中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司 種 磊 劉志軍 吳曉鋒 胡思嘉 陳賀利

近年來，隨著信息技術及數(shù)字化技術的迅猛發(fā)展，信息化、數(shù)字化已逐漸成為高端裝備制造業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新的重要途徑。在我國航空制造領域，三維數(shù)字化設計技術得到了廣泛應用，基于模型的定義（Model-Based Definition,MBD）的數(shù)字化設計與制造技術已經(jīng)成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢[1-3]。三維MBD模型逐漸取代二位圖紙成為產(chǎn)品制造過程中的唯一依據(jù)，這對傳統(tǒng)的工藝設計方式提出了挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的裝配工藝設計模式中，產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)以二維形式發(fā)布，制造依據(jù)是二維數(shù)據(jù)；工藝設計仍采用二維方法，設計制造數(shù)據(jù)之間缺乏相關性；裝配仿真需要根據(jù)二維圖紙重構三維模型；工藝審簽發(fā)布過程中仍采用二維形式發(fā)布，二維作業(yè)指令是現(xiàn)場制造的依據(jù)。設計數(shù)據(jù)在工藝設計環(huán)節(jié)的繼承性差、重用性差、集成度低。裝配工藝多憑經(jīng)驗設計，工藝人員在工藝設計階段無法或很少考慮實際裝配環(huán)節(jié)中的各種因素，使產(chǎn)品在裝配時常常發(fā)生各種裝配問題，嚴重影響了裝配工藝設計的質量、效率和水平。因此，為了滿足航空發(fā)動機產(chǎn)品結構復雜、制造精度高、制造周期短、可靠性要求高等研制需求，提高產(chǎn)品核心研制能力，必須進行技術創(chuàng)新，探索出一種新模式來滿足企業(yè)數(shù)字化裝配工藝設計發(fā)展需求，提高企業(yè)競爭力。

裝配工藝作為裝配工作的指導，對裝配精度與裝配效率的高低起著決定性作用。如何有效地利用裝配模型，建立合理的裝配工藝，是保證裝配精度，提高裝配效率的重要前提。

裝配工藝設計研究現(xiàn)狀

裝配工藝設計方面，國內相關學者開展了很多卓有成效的研究工作，并取得了一定的成果。劉檢華、夏平均開發(fā)的裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)，實現(xiàn)了裝配工藝的便捷規(guī)劃和三維直觀設計。楊雨圖提出了面向飛機裝配工藝設計和工藝管理的實現(xiàn)策略，促進了飛機數(shù)字化裝配工藝設計技術的發(fā)展。西飛與西北工業(yè)大學進行項目合作，根據(jù)飛機數(shù)字化裝配工藝發(fā)展的需求，應用先進的數(shù)字化制造技術、面向對象技術、工作流管理技術、數(shù)據(jù)庫技術、條形碼技術等對AO (裝配大綱）系統(tǒng)進行研究和開發(fā)，實現(xiàn)了AO過程的規(guī)范化和自動化，使系統(tǒng)具備裝配流程管理和裝配指令編輯等功能。中航工業(yè)沈飛與北京航空航天大學合作研究了基于產(chǎn)品預裝配功能，自動生成飛機裝配工序的方法，并通過在對CATIA V5系統(tǒng)進行開發(fā)的基礎上，實現(xiàn)了飛機裝配工序的可視化建模及仿真，并結合某飛機垂直尾翼的裝配，驗證了系統(tǒng)的可行性[4]。

裝配工藝設計與仿真平臺

為實現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝設計與仿真，需借助高端數(shù)據(jù)共享管理工具和制造仿真、分析、輔助設計軟件，搭建裝配工藝設計環(huán)境。

以PDM（Teamcenter）系統(tǒng)為核心，集成裝配仿真軟件Visualization Mockup和Visio構建裝配工藝設計系統(tǒng)平臺。平臺基于PDM系統(tǒng)進行集成開發(fā)，由Teamcenter作為數(shù)據(jù)管理平臺，并在其基礎上實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理、可視化、更改、流程管理；Teamcenter Engineering實現(xiàn)數(shù)據(jù)和文檔管理；Teamcenter Manufacturing實現(xiàn)工藝設計，仿真資源管理。Visualization Mockup軟件用于裝配仿真。Visio作為工藝設計輔助工具，用于卡片生成。利用該平臺可直接基于MBD設計數(shù)據(jù)進行裝配BOM重構、結構化工藝編制，裝配仿真驗證和電子審簽、歸檔等活動，并下發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場進行裝配和檢驗,使得裝配工藝設計與管理成為企業(yè)PDM平臺的有機組成部分，實現(xiàn)了與PDM共享統(tǒng)一的產(chǎn)品、工藝數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)一的更改、流程、權限、文檔管理。以結構化、可視化的裝配工藝形式進行裝配工藝設計和虛擬仿真驗證，系統(tǒng)將有效管理裝配工藝數(shù)據(jù)、工藝文件、工裝設備輔料等生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)，形成企業(yè)單一的數(shù)據(jù)源，保證數(shù)據(jù)的唯一性和準確性[5]。

該裝配工藝設計平臺具有數(shù)據(jù)集成性高、實用性強、開放性好的特點?？蓪崿F(xiàn)Teamcenter平臺與Mockup仿真軟件之間信息數(shù)據(jù)交互與關聯(lián)管理，建立產(chǎn)品、工藝、工裝、設備、仿真動畫文件等關聯(lián)關系，方便相關工藝數(shù)據(jù)的查詢和匯總，支持輕量化JT模型的生成與關聯(lián)管理，滿足與相關系統(tǒng)的工藝信息集成化應用需求；結構化裝配工藝創(chuàng)建，定義了總工藝、工藝、工序、工步的創(chuàng)建與結構化管理組織模式，具備工藝、工序作為獨立的數(shù)據(jù)對象，可實現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的權限、版本、配置及流程管理；定制與開發(fā)各類工藝模板，可實現(xiàn)各類工藝卡片與工序卡片自動生成；集成了典型工藝、工裝設備資源，可借用典型工藝或已有工藝創(chuàng)建新的工藝文件，提高工藝編制效率；支持基于Visio的工序圖表工藝信息創(chuàng)建與PDF工序圖表輸出、合成；工藝審簽采用電子審簽方式，支持面向工序的會簽。

數(shù)字化裝配工藝設計

數(shù)字化裝配工藝設計即充分繼承和利用數(shù)字化產(chǎn)品設計信息，通過創(chuàng)造性的工藝設計，有效連接數(shù)字化產(chǎn)品設計和裝配生產(chǎn)現(xiàn)場的制造執(zhí)行，為裝配生產(chǎn)現(xiàn)場的制造執(zhí)行提供必要和準確的工藝技術信息，指導裝配現(xiàn)場工人操作。

數(shù)字化裝配工藝設計過程可分為ABOM構建、裝配工藝規(guī)劃、結構化工藝創(chuàng)建、工藝路線設計、工序設計、工裝設計、裝配仿真驗證、工藝卡片編制、創(chuàng)建整本工藝和工藝審簽歸檔等內容，流程如圖1所示。

圖1 裝配工藝設計流程

1 裝配BOM構建

設計員根據(jù)產(chǎn)品功能單元、模塊專業(yè)特點、相關規(guī)范等因素劃分零組件的層次結構，構建設計BOM。為了便于產(chǎn)品生產(chǎn)制造，制造企業(yè)工藝員需要依據(jù)設計BOM，同時考慮產(chǎn)品裝配順序、企業(yè)生產(chǎn)組織形式、制造資源分布以及相關的工藝規(guī)范等因素，對設計BOM進行部分調整，形成裝配BOM。裝配BOM實質是各裝配部門或班組的裝配工藝業(yè)務和生產(chǎn)任務的劃分。

平臺提供直觀的產(chǎn)品結構使用界面，在系統(tǒng)三維可視化環(huán)境下基于設計BOM，創(chuàng)建、編輯BOM結構，考慮產(chǎn)品裝配順序、企業(yè)生產(chǎn)組織形式、制造資源分布以及相關的工藝規(guī)范等因素，構建ABOM支持產(chǎn)品結構相關的三維模型和技術文件顯示查看。圖2所示為平臺支持BOM比較功能，并能明顯標出差異以及輸出差異清單。

圖2 EBOM與ABOM差異對比

ABOM構建時應注意保存JT輕量化模型，為后續(xù)裝配仿真做準備。輕量化模型可以采用將UG三維模型轉換成JT格式或者TC中輸出的方式得到。

2 裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃就是在充分了解產(chǎn)品結構系統(tǒng)的基礎上，進行零件裝配工藝性分析，在給定產(chǎn)品設計的條件下，找出合理、可行，滿足工藝、機械、工具等條件的裝配順序與路徑，按照這樣的路徑裝配，可以完成預期的裝配目標。裝配工藝規(guī)劃包括裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃。

裝配序列規(guī)劃。通過求解零件的拆卸順序來獲得零件裝配順序。一般可根據(jù)拆卸法和爆炸圖等方法實現(xiàn)裝配序列的設計。

裝配序列規(guī)劃確定了零件裝配的順序，但沒有確定零件按照什么方向或路徑裝配。在裝配過程中，每個零部件都是沿著初始的裝配軌跡運動到目標位置，若移動過程中不和其他零部件發(fā)生碰撞，則稱這樣的運動軌跡為該零部件的(可行)裝配路徑。裝配路徑規(guī)劃就是按照裝配序列給出每一個零部件單獨的裝配路徑方式。

裝配路徑的生成有以下兩種方法：

（1）位移法：先將裝配的零、部件做拆卸運動，并記錄運動位移量，再利用位移量形成裝配仿真路徑；

（2）反序法：拆卸零、部件設計出軌跡運動，再利用仿真軟件“倒放”功能將軌跡運動進行反序操作，形成裝配仿真路徑。利用Visualization Mockup仿真軟件進行裝配序列和裝配路徑的規(guī)劃，如圖3所示。

圖3 裝配路徑規(guī)劃

3 結構化工藝創(chuàng)建

結合企業(yè)工藝最佳實踐知識及以往的裝配工藝設計經(jīng)驗，并參考企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)組織形式、可利用的制造資源以及相關的工藝規(guī)范等，定義用于裝配此產(chǎn)品的工藝路線。

在工藝路線的設計過程中，工藝人員以ABOM為依據(jù)，在PDM上可視化的裝配環(huán)境中構建結構化的裝配工藝，如圖4所示。依次創(chuàng)建裝配總工藝、工藝、工序的BOP（工藝清單） 結構。針對工藝路線中每道工序，工藝設計內容包括該工序的裝配方法、裝配工位、裝配對象（零件及消耗物料）及裝配次序等信息。在此基礎上，添加每道工序所需的裝配資源信息（包括設備、工夾量具等）、工序圖、裝夾及測量的注意事項、材料及工時定額信息等。

4 裝配過程仿真

在基于結構化的裝配工藝中，利用虛擬仿真技術，對裝配過程進行虛擬驗證，事前校核裝配方案的可行性，提高首件裝配的一次成功率。

裝配工藝仿真與驗證可以包括以下5個方面：

（1）裝配干涉分析：分析產(chǎn)品與夾具、設備之間的干涉和操作空間情況。

（2）裝配過程仿真：裝配干涉檢查；裝配順序和路徑定義；工裝、夾具干涉檢查。

圖4 結構化裝配工藝

（3）裝配容差仿真：尋求滿足公差要求的最佳裝配過程以及相關因素。

（4）工藝布局仿真：在三維工藝布局中，按照已經(jīng)設計好的裝配工藝流程，進行產(chǎn)品、資源、流程及操作者之間融為一體的三維動態(tài)仿真，使工作現(xiàn)場更加符合工藝布局原則。

（5）人機工程仿真：在虛擬環(huán)境中，分析校驗裝配人員在裝配過程中的各種姿態(tài)、視野，對裝配人員的工作狀態(tài)進行評估。人機工程仿真主要包括以下幾方面：

· 可視性：人眼和視覺、測量工具等可達到的感知或工作范圍；

· 可操作性：裝配人員的身體能否到達裝配位置進行裝配操作，空間是否便于操作；

· 安全性：對人員、設備的安全生產(chǎn)要求及造成的影響；

· 舒適性：負荷、空間、時間、色標、勞動強度等因素是否在裝配人員體力、心理、觸覺、視覺等承受范圍內。

平臺集成了裝配工藝仿真系統(tǒng)，當裝配工藝設計完成后，不需要數(shù)據(jù)導入或導出，可以直接調用工序中的JT模型到工藝仿真系統(tǒng)進行工藝驗證，驗證裝配過程是否存在干涉、計算優(yōu)化的裝配序列、裝配最佳路徑，計算出的數(shù)據(jù)將保留在PDM中。最終利用軟件功能輸出仿真動畫與圖示，仿真動畫以數(shù)據(jù)集形式在裝配工藝節(jié)點下保存管理，選擇仿真動畫數(shù)據(jù)集，使用集成Mockup打開即可對仿真動畫進行瀏覽、編輯。

通過裝配工藝的各種仿真與驗證，可以在早期監(jiān)測和溝通產(chǎn)品設計問題，提高設計質量，減少車間安裝和調試的時間； 減少工裝夾具的更改，降低夾具的制造成本；降低制造成本和提高產(chǎn)品的制造質量。

5 工藝卡片編制

工藝卡片編制在Visio中進行。包括制作工序附圖、工步信息定義、添加工裝設備、添加輔料、生成報表、整本工藝創(chuàng)建等工作。

裝配附圖對裝配過程的描述有不可或缺的作用，系統(tǒng)可直接利用輕量化三維設計模型進行附圖創(chuàng)建，創(chuàng)建的三維附圖添加到工序當中，自動與工序關聯(lián)，相比傳統(tǒng)將模型二維化再截圖的方式，表現(xiàn)更加直觀易懂，而且操作方便快捷。

為便于工藝信息在計算機系統(tǒng)輸入與管理，通過定制、開發(fā)統(tǒng)一工藝卡片格式模板，內容包括工藝封面、工藝更改記錄表、工藝路線圖表、工序圖表、工藝編制說明、零件目錄表、工夾具設備表、工藝輔助材料表等。工藝信息如零組件、工藝、工序、材料、車間等工藝信息可從工藝結構中自動繼承到卡片中，當這些信息改變時，卡片中相應內容可自動更新。

卡片中物料資源信息可從系統(tǒng)集成的制造資源庫中提取資源、物料信息（包括裝配零件、輔料，資源信息包括工裝、設備等）進行填寫，當信息更改時，卡片內容會自動更新。

平臺通過開發(fā)生成報表功能，支持工藝信息匯總輸出。在卡片內容填寫完成后，可利用開發(fā)的“生成報表”功能生成零件目錄表、工夾具設備表、工藝輔助材料表，系統(tǒng)會自動提取結構化的制造工藝數(shù)據(jù)，自動匯總零件目錄、工裝夾設備表和輔助材料表等信息。

保存文件自動輸出PDF。系統(tǒng)保存時，將Visio中卡片文件保存，自動將文件轉換成PDF文件，并將PDF文件以數(shù)據(jù)集的形式掛到對應工序節(jié)點下管理，每次更改保存PDF數(shù)據(jù)集都會自動進行文件更新。

完成所用工藝設計任務后，使用“合成整本工藝”功能，程序將工藝規(guī)程封面、工藝目錄、工裝匯總、各工序下對應的PDF文件自動排序合并成整本工藝，以PDF數(shù)據(jù)集形式掛在工藝節(jié)點下管理。

圖5 工藝審簽流程

6 工藝審簽歸檔

通過在PDM系統(tǒng)中建立工藝規(guī)程審批流程，如圖5所示。設定各個審簽流程節(jié)點并指定各節(jié)點審簽人，審簽人在流程的任務目標下瀏覽工藝規(guī)程，并實現(xiàn)在PDF文件中寫入審簽信息；平臺提供了工藝詳細審批信息記錄，支持圈閱信息的保存、對比和權限控制，支持面向工序的會簽，滿足不同條件下的會簽需求。

最后，檔案部門對工藝規(guī)程進行歸檔，集中打印工藝規(guī)程并發(fā)布，流程結束，裝配工藝設計工作完成。工藝規(guī)程以電子或紙張的形式輸出，用于指導裝配生產(chǎn)線上的制造工程師和工人實施產(chǎn)品裝配過程。

結束語

為了實現(xiàn)三維裝配工藝設計與仿真信息向下游延伸，本文提出了一種數(shù)字化裝配工藝設計方法，并對裝配BOM構建、裝配工藝規(guī)劃、裝配仿真、裝配工藝編制等關鍵技術進行了研究，探索出一套數(shù)字化裝配工藝設計新模式，全面提升了產(chǎn)品裝配工藝設計水平，有力推動了企業(yè)技術進步與模式變革。

[1] 周秋忠，范玉青. MBD技術在飛機制造中的應用.航空維修與工程，2008，145(3)：55-57.

[2] 梅中義.基于MBD的飛機數(shù)字化裝配技術 .航空制造技術，2010，125(18)：42-45.

[3] 郭具濤，梅中義.基于MBD的飛機數(shù)字化裝配工藝設計及應用.航空制造術，2011，133(22)：74-77.

[4] 馮廷廷.基于MBD的飛機裝配工藝規(guī)劃與仿真[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[5] 梁艷，馮國成，于勇，等.基于模型定義的裝配件數(shù)據(jù)組織及其實現(xiàn).航空維修與工程，2010，120(8)：56-59.