商用航空發(fā)動機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)

李冠華，閆 雪，葉代勇，蘇巧靈，殷 鍇

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責任公司，上海200122）

0 引言

產(chǎn)品裝配是制造企業(yè)形成交付產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品質(zhì)量和制造成本具有極其重要的影響，占用了企業(yè)大量的人力和物力。工藝設(shè)計是連接產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)品制造的橋梁，是產(chǎn)品制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。其中，裝配工藝文件是指導(dǎo)零組件裝配過程和工人操作的技術(shù)指導(dǎo)性文件，是集件配套、技術(shù)安排、生產(chǎn)準備等工作的主要依據(jù)。因此，優(yōu)秀的裝配工藝設(shè)計方案對于加速企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠度，降低產(chǎn)品研發(fā)費用，縮短研發(fā)周期具有十分重要的意義。對航空航天產(chǎn)品來說，基于模型的數(shù)字化裝配設(shè)計是虛擬制造的核心技術(shù)之一，是實際裝配過程在計算機上的本質(zhì)體現(xiàn)[2]，其與CAD 技術(shù)相結(jié)合，可以解決設(shè)計與裝配對象在研制過程中難以實現(xiàn)的動態(tài)性能仿真[3]。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，歐美航空航天領(lǐng)域各制造大國均已全面采用3 維數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)[4]，波音公司的777 實現(xiàn)了整機的3 維虛擬裝配工藝設(shè)計與仿真[5]，應(yīng)用基于模型的預(yù)裝配技術(shù)，使波音777 的制造成本降低了20%～40%[6]。

計算機輔助工藝設(shè)計（Computer Aided Process Planning，CAPP) 是近年來發(fā)展起來的1 門機械制造企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，世界上第1 個CAPP 系統(tǒng)由挪威NAKK 提出，稱為Autopros[7]，從根本上改變了依賴于個人經(jīng)驗和人工編制工藝規(guī)程的落后狀況，促進了工藝過程的標準化和最優(yōu)化，提高了工藝設(shè)計的質(zhì)量[8]。20 世紀70 年代以來，世界各國均有開發(fā)，如日本日立制作所的HIMTCS 工藝設(shè)計、美國的Miplan 系統(tǒng)、國際機械制造研究會（CIRP)的CAPP 系統(tǒng)等[9]。中國于20 世紀80 年代初，開始計算機輔助工藝設(shè)計（CAPP)的應(yīng)用研究，近30 年來，在理論實踐上均取得了重大成就，并于1995 年發(fā)布了JB/T7701-1995《計算機輔助工藝規(guī)程（CAPP)設(shè)計導(dǎo)則》[10]，標志著中國CAPP 研究開發(fā)進入成熟期。

基于現(xiàn)代工藝設(shè)計技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文結(jié)合商用航空發(fā)動機生產(chǎn)實際，提出了基于Team Center &Cortona 3D 集成的CAPP 系統(tǒng)，構(gòu)建基于模型的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計環(huán)境。該系統(tǒng)能夠有效提高商用航空發(fā)動機裝配工藝設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研制周期。

1 裝配工藝技術(shù)現(xiàn)狀

中國的航空航天工業(yè)中，基于模型的定義（Model-based Definition，MBD) 技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用[11]。中國某企業(yè)較早實現(xiàn)了數(shù)字化裝配工藝方面應(yīng)用，基于工藝規(guī)劃與設(shè)計基礎(chǔ)平臺（Teamcenter Manufacturing，TCM) 實現(xiàn)工藝結(jié)構(gòu)化，將工藝（Process)、工廠（Plant)、產(chǎn)品（Product)、資源（Resource)統(tǒng)一關(guān)聯(lián)管理[12]，已經(jīng)初步實現(xiàn)了零件裝配、部件裝配、組件裝配以及整個發(fā)動機的裝配工藝設(shè)計的數(shù)字化和虛擬仿真驗證，輸出各級裝配的工藝指導(dǎo)文件。實現(xiàn)了工藝過程相關(guān)的業(yè)務(wù)管理，能接收設(shè)計產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Product Data Management，PDM)的工程物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM)和相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)，保證工藝版本與研發(fā)過程中設(shè)計數(shù)據(jù)版本相匹配。然而，這與理想中三位一體、3 維可視化、系統(tǒng)全面集成、操作便捷、全面滿足未來裝配制造要求的設(shè)計系統(tǒng)仍存在較大的差距，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）工藝設(shè)計任務(wù)通過Excel 進行表單管理，管理效率低下，不直觀。

（2）工藝分工以及工序、工步內(nèi)容設(shè)計過程中沒有有效地與產(chǎn)品3 維模型相結(jié)合，未形成連貫的基于模型的裝配工藝設(shè)計業(yè)務(wù)流程。

（3）工藝知識庫和工藝資源庫未進行合理的建設(shè)，不便于工藝知識重用。

（4）工藝與工裝設(shè)計、手動工具、設(shè)備、輔耗材等工藝設(shè)計資源未形成有效協(xié)同。

（5）沒有生產(chǎn)現(xiàn)場工藝問題記錄與反饋機制。

（6）工藝設(shè)計工具未與產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行有效集成，無法充分復(fù)用前期工藝規(guī)劃與設(shè)計成果，造成重復(fù)設(shè)計。

2 系統(tǒng)構(gòu)建整體方案框架

全球權(quán)威產(chǎn)品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM) 研究機構(gòu)CIMdata 認為，PLM 是應(yīng)用一系列業(yè)務(wù)解決方案，支持在企業(yè)內(nèi)和企業(yè)間協(xié)同創(chuàng)建、管理、傳播和應(yīng)用貫穿整個產(chǎn)品生命周期的產(chǎn)品定義信息，并集成人、流程、業(yè)務(wù)系統(tǒng)和產(chǎn)品信息的1 種戰(zhàn)略業(yè)務(wù)方法[13]。根據(jù)CIMdata 對PLM 應(yīng)用成熟度的定義，自下至上分為初始級、規(guī)范級、精細級、優(yōu)化級、智能級5 個等級，如圖1 所示。目前，中國已初步構(gòu)建起工藝規(guī)劃與設(shè)計基礎(chǔ)平臺（Teamcenter Manufaturing，TCM)、裝配工藝仿真系統(tǒng)（Tecnomatix)以及3 維裝配工藝手冊設(shè)計工具（Cortona 3D，C3D)3個維度的數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。目前實現(xiàn)了工藝設(shè)計資源的結(jié)構(gòu)化及實時共享，為了更好地解決行業(yè)問題，滿足自身業(yè)務(wù)需求，在數(shù)據(jù)規(guī)范、流程規(guī)范上開展了數(shù)字化裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)研究。

圖1 數(shù)字化裝配設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用成熟度

對于整體的解決方案框架最終落地有3 個層面，如圖2 所示。第1 維度是系統(tǒng)質(zhì)量，包括系統(tǒng)功能、系統(tǒng)架構(gòu)的擴展和系統(tǒng)的開放性；第2 維度是實施方案質(zhì)量，通過圍繞方案的可執(zhí)行性，有效、方便和規(guī)范標準化，結(jié)合行業(yè)的先進經(jīng)驗以及自身的流程體系進行實施方案的構(gòu)建；第3 維度是基于系統(tǒng)質(zhì)量和實施方案質(zhì)量，最終實現(xiàn)基于模型的裝配工藝設(shè)計的流程體系的構(gòu)建，支持數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的體系和工程的交付能力、產(chǎn)品制造能力的提升。

建設(shè)基于統(tǒng)一架構(gòu)的數(shù)據(jù)化工藝設(shè)計平臺，按照業(yè)務(wù)的需求實現(xiàn)系統(tǒng)功能，支持業(yè)務(wù)模型定義、屬性定義、編碼規(guī)則、分類、電子化流程等功能性要求擴展，從業(yè)務(wù)實施方案維度來說，所有系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是為了滿足業(yè)務(wù)導(dǎo)向?qū)嵤┓桨傅膶崿F(xiàn)，基于模型的裝配工藝設(shè)計關(guān)鍵業(yè)務(wù)方案主要包括裝配工藝方案設(shè)計與評審、工藝物料清單（Process Bill of Material，PBOM)結(jié)構(gòu)與管理、工藝資源庫管理、基于模型的裝配工藝規(guī)劃、基于3 維環(huán)境下的裝配工藝詳細設(shè)計、工裝協(xié)同設(shè)計管理、工藝仿真管理、工藝數(shù)據(jù)發(fā)布管理、工藝變更管理以及工藝臺賬管理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)。

3 關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程

通過根據(jù)業(yè)務(wù)問題點的梳理將裝配工藝設(shè)計業(yè)務(wù)流程分為6 個階段：裝配工藝設(shè)計準備、裝配工藝規(guī)劃、工藝詳細設(shè)計及工裝設(shè)計、工藝仿真驗證、工藝數(shù)據(jù)發(fā)布、裝配工藝更改，如圖3 所示。對這6個階段與系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵業(yè)務(wù)場景進行描述，以指導(dǎo)技術(shù)人員在今后的工作中如何運用系統(tǒng)。

（1）裝配工藝設(shè)計準備階段。接收研發(fā)端的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建下發(fā)單進行產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)的下發(fā)；創(chuàng)建型號項目工藝知識庫結(jié)構(gòu)，用于后續(xù)開展工藝設(shè)計、工裝設(shè)計的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管控；工藝資源的構(gòu)建和維護，對已由工藝資源結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和工藝資源的導(dǎo)入、工藝資源的廢棄等業(yè)務(wù)過程管理。

（2）裝配工藝規(guī)化階段。進行PBOM 上層結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建以及與EBOM 的關(guān)聯(lián)，指派EBOM 的零件數(shù)據(jù)；基于PBOM 的裝配主單元進行工藝任務(wù)的可視化派工，PBOM 詳細設(shè)計以及工藝任務(wù)進度狀態(tài)的管控；進行裝配工藝工藝清單（Bill of Process，BOP)的上層框架構(gòu)建以及其他工藝文檔文件的創(chuàng)建。

（3）工藝詳細設(shè)計及工裝設(shè)計階段。進行裝配工藝BOP 的詳細設(shè)計，包含工藝、工序、工步的創(chuàng)建、PBOM 與BOP 的制造目標關(guān)聯(lián)以及BOP 中的零件消耗和工藝資源庫的調(diào)用和指派；工裝的申請、工裝派工、工裝的詳細設(shè)計以及BOP 和工裝數(shù)據(jù)的預(yù)發(fā)布。

（4）工藝仿真驗證階段。根據(jù)裝配工藝方案業(yè)務(wù)要求進行工藝工裝的仿真分析；基于工藝仿真任務(wù)模型（仿真內(nèi)容、數(shù)據(jù)、檢查項)驅(qū)動裝配工藝仿真分析。

（5）工藝數(shù)據(jù)發(fā)布階段。對裝配工藝階段產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行發(fā)布和歸檔管理，以達到數(shù)據(jù)的發(fā)布共享。

（6）工藝更改階段。進行裝配工藝階段各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的變更管理和各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的臺賬創(chuàng)建維護及管理。下文將對裝配工藝規(guī)劃、工藝仿真驗證、工藝詳細設(shè)計及工裝設(shè)計3 個主要業(yè)務(wù)場景進行介紹。

3.1 裝配工藝規(guī)劃階段

裝配工藝規(guī)劃階段的主要任務(wù)是完成EBOM 到PBOM 之間的數(shù)據(jù)交換。EBOM 是由設(shè)計部門提供的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、明細表、匯總表、產(chǎn)品使用說明書及裝箱清單等信息[14]，在其編寫過程中往往只考慮到產(chǎn)品的功能和設(shè)計需求，無法兼顧制造部門的產(chǎn)品制造過程和企業(yè)制造能力，需要處理后才能被生產(chǎn)制造部門所使用。

PBOM 為工藝設(shè)計部門以EBOM 中的數(shù)據(jù)為依據(jù)，將EBOM 按照功能/系統(tǒng)進行分解后，重新按照裝配制造順序/ 區(qū)域進行構(gòu)件的物料清單（Bill of Material，BOM)數(shù)據(jù)，其中除了基本的BOM 信息之外還包含工藝計劃、工序信息等生產(chǎn)所需數(shù)據(jù)[15]。EBOM與PBOM 的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖4 所示。

圖4 EBOM 與PBOM 的轉(zhuǎn)化關(guān)系

通過定制化在系統(tǒng)中創(chuàng)建PBOM 頂層節(jié)點，依據(jù)裝配工藝方案，按照實際裝配過程重構(gòu)EBOM，構(gòu)建PBOM 中第1 級裝配單元。在本裝配工藝設(shè)計系統(tǒng)中，用戶可以直觀地通過3 維模型進行PBOM 結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，并使用責信度檢查確保相同零件在EBOM和PBOM 中的消耗數(shù)量一致，解決了過去裝配工藝規(guī)劃過程中表現(xiàn)形式不夠直觀的問題。

3.2 工藝詳細設(shè)計及工裝設(shè)計階段

通過繼承PBOM 可以進行可視化裝配工藝分工，在進行分工的同時可查看相關(guān)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)、模型信息。分派任務(wù)的同時可通過資源負載查看工藝工程師當前時間段的任務(wù)負荷情況。任務(wù)下發(fā)之后會在工藝分工任務(wù)窗口中按照任務(wù)執(zhí)行的狀態(tài)情況，通過“紅綠燈”的形式反饋任務(wù)的完成進度，使整體工作進度更加直觀地表現(xiàn)出來，實現(xiàn)了工藝設(shè)計任務(wù)與產(chǎn)品研制任務(wù)的相匹配。

裝配工藝對象可以細化以裝配操作最小單元，通過將裝配資源有機結(jié)合的方式，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)、裝配工藝設(shè)計內(nèi)容、裝配通用要求、裝配工裝設(shè)備以及裝配單元進行有機結(jié)合，實現(xiàn)工藝設(shè)計的“三位一體”，從而完成BOP 的設(shè)計，同時在設(shè)計過程中對裝配資源可以進行可視化調(diào)用和典型工藝BOP 調(diào)用，將產(chǎn)品模型、工裝模型、工具模型以及裝配單元進行比對，實現(xiàn)快速裝配路線設(shè)計的搭建和可行性分析。

采用定制化工藝資源庫和知識庫管理：工藝資源指工藝設(shè)計過程中所有與制造工藝相關(guān)的各類對象，常見的制造資源如標準件、通用工具、專用工裝、量具、檢具、設(shè)備、原材料、輔料等。通過對典型裝配工藝進行歸納總結(jié)，梳理出具有典型裝配工藝、工序、通用要求以及裝配測量項，以此作為工藝模板，形成工藝知識庫。在進行工藝設(shè)計時，工藝人員可參考或者直接調(diào)用典型工藝生成新的工藝，提升工藝設(shè)計效率與質(zhì)量水平。

在完成BOP 設(shè)計后，將結(jié)構(gòu)化的工藝信息傳遞至3 維裝配工藝設(shè)計環(huán)境中。以BOP 為對象將工藝中工序結(jié)構(gòu)化信息與產(chǎn)品、設(shè)備、工裝、工具等對象的3 維模型建立關(guān)聯(lián)并將信息轉(zhuǎn)化為基于Web 的html文本和3D 工藝文件包，如圖5 所示。

圖5 基于TCM 與C3D 集成的裝配工藝設(shè)計思路

通過XML 中間件調(diào)用方式，使得3 維裝配工藝設(shè)計環(huán)境可以訪問3 維輕量化模型與裝配工藝詳細設(shè)計數(shù)據(jù)，進而生成結(jié)合2 維、3 維圖形與結(jié)構(gòu)化文本的裝配工藝文件。包含輕量化的3 維模型數(shù)據(jù)與在工藝編制窗口中編寫的工藝文本，根據(jù)文本中的模型引用信息，在文本與3 維模型之間自動建立關(guān)聯(lián)。工藝設(shè)計人員進行3 維裝配動作指令操作（Action）設(shè)計，可以復(fù)用裝配標準動作集，同時設(shè)計環(huán)境支撐現(xiàn)有模型數(shù)據(jù)生成2 維技術(shù)插圖與BOM 信息，以滿足多樣的工藝文件發(fā)布需求。設(shè)計環(huán)境支持零部件圖解目錄技術(shù)文檔設(shè)計，支持HTML、PDF、XML 等發(fā)布格式，同時支持ATA2200、S1000D、DITA 等適航技術(shù)出版物的標準。

3 維工藝數(shù)據(jù)由PLM 平臺進行統(tǒng)一管理并完成最終發(fā)布。通過采用3 維工藝設(shè)計環(huán)境實現(xiàn)了工藝設(shè)計與設(shè)計資源對象的交互協(xié)同、3 維工藝設(shè)計環(huán)境下的裝配工藝設(shè)計以及3 維裝配工藝文件的管理，過程中設(shè)計數(shù)據(jù)資源的高效協(xié)同、數(shù)據(jù)共享與利用，同時生成的裝配工藝文件可以直接作為裝配現(xiàn)場的工藝數(shù)據(jù)供制造執(zhí)行系統(tǒng)進行調(diào)用。

3.3 工藝仿真驗證階段

裝配工藝設(shè)計為按照自頂向下的順序搭建BOP，因此需要按照自底向上的順序逐層進行仿真檢查。在裝配工藝設(shè)計過程中，需要在搭建完工序還未加入工裝與完全搭建完成這2 個階段進行工藝規(guī)程預(yù)發(fā)布并輸入仿真軟件進行仿真干涉檢查，如若出現(xiàn)問題，搭建者重新搭建并再次檢查，直到?jīng)]有問題發(fā)布最終的工藝裝配順序，如圖6 所示。

圖6 工藝仿真驗證

在進行仿真驗證之前，首先填寫評審任務(wù)計劃，通過驗證項庫逐一添加驗證項對象，并將BOP 與評審任務(wù)關(guān)聯(lián)；之后輸入到工藝過程仿真環(huán)境中，結(jié)合具體裝配工步要求，確定零部件安裝順序，創(chuàng)建零部件的安裝路徑進行仿真分析。如無法通過仿真檢查，則由工藝編制人員重新調(diào)整BOP 結(jié)構(gòu)、工藝資源或者裝配順序并再次進行仿真驗證直至驗證通過。

4 結(jié)束語

針對商用航空發(fā)動機裝配工藝設(shè)計工具應(yīng)用問題，本文采用MBD 技術(shù)提出了基于TCM&C3D 集成方式設(shè)計思路，解決了工藝設(shè)計未建立有效的裝配工藝設(shè)計任務(wù)管理機制、工藝設(shè)計未形成連貫的基于模型的裝配工藝設(shè)計業(yè)務(wù)流程、工藝設(shè)計不便于工藝知識重用、工藝與工裝設(shè)計、手動工具、設(shè)備、輔耗材等工藝設(shè)計資源未形成有效協(xié)同，工藝設(shè)計沒有生產(chǎn)現(xiàn)場工藝問題記錄與反饋機制以及工藝設(shè)計工具未與產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行有效集成等問題，將裝配過程的仿真如裝配單元仿真、裝配工藝過程仿真、可維護性仿真融入到工藝設(shè)計過程中，并在商用航空發(fā)動機產(chǎn)品核心機裝配工藝設(shè)計上進行了應(yīng)用。通過系統(tǒng)定制化為改進商用航空發(fā)動機產(chǎn)品裝配制造過程提供了1 個全新的方法和手段，進行裝配工藝數(shù)字化、產(chǎn)品可裝配性分析、裝配工藝優(yōu)化、裝配質(zhì)量控制、裝配工裝驗證，達到提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的。