以全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程、虛擬制造技術(shù)、整體結(jié)構(gòu)件NC加工技術(shù)、復(fù)合材料成形技術(shù)、激光定位跟蹤技術(shù)和各種自動(dòng)化定位技術(shù)為主要標(biāo)志，從根本上改變了飛機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造方式，大幅度地提高了飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平。因此如果我國(guó)航空制造業(yè)要在當(dāng)前國(guó)際航空制造業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境中立足，那么采用數(shù)字化飛機(jī)裝配制造技術(shù)是當(dāng)前我國(guó)航空制造業(yè)發(fā)展的必由之路。

1 基于MBD技術(shù)的飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同制造

1.1 MBD技術(shù)概述

隨著CAD技術(shù)在90年代末加入了三維標(biāo)注的功能以及ASME開展了系列數(shù)字化定義標(biāo)準(zhǔn)的研究，并使用三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)在三維數(shù)據(jù)集中定義所有的產(chǎn)品信息，一個(gè)全新的產(chǎn)品圖樣概念： “MBD”誕生了，它完全替代了二維工程圖紙的作用，MBD用集成的三維實(shí)體模型來(lái)完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品定義、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法，三維實(shí)體模型成為生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù),改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主而以三維實(shí)體模型為輔的制造方法。

1.2 基于MBD技術(shù)的飛機(jī)數(shù)字化并行設(shè)計(jì)

由于采用了MBD模型進(jìn)行產(chǎn)品的定義并向后續(xù)的制造裝配環(huán)節(jié)傳遞，因此，在全三維的模式下進(jìn)行裝配工藝的設(shè)計(jì)將與傳統(tǒng)的二維模式產(chǎn)生很大的不同，使得設(shè)計(jì)、工藝和工裝部門可以并行工作，而這需要依托一個(gè)協(xié)同平臺(tái)，飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是并行協(xié)同研制模式，所以在飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)中必須要有一個(gè)協(xié)同平臺(tái)，讓整個(gè)裝配業(yè)務(wù)流程中所有相關(guān)的人員/信息/系統(tǒng)通過(guò)它關(guān)聯(lián)起來(lái)，從而提高產(chǎn)品的裝配工作效率；飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)中的三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)是伴隨著CAD技術(shù)、CAM和數(shù)字化測(cè)量集成技術(shù)的發(fā)展得到逐步完善。因此，通過(guò)三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，我們可以定義出飛機(jī)產(chǎn)品的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，它是由設(shè)計(jì)、工藝、工裝和檢測(cè)人員的協(xié)同定義而生成的，包括從設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)到生產(chǎn)檢驗(yàn)的各級(jí)數(shù)字樣機(jī)，并使其成為后續(xù)進(jìn)行裝配安裝、檢驗(yàn)工作和建立單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)，以及開展協(xié)同工作的對(duì)象。所有工作圍繞設(shè)計(jì)系統(tǒng) （VPM）與工藝/裝系統(tǒng)（DELMIA）的協(xié)同與更改來(lái)實(shí)現(xiàn)，基于MBD的設(shè)計(jì)（VPM）和工藝/裝 （DELMIA）系統(tǒng)的協(xié)同工作機(jī)制（見圖1）。在這一平臺(tái)上通過(guò)采用專用軟件工具輔助工藝員、工裝設(shè)計(jì)員進(jìn)行工藝和工裝的設(shè)計(jì)，確定關(guān)鍵特性和協(xié)調(diào)方案，制定裝配流程、裝配方法，及各裝配環(huán)節(jié)所需要的制造資源 （見圖2），本文重點(diǎn)介紹在這一平臺(tái)上采用法國(guó)達(dá)索公司數(shù)字化制造軟件DELMIA進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)的方法。

圖1 設(shè)計(jì)（VPM）和工藝/裝（DELMIA）系統(tǒng)協(xié)同工作機(jī)制

圖2 設(shè)計(jì)（VPM）和工藝/裝（DELMIA）系統(tǒng)協(xié)同工作流程

2 基于DELMIA的飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)

某型號(hào)飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)采用全數(shù)字化產(chǎn)品定義，產(chǎn)品設(shè)計(jì)只輸出基于MBD的三維數(shù)模，與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸二維圖樣和技術(shù)條件的工藝設(shè)計(jì)完全不同，工藝設(shè)計(jì)部門針對(duì)該型號(hào)工藝設(shè)計(jì)工作總結(jié)出了一套新的工作方法，該方法主要依托DELMIA軟件中的的DPE(Delmia process engineer)和DPM(Delmia process manufactury)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，以下簡(jiǎn)單介紹該方法在該型機(jī)工藝設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用。

2.1 基于DPE的三維裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃就是通過(guò)分析飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)來(lái)確定裝配方案。設(shè)計(jì)部門的數(shù)字樣機(jī)為工藝部門提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在三維環(huán)境下，產(chǎn)品的外形和實(shí)體模型都呈現(xiàn)在工藝人員面前，工藝人員可以直觀地測(cè)量和分析，確定工藝分離面、指令性裝配順序圖、主要零組件裝配基準(zhǔn)及定位方法、主要協(xié)調(diào)部位及方法、裝配工位、部件的裝配順序和部件對(duì)合方案，并在上述工作進(jìn)行的同時(shí)開展相應(yīng)的工裝的設(shè)計(jì)和制造工作[2]。具體工作分為工藝模板定制和詳細(xì)工藝規(guī)劃兩個(gè)方面。

2.1.1 使用DPE進(jìn)行工藝模板定制

飛機(jī)裝配工藝模板的定制首先要建立典型裝配工藝流程的Process Library，在DPE模塊文件菜單的Library工具條下，建立某機(jī)型工藝流程模板；同時(shí)在Process Plan types下建立典型工藝流程模板樹，并設(shè)定其相對(duì)關(guān)系及屬性，在Resources Plan types下建立典型資源樹模板，并設(shè)定其相對(duì)關(guān)系及屬性，在Product Plan types下建立設(shè)計(jì)視圖，實(shí)際應(yīng)用時(shí)直接導(dǎo)入產(chǎn)品EBOM（見圖3）

圖3 DPE中某機(jī)型工藝流程模板

2.1.2 使用DPE進(jìn)行詳細(xì)工藝規(guī)劃

飛機(jī)裝配的詳細(xì)工藝規(guī)劃首先需要應(yīng)用建立好的典型裝配工藝流程庫(kù)，在DPE中建立新的工程項(xiàng)目，并建立PPR構(gòu)架；然后導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)據(jù)：在product結(jié)構(gòu)樹中建立產(chǎn)品EBOM，將產(chǎn)品三維數(shù)模鏈接到結(jié)構(gòu)樹下；再按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，劃分出工藝分離面，在process結(jié)構(gòu)樹中建立產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹；然后將產(chǎn)品數(shù)據(jù)指派到相應(yīng)的工藝節(jié)點(diǎn)下，并在各節(jié)點(diǎn)下注明主要零/組件的裝配方法、定位基準(zhǔn)、完工狀態(tài)等信息 （產(chǎn)品數(shù)據(jù)指派完成后，運(yùn)行相關(guān)腳本程序，軟件可按照各工藝分離面包含零/組件情況在product view下生成產(chǎn)品PBOM）。最后根據(jù)建立好的產(chǎn)品工藝樹搭建產(chǎn)品資源樹 （搭建的工藝結(jié)構(gòu)樹如下圖4）。

圖4 DPE中某機(jī)型工藝結(jié)構(gòu)樹

2.2 基于DPM的飛機(jī)數(shù)字化裝配詳細(xì)設(shè)計(jì)與仿真

2.2.1 基于DPM的詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)

DPM數(shù)字化裝配仿真在該型號(hào)工藝設(shè)計(jì)工作中的實(shí)現(xiàn)首先需要建立典型工藝流程庫(kù)；其次新建Process文件，搭建PPR構(gòu)架，導(dǎo)入產(chǎn)品數(shù)據(jù)與資源數(shù)據(jù)；然后在DPM中調(diào)用制作好的工藝流程庫(kù)，搭建產(chǎn)品工藝流程樹，參照現(xiàn)有AO指令建立AO級(jí)子項(xiàng)目，將所有部件的參裝零件指派到相應(yīng)AO中；然后再制作零件運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真和人機(jī)過(guò)程仿真，最后在PERT圖中調(diào)整AO順序，形成完整的裝配過(guò)程仿真（見圖5，圖6）。

圖5 DPM環(huán)境下某機(jī)型裝配仿真設(shè)計(jì)

圖6 某機(jī)型裝配工藝仿真PERT圖

上述所有工作完成后，主管工藝人員則可發(fā)出部件裝配協(xié)調(diào)方案，標(biāo)工協(xié)調(diào)圖表、工裝品種表、成套件圖表等指令性文件，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工裝訂貨；車間工藝員可根據(jù)相關(guān)信息初步提出工裝訂貨，并著手在CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)）中進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)，進(jìn)行生產(chǎn)面積測(cè)算和工藝布局方案初步設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)并行工作，值得一提的是車間級(jí)工藝人員現(xiàn)在可以使用在CAPP中結(jié)合3DVIA-Composer軟件協(xié)助工藝文檔編制，3DVIA-Composer是一款完整制作產(chǎn)品說(shuō)明文檔的軟件，可以使用它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí)制作大量的3D描述文檔 （如3D插圖等），使以往二維平面AO指令顯性化、直觀化，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員理解執(zhí)行。而在工裝設(shè)計(jì)方面，工裝設(shè)計(jì)可進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì) （確定型架形式、產(chǎn)品定位方法等），利用三維可視化的環(huán)境對(duì)工藝分離面下的零、部件進(jìn)行裝配順序仿真，就可以完成工裝的初步及詳細(xì)設(shè)計(jì)，大致過(guò)程為：首先利用之前的工藝分離面下產(chǎn)品數(shù)模及工藝信息的描述，確定工裝的框架大小及框架形式，其次利用裝配順序仿真，確定工裝的總體設(shè)計(jì)方案，如：主 （重）要零、組件的定位方式，產(chǎn)品出架方式等。最終對(duì)零件裝配順序逐一進(jìn)行仿真播放，確定工裝的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，如：全部零、組件的定位器形式、定位方法、使用方法等，應(yīng)用DPM模塊的裝配仿真功能進(jìn)行裝配工裝設(shè)計(jì)，直觀、真實(shí)的反映了零件的裝配順序和零件與工裝的相對(duì)關(guān)系，大大降低了對(duì)工裝設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)和空間想象力的要求，極大提高了工裝設(shè)計(jì)的效率、正確性和合理性，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)并行產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。

2.2.2 裝配仿真與工藝優(yōu)化

裝配仿真與工藝優(yōu)化工作的方法見圖7。首先在AO下建立工序，編寫工序內(nèi)容。

其次在工裝設(shè)計(jì)結(jié)束后，將廠房、工裝、工具、工人等資源模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入DPE中（通用工裝、工具等可在資源庫(kù)中調(diào)用），結(jié)合產(chǎn)品一起，制作組件、段件、部件的裝配路徑。然后按工序進(jìn)行零件運(yùn)動(dòng)路徑仿真及優(yōu)化。以上工作完成后，在DPM中進(jìn)行產(chǎn)品裝配過(guò)程演示，檢查產(chǎn)品裝配順序合理性，檢查運(yùn)動(dòng)過(guò)程干涉情況，根據(jù)演示中出現(xiàn)的問(wèn)題調(diào)整AO順序，從而優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)。

圖7 DPM環(huán)境下某機(jī)型裝配仿真與工藝優(yōu)化

3 飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)的實(shí)施意義

在該機(jī)型研制工作中,對(duì)基于MBD應(yīng)用DELMIA軟件進(jìn)行了數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真工作，解決了以往產(chǎn)品研制工藝準(zhǔn)備中使用傳統(tǒng)工藝方法出現(xiàn)的一些問(wèn)題。通過(guò)三維展示使裝配工藝設(shè)計(jì)工作顯性化，而通過(guò)裝配仿真驗(yàn)證可預(yù)先發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)不合理以及通路驗(yàn)證、工藝布局等方面的問(wèn)題，根據(jù)模擬、分析和裝配工效評(píng)估的結(jié)果可對(duì)工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線布局等進(jìn)行修改和優(yōu)化，確保了產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)和工藝資源配備的合理性，并為工藝設(shè)計(jì)無(wú)紙化及設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)并行工作奠定基礎(chǔ)，提高了工藝設(shè)計(jì)、零組件及工裝制造的準(zhǔn)確性、協(xié)調(diào)性和可靠性，從而提高了型號(hào)試驗(yàn)件的裝配質(zhì)量和效率。與以往的型號(hào)研制相比，在該機(jī)型試驗(yàn)件生產(chǎn)制造中，裝配工裝設(shè)計(jì)或制造協(xié)調(diào)問(wèn)題比以往減少了90%以上，部裝中的零組件裝配協(xié)調(diào)問(wèn)題也減少了90%以上，極大地縮短了設(shè)計(jì)變更、工藝規(guī)劃和工藝準(zhǔn)備時(shí)間，有效降低了操作人員工作難度、生產(chǎn)成本，提高了工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

飛機(jī)的裝配是一項(xiàng)技術(shù)難度大、復(fù)雜程度高、涉及學(xué)科領(lǐng)域多、協(xié)作關(guān)系復(fù)雜的綜合性高技術(shù)，由于飛機(jī)產(chǎn)品要求高可靠性，且使用周期長(zhǎng)、對(duì)裝配質(zhì)量要求十分嚴(yán)格，因此，只有將現(xiàn)代化飛機(jī)裝配數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)中，才能滿足其發(fā)展要求。

[1]范玉清.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[2]航空制造工程手冊(cè)總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè)（第2版，飛機(jī)裝配）.北京:航空工業(yè)出版社,2001.