（中航通飛華南飛機工業(yè)有限公司，珠海 519040）

自1799年法國學者蒙日發(fā)表《畫法幾何》以來，工程師們一直使用二維平面工程視圖來表達產(chǎn)品，然而受制于紙制二維工程圖的表現(xiàn)力，在從實物向抽象的二維視圖表達方式上浪費了設計師/工程師大量的精力去定義和識別，很難避免出現(xiàn)歧義和偏差。隨著計算機和軟件技術的發(fā)展，出現(xiàn)了第2 代工程語言，即在飛機設計領域逐漸采用三維數(shù)字化實體設計加電子化二維投影工程圖的表達方法，大幅度提高了設計效率和質(zhì)量，使得設計及制造技術人員可以在有三維實體模型參考的情況下進行二維工程圖的判讀，是產(chǎn)品設計工程語言領域的革命性進步。近幾年，隨著大型三維協(xié)同設計軟件以及基礎標準研究的進步和成熟，在航空制造領域逐漸采用基于全三維數(shù)字化模型的協(xié)同設計并逐步成為第3 代工程語言[1]。

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD），是美國機械工程師協(xié)會及波音公司等經(jīng)過10 多年的基礎研究，并在波音787 飛機上正式全面推行的新一代產(chǎn)品定義方法。在基于MBD 技術的產(chǎn)品設計中，用一個集成的三維數(shù)字化實體模型完整地表達產(chǎn)品信息，即將制造信息和設計信息（三維尺寸標注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，同時融入知識工程和產(chǎn)品設計/制造標準規(guī)范等，從而取消二維工程圖，保證了設計數(shù)據(jù)的唯一性。MBD 不是簡單的三維標注+三維模型，它不僅描述產(chǎn)品幾何信息，而且定義了三維產(chǎn)品幾何信息和非幾何的管理信息（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品制造要求、BOM 等），使用人員僅需數(shù)模即可獲取全部信息，減少了對其他信息系統(tǒng)的過度依賴。

近些年，MBD 技術在國內(nèi)外均處于深入發(fā)展的完善階段。波音和空客在此方面起步較早，基礎研究積累較好，應用較為成熟。國內(nèi)新飛機型號也采用了三維數(shù)字化設計并推廣了基于MBD 的設計方法，但在MBD 定義和使用基礎技術研究方面還處于跟蹤摸索階段，尤其是基礎標準和設計規(guī)范研究領域差距較大，缺乏設計制造一體化思維，基于MBD的工藝設計及數(shù)據(jù)管理方面也處于應用探索階段，深度和廣度有待進一步提升。近幾年智能制造受到廣泛關注并越發(fā)受到制造業(yè)的重視，但成功實施智能制造的前提是產(chǎn)品設計的數(shù)字化、制造技術的自動化以及信息系統(tǒng)與物理硬件集成化。產(chǎn)品設計數(shù)字化是智能制造最根本的要求，先進高效的工藝設計則是數(shù)字化的產(chǎn)品與自動化制造系統(tǒng)之間的橋梁，是實現(xiàn)智能制造的關鍵環(huán)節(jié)之一[2]。

基于數(shù)字模型的工藝設計與應用

在飛機型號研制過程中，整個項目的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)金字塔模式。產(chǎn)品設計部門主要進行產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)定義，其側(cè)重于產(chǎn)品功能的完整性和技術可行性，其數(shù)據(jù)處于金字塔頂端；制造工藝系統(tǒng)則需要在產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)基礎上，對產(chǎn)品的可制造性、零部件裝配協(xié)調(diào)、供應商產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義和控制、生產(chǎn)線工藝布局規(guī)劃、工藝裝備設計、制造構(gòu)型、裝配流程設計等進行全面分析和規(guī)劃，其數(shù)據(jù)量大且邏輯復雜，處于金字塔中低端。以前受產(chǎn)品采用二維圖樣設計方法的限制，制造工藝系統(tǒng)大部分工作只能采用串行模式開展，因此制造單位一般需要制造昂貴的物理樣機進行系統(tǒng)和工藝協(xié)調(diào)，效率低、協(xié)調(diào)精度差、返工多、損失大。隨著三維數(shù)字化設計軟件技術和計算機技術的進步，特別是產(chǎn)品采用MBD 設計后，為制造工藝系統(tǒng)全面采用數(shù)字化工藝設計提供了數(shù)據(jù)和技術保障，制造工藝系統(tǒng)可以直接利用產(chǎn)品數(shù)字模型并行開展工藝性審查、裝配方案設計、生產(chǎn)線規(guī)劃、制造構(gòu)型策劃、工裝設計、物料采購等工作，大幅度提升了工作質(zhì)量和效率，產(chǎn)品數(shù)字模型已經(jīng)成為開展并行工程的信息載體和技術保障。當前，制造工藝系統(tǒng)以產(chǎn)品數(shù)字模型為基礎，在以下幾個工藝設計領域進行了有效的探索和應用。

1 基于數(shù)字模型的裝配協(xié)調(diào)

與產(chǎn)品設計側(cè)重于不同專業(yè)間的布置協(xié)調(diào)不同，產(chǎn)品制造是一個動態(tài)的、分階段的、不斷變化的過程。在零件加工、部件裝配、總裝測試等不同階段，產(chǎn)品與工藝裝備之間以及各級供應商之間均需要對其協(xié)調(diào)界面進行分離面劃分、控制要素識別、容差分配等裝配協(xié)調(diào)工作。以前裝配協(xié)調(diào)大都采用紙質(zhì)文檔、圖表、實體標工、樣件等，其流程過長、數(shù)據(jù)分散，使用和存儲要求高，標工及對應工裝需要定期檢查維護，成本高、管理難度大。

計算機技術、數(shù)字化設計軟件技術、數(shù)字化制造及測量技術不斷成熟，為飛機裝配工藝開展數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)提供了技術保障，工藝系統(tǒng)可以在產(chǎn)品數(shù)字模型基礎上對飛機裝配過程中所需控制的協(xié)調(diào)要素采用數(shù)字量進行表達和協(xié)調(diào)。通常，此類模型稱為制造協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集，可在產(chǎn)品設計模型基礎上通過數(shù)字量的形式進一步分解和描述零組件、裝配件以及工藝裝備的容差分配、測量要求、制造狀態(tài)等工藝控制要求，如圖1所示。

協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集減少了實體標工的使用，提升了制造協(xié)調(diào)精度，大幅度降低了研制成本，同時采用基于模型的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集后，全機協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)可以與產(chǎn)品數(shù)據(jù)協(xié)同設計、統(tǒng)一管理，并作為唯一的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)源（圖2），保證了裝配協(xié)調(diào)技術要求的準確性和完整性，提高了使用靈活性，降低了管理難度。

圖1 協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集的主要功能Fig.1 Main role of coordination dataset

圖2 某型號全機協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集Fig.2 All coordination datasets for an aircraft

2 基于數(shù)字模型的生產(chǎn)線三維工藝規(guī)劃

2.1 生產(chǎn)線工藝規(guī)劃分類及存在問題

生產(chǎn)線規(guī)劃有多種類型，按階段可劃分為前期規(guī)劃及后期規(guī)劃，前期規(guī)劃重點在于總體需求和總體目標的決策，后者側(cè)重于詳細需求的設計和布置。相對來說，前期規(guī)劃更加重要，尤其是涉及廠房等固定設施的生產(chǎn)線，前期需求決策失誤會造成資金和時間上的重大損失，比如廠房尺寸不滿足飛機通過條件，吊車選型不當，桁架承載能力不足等。按新建和改建來分一般有兩種，一種是全新設計建設，本類型可能是應對全新的產(chǎn)品也可能是原有生產(chǎn)線的擴建；另一種是基于現(xiàn)有廠房等設施的改進改造，此種類型可能是更換產(chǎn)品也可能是為了原有產(chǎn)品的產(chǎn)能改造等。前者由于沒有歷史負擔，可以按照產(chǎn)品及其產(chǎn)能最新要求進行全新規(guī)劃設計，而后者則較為復雜，一般廠房等技術設施改造注意事項太多，需要從成本控制、原有設施布局可利用性、可通過性等多方面綜合考慮[3]。飛機生產(chǎn)線作為航空制造企業(yè)最重要的生產(chǎn)設施之一，如何充分利用有限的生產(chǎn)面積進行科學合理的規(guī)劃是保證生產(chǎn)線高效運行的重要課題。不管是新建飛機裝配廠房還是對現(xiàn)有廠房或生產(chǎn)線進行改造，其建設周期一般較長，需要提前開展規(guī)劃，且飛機的裝配工藝流程復雜，裝配型架及生產(chǎn)輔助設備眾多，特別是很多飛機部件價值高、裝配周期長，廠房內(nèi)很多設施如吊車、機床、大型裝配型架等一次安裝后很難進行布局更改。如果正式投產(chǎn)之后再進行較大規(guī)模的工藝優(yōu)化很可能導致風水電氣等布局的重構(gòu)，不但改造費用昂貴甚至會導致生產(chǎn)線的長期停產(chǎn)，因此提前對飛機生產(chǎn)線進行全方位的工藝規(guī)劃，理順裝配流程和空間分布，保證飛機部件安全順利地生產(chǎn)和運輸，盡可能地優(yōu)化廠房生產(chǎn)設施的布局是一項重要工作。

以前生產(chǎn)線工藝規(guī)劃主要采用平面縮比模型和繪制平面簡化工程圖的方法進行。前者是按比例制作不同的小模板來模擬飛機部件，在空地上或桌子上大致模擬廠房工藝布局，如圖3所示；后者則是手繪圖紙或者借助二維繪圖軟件繪制框圖替代飛機部件進行生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃，如圖4所示。上述兩種方法都只能在二維的角度上籠統(tǒng)地進行規(guī)劃，無法從三維空間的角度評價工藝流程和設施布局的合理性，如吊車的空間布置和部件吊裝、運輸路徑分析等。隨著計算機技術和三維設計軟件的進步，采用三維數(shù)字模型開展生產(chǎn)線工藝規(guī)劃成為可能，也只有采用基于數(shù)字模型的三維可視化技術才能全方位地進行生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃。

2.2 基于數(shù)字模型的生產(chǎn)線三維工藝規(guī)劃

在不同類型的生產(chǎn)線規(guī)劃建設中，面向全新產(chǎn)品的生產(chǎn)線設計或生產(chǎn)線改造屬于最為復雜的類型，本文就此類生產(chǎn)線在不同階段下的三維工藝規(guī)劃流程及方法進行闡述。

（1）生產(chǎn)線前期三維工藝規(guī)劃。

圖3 采用平面縮比模型進行生產(chǎn)線工藝規(guī)劃Fig.3 Production line process planning using 2D scaled model

圖4 采用平面簡化電子工程圖進行生產(chǎn)線工藝規(guī)劃Fig.4 Production line process planning using 2D simplified electronic engineering drawing

前期工藝規(guī)劃雖不像后期詳細規(guī)劃那樣要求細致，但必須保證整體規(guī)劃和布局的科學和合理性，避免后期出現(xiàn)顛覆性更改，是對后期詳細規(guī)劃的頂層設計。采用三維可視化的技術能夠更為直觀有效地實現(xiàn)廠房前期規(guī)劃的要求，但此階段飛機還處于總體設計階段，細節(jié)結(jié)構(gòu)等屬于初步設計甚至未開始，因此缺少飛機部件詳細參數(shù)，不過隨著雙方工作的不斷推進，必要參數(shù)一般可及時獲取。制造工藝系統(tǒng)的裝配方案處于總體論證階段，沒有確定的工裝設計三維模型，需要規(guī)劃技術人員依據(jù)飛機研制總方案和現(xiàn)有經(jīng)驗進行工裝簡化模型的設計。生產(chǎn)線改造還需要進行現(xiàn)有廠房設施測量和建模，對規(guī)劃人員經(jīng)驗和技術水平要求較高。另外，還需選擇適于模型快速設計迭代的三維規(guī)劃軟件，與產(chǎn)品設計軟件可進行數(shù)據(jù)交換且利于方案展示，比較適于此階段工作的軟件建議選擇CATIA、DELMIA以及3DS MAX等。此階段主要在于生產(chǎn)線流程的梳理、主要工藝裝備及廠房主體設施的建模、生產(chǎn)線三維總體布置及模擬分析等，如圖5所示。

（2）生產(chǎn)線后期三維工藝規(guī)劃。

隨著產(chǎn)品設計成熟度的不斷提升以及工藝系統(tǒng)的各類制造方案業(yè)已成熟，生產(chǎn)線經(jīng)過前期方案的規(guī)劃已基本確定主要參數(shù)。此時要逐步開展生產(chǎn)線詳細且全面的規(guī)劃，此階段所需的工藝裝備數(shù)據(jù)已經(jīng)較為完善，可在規(guī)劃時直接使用，生產(chǎn)線中各類工裝的布置、氣源、電源等的管線均采用數(shù)字模型進行定義。在全面分析產(chǎn)品生產(chǎn)流程基礎上，從三維立體空間的視角合理設計并對物流通道以及主體工藝流程開展三維數(shù)字化虛擬仿真模擬，避免物流瓶頸、運動干涉以及生產(chǎn)線運行不暢等問題，此階段盡量選擇與產(chǎn)品設計相同的軟件開展工作，保證數(shù)據(jù)的無縫銜接，提高工作效率。當前國內(nèi)飛機設計一般采用CATIA 軟件，因此生產(chǎn)線后期工藝規(guī)劃可采用CATIA 進行布局規(guī)劃，采用DELMIA 系統(tǒng)開展生產(chǎn)線制造工藝過程仿真驗證。圖6為基于DELMIA 系統(tǒng)開展的生產(chǎn)線產(chǎn)能虛擬仿真驗證。

通過對生產(chǎn)線詳細分析和優(yōu)化，可進一步完善和細化生產(chǎn)線數(shù)字模型，最終實現(xiàn)工廠完整的數(shù)字化規(guī)劃和設計，并與實際工廠統(tǒng)一管理，實現(xiàn)工廠的數(shù)字孿生，作為生產(chǎn)系統(tǒng)進行運維的技術支撐，為實現(xiàn)數(shù)字化工廠打好基礎[4]。

3 基于數(shù)字模型的制造構(gòu)型設計

圖5 廠房及工藝裝備等的建模與布置Fig.5 Modeling and layout of plant and process equipment

圖6 基于DELMIA系統(tǒng)開展的生產(chǎn)線功能虛擬仿真Fig.6 Virtual simulation of production line based on DELMIA

隨著研制模式的變革和市場發(fā)展的需要，飛機研制逐步采用主供模式。供應商負責零部件制造，主制造商負責大部件和系統(tǒng)的總裝集成，這要求主制造商不但要對全機涉及的所有零部件供應商在廠際之間進行高效的協(xié)調(diào)，同時主制造商需對供應商所負責的零部件交付狀態(tài)進行準確描述，以便供應商按照主制造商要求的狀態(tài)進行交付，滿足飛機不同供應商提供的部件之間的軟硬件交付要求。當前國內(nèi)主制造商一般通過交付規(guī)范書明確供應商零部件交付要求，采用紙質(zhì)版或二維電子說明文檔形式進行交付狀態(tài)定義，即通過大量文字并附部分圖片的形式描述飛機交付狀態(tài)。此種方法編制過程以文字為主，工藝技術人員需耗費很大精力將飛機產(chǎn)品設計要求和特殊工藝要求轉(zhuǎn)換到文字描述中，供應商在閱讀過程中需要重新還原設計要求和主制造商的特殊工藝要求，容易出現(xiàn)識別偏差，不利于工藝信息快速準確的傳遞，同樣也不利于主制造商檢驗技術部門快速識別供應商交付零部件的實際狀態(tài)。因此，在三維數(shù)字化設計已經(jīng)成熟的背景下，采用基于數(shù)字模型的供應商零部件三維數(shù)字化交付規(guī)范，即在三維環(huán)境下定義供應商零部件制造技術狀態(tài)要求，是完全可行且必要的[5]。

3.2 基于數(shù)字模型的供應商產(chǎn)品制造構(gòu)型設計

產(chǎn)品設計主要考慮功能設計，其構(gòu)型設計一般按專業(yè)劃分，不同專業(yè)設計在總體部門的協(xié)調(diào)下完成各自專業(yè)的零部件設計。工藝部門需按照供應商現(xiàn)狀進行廠際技術狀態(tài)策劃，明確供應商制造構(gòu)型，因此需要將設計構(gòu)型按照實際情況轉(zhuǎn)化為制造構(gòu)型，對于如何定義供應商零部件的構(gòu)型狀態(tài)，要考慮供應商和主制造商各自技術和管理要求，提升管理效率。在主供模式下，主制造商只開展總裝及試飛工作，零部件均由相關供應商提供，因此供應商交付的零部件作為總裝階段的零部件，也是開展總裝工藝指令編制的配套輸入，故需按總裝工藝流程要求明確供應商需制造的零部件狀態(tài)，例如部件的制造細節(jié)要求，如余量、留位、導孔等。另外還要考慮零部件質(zhì)量控制、裝配協(xié)調(diào)、工藝裝備以及入廠驗收等要求。對于主制造商，供應商制造構(gòu)型應盡可能集成工藝設計部門、質(zhì)量部門、采購部門以及車間裝配工藝要求，目標是實現(xiàn)對供應商零部件制造和交付狀態(tài)統(tǒng)一、完整、準確的表達和控制，使其作為供應商構(gòu)型狀態(tài)控制的唯一數(shù)據(jù)源[6]。

（1）基于數(shù)字模型的供應商產(chǎn)品制造工作包定義。

綜合設計構(gòu)型特點、主供模式管理要求、總裝階段工藝設計數(shù)據(jù)輸入要求、產(chǎn)品入廠檢驗驗收要求，供應商制造構(gòu)型可采用工作包形式進行劃分，即將設計構(gòu)型按照實際制造分工進行分解重組為以供應商為單元的工作包，每個工作包中劃分為部組件和散件狀態(tài)。對于部組件或散件工藝技術細節(jié)要求以及其他相關要求，通過單獨的數(shù)字模型（描述制造交付要求的模型,簡稱交付R 模型）進行表達。所有供應商的工作包統(tǒng)一規(guī)劃，即為全機制造構(gòu)型（可簡化理解為PBOM）。

從國內(nèi)外主供模式分析，供應商主要分為兩種類型，第1 種是僅負責單一結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的制造，此類稱之為專業(yè)化供應商；第2 種可提供多種系統(tǒng)件的制造，此類稱之為集成供應商?？湛凸镜墓讨饕羌晒?，波音公司的主要供應商既有集成供應商也有專業(yè)化供應商。針對不同類型的工作包分工，可采用兩種不同的構(gòu)型劃分方式，具體如圖7和8 所示。

上述工作包中所述的部組件狀態(tài)、散件狀態(tài)以及交付R 模型分別描述供應商零部件的制造過程及交付時的構(gòu)型和細節(jié)技術狀態(tài)要求，兩者統(tǒng)一組成供應商產(chǎn)品制造構(gòu)型。

圖7 面向?qū)I(yè)化供應商的制造構(gòu)型定義Fig.7 Definition of manufacturing configuration for specialized suppliers

針對某一型號主要供應商均只負責專業(yè)化零部件制造的特點，供應商制造構(gòu)型可按圖7模式進行定義。采用上述劃分方案可以將供應商交付的零組件構(gòu)型與總裝階段消耗的配套進行有效銜接，保證供應商交付的零部件狀態(tài)與總裝物料需求的一致性，圖9所示為供應商交付構(gòu)型與總裝工藝設計配套輸入的關系。

以某綜合能源系統(tǒng)為例，進行能源子系統(tǒng)實時溫度調(diào)控舉例。實時溫度調(diào)控的目的主要是為了保證冷熱系統(tǒng)的供水溫度，分為能源子系統(tǒng)內(nèi)部調(diào)控和能源子系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)。

主制造商完成總裝階段裝配工藝指令設計后可形成總裝階段的詳細物料清單和需求拉動計劃用于供應鏈部門制定全機采購計劃。

（2）基于數(shù)字模型的供應商零部件三維數(shù)字化交付規(guī)范設計。

在主供模式下，供應商需要主制造商明確其零部件交付時的具體狀態(tài)，如零部件數(shù)量、導孔位置及數(shù)量、裝配孔位置及數(shù)量、余量的位置及參數(shù)、臨時連接的部位等實物狀態(tài)；需要明確其負責零部件的相關工藝測試要求，如部件測量數(shù)據(jù)以及相關系統(tǒng)試驗性能等；同時還需要明確相關軟件材料，如實物構(gòu)型、測量報告、試驗報告以及質(zhì)量報告等。通過采用基于模型的三維數(shù)字化交付規(guī)范，可以保證供應商制造零部件時所需工藝信息的完整性、準確性和可讀性。

三維數(shù)字化交付規(guī)范由部組件構(gòu)型、散件構(gòu)型以及交付R 模型組成（架構(gòu)形式見圖7和8），部組件及散件為設計構(gòu)型的分解和重組，底層零件與產(chǎn)品設計一致。

圖8 面向集成供應商制造構(gòu)型定義Fig.8 Definition of manufacturing configuration for integrated suppliers

圖9 供應商交付零部件與主制造商MBOM關系Fig.9 Relationship between parts delivered by suppliers and MBOM of main manufacturer

部組件構(gòu)型中ICI （CI 為構(gòu)型項，ICI 為不變構(gòu)型項，無版次控制；VCI 與LCI 為可變構(gòu)型項,有版次和有效性控制）構(gòu)型項全部清除，僅保留設計構(gòu)型中的VCI 和LCI 及以下層級。針對部分VCI 和LCI 項會出現(xiàn)跨供應商的情況，需要進行拆分，同時要與原有VCI 和LCI 關聯(lián)，以便同步跟蹤設計更改，不過此類情況會導致制造構(gòu)型管理變得復雜，因此應在設計構(gòu)型策劃階段與相關設計人員進行協(xié)調(diào)，細化構(gòu)型分離面，避免VCI 和LCI 項跨供應商的情況出現(xiàn)，盡可能地保證設計模塊劃分與制造模塊劃分一致。

散件項即供應商以散件形式交付的零件和小組件，與部組件相同，存在拆分設計構(gòu)型項的情況，故工藝技術人員應在設計構(gòu)型策劃階段協(xié)調(diào)，將單個工作包的散件置入單個VCI 或LCI 中，便于設計更改跟蹤和實物構(gòu)型控制，簡化管理流程。

交付R 模型用于描述供應商零部件制造的細節(jié)要求以及質(zhì)量、試驗等管理要求，同時還需要明確數(shù)據(jù)交互的基礎信息。交付R 模型采用MBD 形式表達，采用飛機坐標系進行相關模型定義，以MR（Manufacturing Requirement）進行命名，其主體架構(gòu)如圖10所示。編制人員或供應商使用人員將交付R模型與對應產(chǎn)品同時加載即可在三維可視化的環(huán)境下進行編制或讀取。圖11所示為某飛機部件交付R 模型集的使用示意圖。

采用MBD 形式表達零部件制造技術狀態(tài)時，可充分利用其信息量承載大的特點，將工藝狀態(tài)要求、管理要求等盡可能多的信息采用標準化的描述定義到模型中，按照某型號對供應商的管理要求，交付R 模型詳細設計說明見表1。

4 裝配工藝規(guī)劃和指令編制

圖10 交付R模型總體架構(gòu)Fig.10 Overall architecture for delivering R model

圖11 某飛機部件交付R模型使用示意圖Fig.11 Demonstration of delivering R model for an aircraft component

表1 交付R模型詳細設計說明Table1 Instructions for detailed design of the delivering R model

圖12 基于DELMIA系統(tǒng)的工藝設計系統(tǒng)典型架構(gòu)Fig.12 Typical architecture of process design system based on DELMIA

當前，國內(nèi)大部分裝配工藝設計部門依然按照傳統(tǒng)方式進行裝配工藝的規(guī)劃和指令編制，導致三維數(shù)字化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在裝配工藝設計階段出現(xiàn)斷層，使得三維數(shù)字化的產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)無法準確完整傳遞給工藝設計部門，數(shù)據(jù)的準確性、連續(xù)性被割裂，手工編制裝配指令費時費力，工人現(xiàn)場使用時還需查閱大量設計技術文件以及各類工藝性文件，可讀性和操作性極差，一線操作者理解困難，現(xiàn)場指導作用較差。

因此，裝配工藝設計部門需要適應全三維數(shù)字化設計的新形勢，開發(fā)三維數(shù)字化裝配工藝設計系統(tǒng)，基于產(chǎn)品數(shù)字模型進行裝配工藝的設計和規(guī)劃。圖12為基于DELMIA 系統(tǒng)的工藝設計系統(tǒng)典型架構(gòu)。工藝人員利用設計部門在設計系統(tǒng)中設計并發(fā)放產(chǎn)品的三維數(shù)模，通過數(shù)據(jù)接口將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導入裝配工藝設計系統(tǒng)，并將產(chǎn)品的三維數(shù)模關聯(lián)到每個工序上，在三維可視環(huán)境下進行工藝規(guī)劃和零組件劃分，直觀地反映裝配狀態(tài)和工藝過程，最后生成現(xiàn)場使用的三維可視化裝配指令來指導現(xiàn)場生產(chǎn)[7]。

基于數(shù)字模型的三維數(shù)字化裝配工藝設計不僅是編制三維裝配指令，而是貫穿裝配工藝設計的整個過程，不同階段有不同的側(cè)重點，這個過程主要包含以下3 個階段。

第1 階段：工藝系統(tǒng)接收產(chǎn)品初步設計模型，分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，與設計人員協(xié)商初步確定工藝分離面并制定初步的裝配方案；然后在三維仿真軟件內(nèi)進行裝配方案可行性的初步分析，制定總體裝配方案，分析可能的裝配難點和重點，本階段也稱之為前期工藝性審查。

第2 階段：工藝系統(tǒng)接收較高成熟度的產(chǎn)品設計模型，在三維仿真軟件內(nèi)對重點部位（必要時對全部）結(jié)構(gòu)件、管路、自動化裝配設備等進行裝配過程和人機功效的詳細仿真分析，發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品、工裝以及工藝方面的問題，如圖13所示。

圖13 人機功效及自動化裝配虛擬仿真Fig.13 Virtual simulation of ergonomics and automated assembly

第3 階段：按照設計部門發(fā)布的最終三維MBD 設計模型，創(chuàng)建PBOM，其架構(gòu)參照圖7和8。在數(shù)字化工藝設計系統(tǒng)中進行裝配工藝的詳細規(guī)劃和細節(jié)設計以及資源庫的創(chuàng)建，在三維可視化的環(huán)境下進行零組件以及標準件的劃分，在全三維的環(huán)境下對裝配指令進行工步級的細節(jié)編輯及工時定義，編制從工步級到站位級的裝配工藝流程，最終生成現(xiàn)場使用的標準格式的三維可視化裝配工藝指令（也可定制輸出二維工藝指令）、零組件物料需求清單和物料拉動計劃等，如圖14～17 所示。

基于模型的三維裝配工藝設計系統(tǒng)可按照相關業(yè)務需求，實現(xiàn)工藝設計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理及審簽控制，其通過數(shù)據(jù)接口可以與ERP 以及MES 系統(tǒng)進行集成，給相關系統(tǒng)提供物料采購信息以及現(xiàn)場執(zhí)行所需的工藝數(shù)據(jù)信息。同時針對民機研制過程中適航審查要求所需輸出的6 大類報表等均可自動創(chuàng)建和輸出，提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準確性、完整性[8]。

結(jié)論

圖14 裝配工藝規(guī)劃及零組件劃分Fig.14 Assembly process planning and division of components

圖15 裝配工藝流程規(guī)劃Fig.15 Planning of assembly processes

圖16 裝配工藝指令工時定義Fig.16 Working hours definition of AO

圖17 標準格式的三維可視化裝配工藝指令Fig.17 3D visual AO in standard format

本文通過對當前數(shù)字化設計應用現(xiàn)狀的分析，闡述了基于數(shù)字模型開展工藝設計的必要性和可行性，經(jīng)過近幾年數(shù)字化裝配技術、協(xié)調(diào)技術的研究，開展了基于數(shù)字模型的工藝設計應用的探索，在裝配協(xié)調(diào)、生產(chǎn)線規(guī)劃、供應商制造構(gòu)型定義、三維數(shù)字化交付規(guī)范設計以及裝配工藝規(guī)劃和指令編制等領域進行了有益探索并取得了較好的應用效果。后續(xù)將在工程實踐基礎上進一步完善技術路徑，同時也需要設計與制造系統(tǒng)進一步融合，實現(xiàn)設計制造一體化，為實施智能制造提供技術和組織保障。