數(shù)字化裝配工藝與裝配過程管理協(xié)同設計

中 航 工 業(yè) 沈 陽 發(fā) 動 機 設 計 研 究 所 呂玉紅 吳法勇 王 彤

中航工業(yè)沈飛民用飛機設計有限公司工程研發(fā)中心 杜洪雨

航空工業(yè)尤其是軍用航空發(fā)動機對整個國家科技的發(fā)展、對整個工業(yè)基礎、國防力量、國民經(jīng)濟、科技實力的提升乃至國家綜合競爭力的帶動都有著重要作用，它的發(fā)展也始終和科學技術的發(fā)展相輔相成、互相促進。發(fā)動機的研發(fā)過程是一項涉及學科非常多，環(huán)節(jié)非常繁瑣的系統(tǒng)工程，需要根據(jù)試車性能和綜合表現(xiàn)，對發(fā)動機不斷進行結構改進，工藝改進，故障排除改進來調(diào)整實物狀態(tài)，同時，結構件的串換、修改補加工等也幾乎發(fā)生在所有臺次的發(fā)動機中，如何在研發(fā)批次發(fā)動機裝配過程中進行裝配工藝與裝配過程管理協(xié)同設計，通過數(shù)字化手段實現(xiàn)靈活的工藝設計和準確的實物狀態(tài)管理，是整機研發(fā)過程中的基礎需求，也是為綜合評價整機質量，評估結構改進措施，優(yōu)化結構提供基礎保障的重要任務之一。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

裝配工藝設計和裝配執(zhí)行管理作為最終裝配的兩個階段，采用的數(shù)字化手段一直在各自獨立發(fā)展。裝配工藝設計方面，CAPP輔助工藝設計平臺、公差預測與分析軟件Em-TolMate、交互式電子技術手冊IETM、PTCArbortext、達索 Dassult 3DVIA-composer等都被廣泛應用于裝配工藝設計。例如，CFM56發(fā)動機裝配維修手冊采用ATA100標準編寫3級交互式電子手冊（如圖1所示），是CFM56發(fā)動機全生命技術支持的重要組成部分，全面指導大修過程。而制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System ）自1990年11月由美國先進制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出以來，尤其是在2004年MESA 提出MES體系結構后，更是逐步被越來越多的國內(nèi)外企業(yè)所應用，逐漸發(fā)展出ERP、 MES、 CIMS、SCM等不同平臺，為企業(yè)提供包含制造數(shù)據(jù)管理、計劃編排、生產(chǎn)調(diào)度、庫存、質量、采購、人力、工裝工具、成本以及生產(chǎn)過程等各個方面的制造協(xié)同管理平臺。這些成熟數(shù)字化手段的廣泛應用對于制造企業(yè)的成本控制和質量控制等起到重要作用。

圖1 CFM56電子手冊頁面導航Fig.1 Manuals of CFM56

與常規(guī)制造企業(yè)相比，目前國內(nèi)航空發(fā)動機研發(fā)階段的數(shù)字化裝配工藝設計和裝配過程管理仍停留在原始階段。裝配工藝設計依靠teamcenter 設計平臺進行流程簽署控制，但工藝方案設計本身仍然停留在word文檔編制，以及UG和CAD畫圖的階段，裝配過程執(zhí)行和管理更是主要停留在紙質工藝單執(zhí)行控制的階段，雖然目前初步探索建立裝配過程管理系統(tǒng)APMS進行過程管理，但是仍然遠遠滯后于其他行業(yè)的發(fā)展水平，存在應用深度不多、范圍窄以及“信息孤島”等實際問題[1]，而協(xié)同設計在航空發(fā)動機裝配工藝和裝配過程管理中更是剛剛處于理念階段。

協(xié)同設計在飛機行業(yè)的發(fā)展遠遠早于發(fā)動機行業(yè)，波音777的研發(fā)開辟了數(shù)字化協(xié)同設計的先河，使得8000多人的238個獨立團隊完成了10萬個零件的數(shù)字化定義和裝配，研發(fā)周期縮短40%，設計更改減少93%，設計費用減少94%，裝配過程問題減少50%～80%[2]。在航空發(fā)動機領域，通用電氣發(fā)動機部在1998年實施了發(fā)動機異地協(xié)同設計和制造發(fā)展規(guī)劃，大大減少概念設計和詳細設計的時間。普惠公司在企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的基礎上，采用繼承產(chǎn)品開發(fā)IPD（Integrated Produced Development）團隊形式來管理發(fā)動機全周期的相關經(jīng)濟技術活動。這些數(shù)字化協(xié)同設計的理念在產(chǎn)品設計階段的應用較多，但是在具體的整機裝配階段卻相對較少[3]。而發(fā)動機研發(fā)狀態(tài)下，裝配工藝設計與裝配過程管理的快速協(xié)同設計有著強烈的需求，也是設計狀態(tài)管理與實物狀態(tài)管理的基礎保障之一。

2 協(xié)同設計需求

典型的數(shù)字化設計制造流程可分為3個階段，包括數(shù)字化產(chǎn)品設計，數(shù)字化裝配工藝設計和生產(chǎn)制造執(zhí)行3個階段，對于生產(chǎn)線批量產(chǎn)品來說，這種流程的運行是單向且穩(wěn)定的，但是對于發(fā)動機研發(fā)階段的產(chǎn)品而言，產(chǎn)品結構和生產(chǎn)過程存在極大的不穩(wěn)定性和不確定性，流程復雜多變。目前航空發(fā)動機科研院所是將設計、試驗與裝配等環(huán)節(jié)一體化，所有類型發(fā)動機的裝配工藝設計與實物裝配都在同一部門、由同一批操作人員進行裝配工藝設計和實物裝配，總體、部件、試驗、機關和領導的設計要求，都歸結到裝配部門執(zhí)行。當裝配部門面對一系列結構相似但又多變的裝配工藝設計需求，以及單臺次定制的實物裝配要求時，裝配工藝設計的快速性和連續(xù)性，裝配過程的準確性就成為必須解決的關鍵問題之一。

常規(guī)制造企業(yè)的裝配工藝設計和制造過程管理的數(shù)字化手段在應用到發(fā)動機研發(fā)階段時存在眾多制約，這些制約主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 結構設計方面

發(fā)動機研發(fā)一直是多改進手段并行，即使同一類型不同臺份之間也可能由于結構完善和故障排除等改進措施而使結構不同。這種持續(xù)不斷的結構改進對裝配工藝設計的繼承性和快速性提出更高要求。同時這種裝配工藝必須迅速傳遞到裝配過程管理中，這就需要裝配工藝設計與裝配過程管理的快速協(xié)同。

2.2 工藝設計方面

發(fā)動機裝配工藝設計還處于探索階段，裝配路徑的調(diào)整、新工序的改進、新工藝方法的設計都存在極大的不確定性和不穩(wěn)定性，裝配工藝的設計必須適應工藝改進的需求，對于裝配工藝設計的靈活性提出明確要求。同時，裝配BOM如何快速繼承設計BOM，工藝方案如何快速傳遞到裝配執(zhí)行過程等也都需要高效的協(xié)同平臺來實現(xiàn)。

2.3 定制的裝配要求方面

發(fā)動機研制過程是不斷根據(jù)試驗和試車表現(xiàn)進行更改的過程，可能因為不同的試車表現(xiàn)而更換調(diào)整部分組件或實施部分工藝，這就需要裝配工藝設計滿足維修性和保障性的需求，在裝配路徑規(guī)劃和工序規(guī)劃時具備充分的靈活性。同時，這種頻繁變化的裝配工藝要求也需落實到裝配過程執(zhí)行，要求兩者的協(xié)調(diào)一致。同時，串換件、結構修改、故障排除等不確定性和不穩(wěn)定性的裝配要求，也同樣需要裝配工藝設計與裝配過程管理的高度同步，才能夠保證準確評估研發(fā)循環(huán)改進效果。

綜上可知，無論結構設計方面，還是工藝設計或定制臺次裝配要求方面，對于裝配工藝與裝配過程管理的協(xié)同設計都提出了迫切的要求。

3 協(xié)同設計方案

發(fā)動機研發(fā)單位在進行數(shù)字化裝配平臺的建設規(guī)劃時，根據(jù)發(fā)動機裝配任務特點，從裝配工藝設計和裝配過程管理兩個方面進行協(xié)同設計和同步規(guī)劃。利用發(fā)動機總體設計部門提供的結構化設計BOM，在裝配工藝設計平臺中進行結構化的裝配BOM設計和工藝設計，使得各臺次定制的裝配需求能夠順利準確的實現(xiàn)，并滿足互換性、維修性、可生產(chǎn)性等不同方面的需求，協(xié)同設計流程圖如圖2所示。

對于裝配工藝設計來說，協(xié)同設計需要建立和維護更細化的工藝規(guī)程體系，并對其進行工序級的版本管理，進而在面臨新的工藝設計需求時，可以快速準確地進行繼承和調(diào)整，以適應多類型多任務的工藝設計要求。同時，對裝配過程單臺次工藝設計提供更合理的數(shù)據(jù)結構和維護模式，依據(jù)結構化規(guī)程快速調(diào)整單臺裝配工藝，以適應定制單臺次裝配的需求。同時，裝配工藝設計時也關注工裝設計，建立專用工裝體系和通用工裝模塊體系，在工裝設計中提供通用模塊參考。

圖2 協(xié)同設計流程圖Fig.2 Flow chart of collaborative design

協(xié)同設計的設計目標是裝配工藝設計與裝配過程管理結合，進行結構化的裝配工藝設計，編制結構化的規(guī)程，同時在設計BOM的基礎上，實現(xiàn)在裝配過程管理系統(tǒng)中創(chuàng)建裝配BOM，繼承裝配邏輯關系。當面對新的工藝設計任務時，可以最大程度繼承相似結構的裝配工藝；當面對不同定制的裝配要求時，能夠在結構工藝規(guī)程的基礎上，快速定制單臺次裝配工藝單和裝配BOM。將實物狀態(tài)控制和過程控制等需求落實到流程執(zhí)行過程中，實現(xiàn)對狀態(tài)和問題的監(jiān)控，保證科研質量。

3.1 裝配工藝設計

裝配工藝設計可以分為3方面的能力建設：工藝設計、工裝設計和工藝仿真。工藝設計需要增強適合三維結構設計條件下的工藝設計，從工藝規(guī)劃、工藝設計、工藝文件發(fā)放、執(zhí)行效果等幾個方面實現(xiàn)三維設計能力。工裝設計需要適合多狀態(tài)條件下的快速工裝設計系統(tǒng)，提高工裝設計效率，提高工裝的適應能力，提高工裝部件的重復使用能力。工藝仿真使用虛擬裝配技術、人機工程技術，在工藝設計階段驗證裝配工藝的適應性，同時也驗證結構設計的可裝配性。

3.2 裝配過程管理

采取流程化管理的模式，從裝配設計、任務分發(fā)、裝配過程管理 ，機件管理、設備工裝管理，統(tǒng)計分析等方面，將科研工作和管理工作流程化，通過軟件的輔助控制功能，保證流程的正確執(zhí)行，進而最終保證工作質量。涵蓋基礎數(shù)據(jù)管理、計劃管理、生產(chǎn)準備管理、現(xiàn)場作業(yè)管理、現(xiàn)場問題管理、故檢管理、維修管理、條碼管理、故障管理、串換件管理、工時管理、工裝工具管理、設備管理、看板管理、綜合統(tǒng)計分析、裝機技術狀態(tài)管理、系統(tǒng)集成接口管理等業(yè)務流程管理的一體化。

3.3 協(xié)同設計基礎

協(xié)同設計過程中，裝配工藝規(guī)程與裝配BOM 的結構化對應關系是協(xié)同設計的基礎。其中，理想的裝配BOM是包含“父子”裝配關系的分層次的目錄形式，這種關系與裝配工藝規(guī)程結構對應。這種結構化的對應，一方面可以適應新裝配工藝設計快速性的要求，可以有針對性地進行工藝更新和編制；另一方面可以滿足單臺次定制裝配的任務特點，當每次的裝配分解要求層次隨意更改時，能夠實現(xiàn)裝配BOM 和技術要求的快速調(diào)整，適應裝配過程多變的特點，利于現(xiàn)場項目執(zhí)行的工藝人員在實際操作中執(zhí)行并監(jiān)督制造過程。協(xié)同設計將發(fā)動機裝配分解過程的所有設計和管理工作數(shù)字化、流程化、透明化，實現(xiàn)業(yè)務流程的自動流轉，實現(xiàn)過程可控、信息可追溯，進度可把握，提高執(zhí)行效率。同時，實現(xiàn)上下游信息的快速傳遞和更改驅動，提高更改和迭代速度[4]。

4 目前建設情況

目前，國內(nèi)在裝配工藝設計與裝配過程管理方面協(xié)同設計處于起步階段，進行了初步的協(xié)同設計，將裝配工藝設計與裝配過程管理同步規(guī)劃建設，由于種種原因，目前僅完成初步的裝配過程管理平臺APMS建設，但由于工藝方面的結構化暫未進行，所以系統(tǒng)暫未全面運行，只是部分模塊進入應用階段。系統(tǒng)運行的制約主要有如下幾個方面。

（1）缺少結構化的工藝規(guī)程。

由于種種原因，輔助工藝設計方面的軟件平臺沒有開發(fā)完成，系統(tǒng)無法繼承結構化的工藝規(guī)程，無法在繼承的基礎上修改工藝單，工藝單的編制需要獨立進行。這種制約也恰恰反映了協(xié)同設計的重要性。

（2）裝配BOM有待完善。

設計BOM轉化為裝配BOM的過程需要持續(xù)改進，在實際現(xiàn)場工藝和裝配的執(zhí)行過程中，目前無法按照實物狀態(tài)控制的目標實現(xiàn)對于實物狀態(tài)控制的相關流程。

（3）硬件條件影響。

系統(tǒng)設計目標是對于現(xiàn)場所有裝配流程執(zhí)行過程的簽署、數(shù)據(jù)記錄、問題反饋等進行電子簽署。但是由于工位計算機、條碼打印、條碼掃描和工卡等硬件沒有完全落實到位，導致系統(tǒng)設計仍然是老方法和新方法并行，沒有實現(xiàn)實物的唯一性控制和跟蹤。

5 結束語

本文探討了數(shù)字化裝配工藝設計和裝配過程管理的協(xié)同設計概念和方案，面向發(fā)動機裝配的全過程，以結構化的工藝實現(xiàn)技術管理到實物狀態(tài)的傳遞和管理，提高工藝設計和裝配過程的快速性，有效性和準確性。但由于目前協(xié)同設計處于規(guī)劃設計中，后續(xù)的理解分析還會不斷提高。但不可否認的是，裝配工藝設計與裝配過程管理的協(xié)同設計，對于提升研發(fā)階段的整機技術水平和管理水平都將具有重要意義。

[1] 李山.航空發(fā)動機數(shù)字化制造技術的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.航空制造技術, 2009(7):66-69.

[2] 黃迪生.數(shù)字化協(xié)同與大飛機工程. 中國制造業(yè)信息化,2008(18):13-15.

[3] 王普,張光星,張姿.航空制造技術, 2005(10):25-30.

[4] 王永拴.航空工業(yè)數(shù)字化協(xié)同現(xiàn)狀與發(fā)展. 航空制造技術,2009(11):62-66.