面向飛機制造的協(xié)同工藝設(shè)計

汪建東，沈清方

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

工藝設(shè)計工作貫穿于整個飛機制造流程當(dāng)中，是生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作的第一步，所策劃的工藝總方案、工藝路線規(guī)劃和工藝規(guī)程是指導(dǎo)工裝制造和零件裝配的主要依據(jù)，它們對組織生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低成本、縮短生產(chǎn)周期及改善勞動條件等都有直接影響，因此，工藝設(shè)計是整個生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵性工作。面向飛機制造的協(xié)同工藝設(shè)計，圍繞著飛機制造過程中與工藝設(shè)計相關(guān)的所有數(shù)據(jù)和過程進(jìn)行協(xié)同工藝設(shè)計,將產(chǎn)品數(shù)據(jù)、設(shè)計活動、相關(guān)人員和應(yīng)用工具統(tǒng)一組織和管理起來。

1 數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計

國內(nèi)飛機數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)已取得了長足進(jìn)步，設(shè)計部門建立全機數(shù)字樣機（DMU）的工作已經(jīng)取得實質(zhì)性的成果，并實現(xiàn)了以飛機全機數(shù)字樣機為基礎(chǔ)，以工藝流程為主導(dǎo)，通過協(xié)同工作平臺采用基于數(shù)字化產(chǎn)品定義（DPD）及基于數(shù)字量傳遞的數(shù)字化協(xié)調(diào)方法，采用計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)產(chǎn)品制造的工藝決策、部件裝配和質(zhì)量檢驗的模擬過程。采取并行協(xié)同工作方式，抽調(diào)工藝代表參與聯(lián)合設(shè)計，舉辦設(shè)計-工藝雙向技術(shù)交流活動、設(shè)計部門向制造廠開放部分PDM功能等，采用基于MBD的數(shù)字化工藝設(shè)計方式，建立三維數(shù)字化工藝設(shè)計，在虛擬工廠環(huán)境下協(xié)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計和裝配過程仿真。

2 工藝設(shè)計過程

2.1 工藝設(shè)計過程特征

工藝設(shè)計過程就是工藝人員從接受工藝設(shè)計任務(wù)到完成全部的工藝設(shè)計工作所需要的一個過程，具有漸進(jìn)性、并發(fā)性和層次性三個基本特征。工藝設(shè)計過程的漸進(jìn)性使得在實際工藝設(shè)計過程中,不能單獨地進(jìn)行一個設(shè)計活動,而要同時考慮其他的設(shè)計要求,這就突出了在設(shè)計過程中與其他部門的協(xié)作與交流的重要性;工藝設(shè)計過程的并發(fā)性需要工藝人員在設(shè)計過程中要全面均衡地考慮各種因素,這使得工藝設(shè)計過程中各項活動間都有著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系;而工藝設(shè)計過程的層次性則要求工藝設(shè)計需要經(jīng)歷一個由粗到精,逐步明晰的過程,在這個過程中要求工藝人員和其他相關(guān)人員都要對設(shè)計出來的工藝及時地反饋信息和同步修改設(shè)計不合理的地方。工藝設(shè)計過程中還包含許多工藝子流程,這些工藝子流程在信息和時間上存在緊密的相互交錯與嵌套,各個工藝子流程間存在著嵌套和相互等待。為了減少流程中的等待,須將傳統(tǒng)的串行工藝設(shè)計流程改為并行工藝設(shè)計流程。

2.2 工藝設(shè)計過程

飛機零件是構(gòu)成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分,品種繁多,形狀復(fù)雜,材料各異,結(jié)構(gòu)件上往往具有各種復(fù)雜型腔,制造工藝難度大,制造水平要求高。對于飛機制造工藝設(shè)計任務(wù),主管總工藝師首先組織擬定工藝方案,確定粗工藝流程,結(jié)合本企業(yè)工藝設(shè)計能力和制造能力,分解工藝設(shè)計任務(wù),然后將各任務(wù)目標(biāo)及約束信息發(fā)布各分廠工藝室。發(fā)布到各分廠工藝室工藝員手中的任務(wù),工藝員可利用本工藝室的所有制造資源進(jìn)行工藝的設(shè)計,在設(shè)計過程中,隨時可向本工藝室各工藝員進(jìn)行交互,實現(xiàn)工藝設(shè)計知識和制造資源的共享。在飛機工藝編制過程中,雖然協(xié)同設(shè)計者分處不同部門,不同地域,但由于同在一個企業(yè)的協(xié)同工藝設(shè)計平臺上工作,他們的設(shè)計結(jié)果可以隨時相互閱覽,對其訪問、編輯等。典型工藝設(shè)計過程如圖1所示。

圖1 典型工藝設(shè)計過程

3 面向飛機制造的協(xié)同工藝設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)工藝設(shè)計

在協(xié)同平臺上設(shè)計部門的全機數(shù)字樣機按基線（成熟度）發(fā)放到企業(yè)的數(shù)據(jù)平臺PDM后，工藝部門從PDM將產(chǎn)品的EBOM調(diào)入三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計和裝配過程仿真系統(tǒng)，就可開始做概念性工藝設(shè)計，在設(shè)計的同時完成工藝性評審和工裝訂貨，此時工裝部門開始做概念性工裝設(shè)計。設(shè)計、工藝、工裝三部門都在并行完成各自的工作，待工裝設(shè)計和工藝設(shè)計完成后就可進(jìn)行三維數(shù)字化虛擬裝配，在虛擬裝配中發(fā)現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計的問題通過協(xié)同平臺及時反饋到設(shè)計部門和工裝部門，發(fā)現(xiàn)的工藝設(shè)計問題則及時糾正。在進(jìn)行三維數(shù)字化虛擬裝配的時候，新一輪的產(chǎn)品三維數(shù)模又發(fā)出，對應(yīng)新的一輪工藝設(shè)計和工裝設(shè)計又開始了。就這樣反復(fù)，直到產(chǎn)品設(shè)計凍結(jié)發(fā)圖。典型并行工藝設(shè)計流程如圖2所示，從中可以看到與傳統(tǒng)的串行模式不同，產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計和工藝設(shè)計都是并行作業(yè)。

圖2 典型并行工藝設(shè)計流程

3.2 設(shè)計制造一體化

由于工藝設(shè)計和工裝設(shè)計工作的提前進(jìn)行，產(chǎn)品的研制周期大大縮短。真正實現(xiàn)了為制造而設(shè)計（Design for Manufacturing，DFM）或設(shè)計制造一體化的最佳運作方式。由于在定制工裝、購買設(shè)備工具和開始實際生產(chǎn)之前，就已經(jīng)分辨和解決了大部分潛在的設(shè)計、工藝變更，因此為變更所產(chǎn)生的花費大幅度的降低。參與并行工作的還有裝配（制造）過程，只不過在這里把真實的裝配過程變成虛擬的裝配過程。企業(yè)除投入人力外幾乎沒有制造實物的費用，卻能把真實的裝配過程的問題差不多都暴露出來，在虛擬的環(huán)境里優(yōu)化整個制造流程，最后在PDM中形成MBOM，并發(fā)送到車間制造執(zhí)行系統(tǒng)MES。

3.3 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計

在數(shù)字化協(xié)同工作平臺的支持下，根據(jù)數(shù)字樣機在三維數(shù)字化環(huán)境下進(jìn)行全機工藝分離面的劃分，并結(jié)合EBOM確定各工藝裝配部件、段件需要裝配的零、組件項目，構(gòu)建工藝大部件模型。在工藝分離面劃分的基礎(chǔ)上，對每個工藝大部件進(jìn)行初步裝配流程設(shè)計，劃分裝配工位，確定在每個工位上裝配的零組件項目，在三維數(shù)字化設(shè)計環(huán)境下構(gòu)建各裝配工位組件裝配的工藝模型。確定裝配工藝基準(zhǔn)和裝配定位方法，并制定出全機各工位之間的裝配流程圖。將產(chǎn)品三維數(shù)模的數(shù)據(jù)EBOM按工藝分工導(dǎo)入三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計環(huán)境中，構(gòu)建產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹PBOM，并且把每個零件的三維數(shù)模與結(jié)構(gòu)樹相關(guān)聯(lián)。在工位劃分的基礎(chǔ)上，依據(jù)段件裝配工藝模型在三維數(shù)字化環(huán)境下進(jìn)一步進(jìn)行各工位內(nèi)的裝配過程設(shè)計，確定每個工位內(nèi)的段件裝配工藝模型零組件的裝配順序，并定義裝配過程對應(yīng)的AO號。

4 結(jié)語

工藝設(shè)計工作不僅涉及企業(yè)的生產(chǎn)類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝裝備、生產(chǎn)技術(shù)水平等，而且還要受到工藝人員實際經(jīng)驗和生產(chǎn)管理體制的制約，其中的任何一個因素發(fā)生變化，都可能導(dǎo)致工藝方案的變化。工藝設(shè)計工作具有多層次性及多階段性、工程更改頻繁、涉及工藝專業(yè)種類繁多、工藝流程復(fù)雜等特點，并且有獨特的工藝過程控制管理體系，圍繞產(chǎn)品BOM進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和管理，覆蓋工藝分工、工藝計劃、材料消耗定額編制、工藝規(guī)程編制、工藝資源管理、工藝知識管理、工時定額管理、工藝審批流程管理、工藝文件查詢、瀏覽、打印發(fā)布、工裝設(shè)計與管理等業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)工藝設(shè)計的緊密協(xié)同工作，提高工藝設(shè)計的效率和質(zhì)量。

[1]范玉青.現(xiàn)代飛機制造技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

[2]許旭東,等.飛機數(shù)字化裝配技術(shù).航空制造技術(shù),2008.1.

[3]郭佳鵬,許建新.面向飛機制造的協(xié)同工藝設(shè)計研究，現(xiàn)代制造工程，2008.5.