鄧海洲，王大濤，王 良，賈曉亮，劉明星，宋洪鵬

（1.中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司，沈陽 110000；2.航空工業(yè)信息技術(shù)中心，北京 100028）

消耗式工藝設(shè)計通常是指在MBD 裝配數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)上，在飛機工藝設(shè)計過程中對零件、標(biāo)準(zhǔn)件等主要數(shù)據(jù)元素的分配屬性及狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)識和記錄，確保數(shù)據(jù)分配準(zhǔn)確、完整、可追溯，從而有效地避免數(shù)據(jù)錯誤、漏分配的一種裝配工藝設(shè)計方法。航空標(biāo)準(zhǔn)件是現(xiàn)代飛機的基本組成部分，通常占飛機零件數(shù)量的60%～90%。在飛機的設(shè)計過程中，大量使用標(biāo)準(zhǔn)件，這給飛機的設(shè)計、制造和裝配帶來很大的便利[1]，但對于飛機裝配而言，如何將大量的零組件、標(biāo)準(zhǔn)件正確且完整地裝配至飛機上，一直是工藝規(guī)劃及設(shè)計過程研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。為實現(xiàn)飛機裝配數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，消耗式工藝技術(shù)逐漸在工藝規(guī)劃及設(shè)計過程中應(yīng)用發(fā)展[2]。

DELMIA 軟件是達(dá)索公司的一款可針對飛機裝配中的工藝設(shè)計及按其設(shè)計要求進(jìn)行裝配仿真驗證的軟件[3]，國內(nèi)外航空制造企業(yè)普遍采用該軟件進(jìn)行飛機裝配工藝設(shè)計工作。大型飛機標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量都在數(shù)十萬甚至上百萬件以上，采用實體建模將會產(chǎn)生極大量的數(shù)據(jù)，因此目前飛機模型中標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計大都采用點、線等元素進(jìn)行簡化表達(dá)，無法使用DELMIA 中的標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的工藝規(guī)劃[4]。本文將這種簡化表達(dá)、無實體模型的標(biāo)準(zhǔn)件統(tǒng)稱為“非實例化標(biāo)準(zhǔn)件”。在科研飛機試制階段，設(shè)計變更頻繁、技術(shù)狀態(tài)控制難度大，傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計依靠人工在工藝計劃表中標(biāo)記、劃分?jǐn)?shù)量如此龐雜的標(biāo)準(zhǔn)件裝機情況，很難保證沒有錯漏裝的問題[5]。近年來，國內(nèi)部分飛機型號在三維可視化消耗式裝配工藝設(shè)計研究應(yīng)用方面取得了技術(shù)突破，但對于非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的工藝設(shè)計目前尚未找到高效實用的技術(shù)方法，使得設(shè)計、裝配及生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)件信息一致性問題沒有從根本上解決，是飛機所有參裝件100%實現(xiàn)消耗式工藝設(shè)計“最后一公里”工程中的一大難題。

本文在基于模塊的飛機構(gòu)型管理體系下，采用Windchill 系統(tǒng)平臺，針對CATIA 設(shè)計軟件下非實例化標(biāo)準(zhǔn)件消耗式分配工藝設(shè)計難題，從業(yè)務(wù)流程、標(biāo)準(zhǔn)件二級拆分及消耗式分配、變更管理等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，形成了完整的解決方案，并基于某項目組件開展了功能測試和比較系統(tǒng)的工程應(yīng)用實踐，驗證了方案可行性。

1 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件消耗式裝配工藝設(shè)計的總體思路和業(yè)務(wù)架構(gòu)流程

1.1 總體思路

非實例化標(biāo)準(zhǔn)件一般在CATIA 組件 （*.CATProduct）文件所對應(yīng)的CATIA 零件 （*.CATPart）文件中表達(dá)，該CATIA 零件文件在不同項目中有不同的名稱，如在C919、MA700、AG600 等機型中該文件簡稱為R 模型，為論述方便，本文中統(tǒng)一稱為R 模型文件。在該R 模型文件中一般包含大量的表達(dá)非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的點、線模型。由于飛機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同一R 模型通常會包含多個標(biāo)準(zhǔn)件牌號規(guī)格，且數(shù)量較大、分布較廣，裝配工藝設(shè)計時，需將R 模型下的非實例化標(biāo)準(zhǔn)件分配至站位–工位–工序–工步，以滿足消耗式工藝設(shè)計及相關(guān)管理的需求。由于非實例化標(biāo)準(zhǔn)件是R 模型對象下一級的構(gòu)成元素，系統(tǒng)無法像實例化的零件那樣對其進(jìn)行分配。對于歷史項目，設(shè)計部門在劃分構(gòu)型項，確定設(shè)計模塊 （簡稱DM）時，并未充分考慮裝配工藝設(shè)計需求，劃分不夠細(xì)致，導(dǎo)致大量DM 下的零件、標(biāo)準(zhǔn)件在工藝設(shè)計時需要跨工位進(jìn)行多次分割和再分配。

為解決上述問題，有以下兩種方案可供工藝系統(tǒng)選擇。

方案1：提請設(shè)計部門按裝配工藝設(shè)計需求對DM重新劃分，一般也需要對DM 下R 模型進(jìn)行拆分，確保DM 不需要跨工位分配；

方案2：制造部門按裝配需求對DM 進(jìn)行二次劃分，同時也需要對R 模型進(jìn)行重新分割，形成新的工藝組件模塊，即制造模塊 （MDM），確保MDM 不需跨工位分配。

飛機在整個研制階段，甚至批產(chǎn)后都是一個動態(tài)的持續(xù)改進(jìn)過程。圍繞精益生產(chǎn)這一核心目標(biāo)，制造工藝系統(tǒng)根據(jù)傳統(tǒng)制造經(jīng)驗，利用生產(chǎn)價值流程分析等方法對產(chǎn)品裝配工序進(jìn)行多輪迭代優(yōu)化分析[6]，產(chǎn)品裝配流程本身也會因工藝質(zhì)量改進(jìn)或滿足生產(chǎn)線速率變化開展持續(xù)的迭代優(yōu)化，因而方案1 會引發(fā)持續(xù)性的、數(shù)據(jù)龐大的設(shè)計構(gòu)型更改工作，與更為剛性的產(chǎn)品優(yōu)化更改發(fā)生資源沖突，同時由于國內(nèi)普遍存在設(shè)計與工藝分離的制度障礙，導(dǎo)致方案1 實施難度很大；相對于方案1是從數(shù)據(jù)源頭進(jìn)行更改來說，方案2 需要工藝進(jìn)行設(shè)計構(gòu)型的二次構(gòu)建，也稱為制造構(gòu)型，雖然也需要做大量數(shù)據(jù)重構(gòu)工作，但由于其主要由制造工藝系統(tǒng)實施，不存在大的技術(shù)和管理障礙，實施過程相對可控，可操作性更強。

因此，本文選擇方案2，即由制造部門按裝配工藝設(shè)計需求對DM 進(jìn)行拆分，針對其內(nèi)部采用R 模型定義的非實例化標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行二次分割，此方法過程管理相對靈活，兼顧了相關(guān)資源的可承受性。

1.2 消耗式工藝設(shè)計的總體業(yè)務(wù)架構(gòu)

國內(nèi)飛機制造企業(yè)的裝配工藝設(shè)計工作流程通常分為頂層裝配工藝規(guī)劃和詳細(xì)裝配工藝規(guī)劃兩個層級。頂層工藝規(guī)劃主要用于劃分裝配工位，實現(xiàn)并支撐工位級工藝資源的配套，如零件、標(biāo)準(zhǔn)件、工裝工具、設(shè)備、人員等；詳細(xì)裝配工藝規(guī)劃通常是在具體的裝配工位內(nèi)進(jìn)行裝配工序設(shè)計及工步設(shè)計。

本文在繼承現(xiàn)有工藝設(shè)計習(xí)慣和生產(chǎn)管理模式的基礎(chǔ)上，將非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的消耗式工藝設(shè)計流程嵌入到現(xiàn)有成熟的三維工藝設(shè)計流程中，分為1 級 （工位級）和2 級 （工步級）兩個層級。

第1 級工藝設(shè)計依托CATIA 軟件和Windchill 系統(tǒng)平臺，完成頂層MBOM 規(guī)劃及參裝件工位級消耗式分配；

第2 級工藝設(shè)計依托DELMIA 和Windchill 系統(tǒng)平臺，完成底層MBOM 規(guī)劃及參裝件工步級消耗式分配，并考慮了必要的人機工程分析的工藝仿真與驗證需求，制定總體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示，其中橘色部分為非實例化標(biāo)準(zhǔn)的2 級分配環(huán)節(jié)。

圖1 消耗式工藝設(shè)計業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.1 Consumable process design business architecture

在MBOM 頂層裝配工藝規(guī)劃的制造模塊拆分環(huán)節(jié)，利用CATIA CAA 開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)件拆分工具集，對需跨工位的非實例化標(biāo)準(zhǔn)件按裝配需求進(jìn)行拆分，將拆分后的標(biāo)準(zhǔn)件重新掛載到MBOM 結(jié)構(gòu)中對應(yīng)工位上，從而實現(xiàn)所有參裝件 （零件、標(biāo)準(zhǔn)件）完整的頂層MBOM結(jié)構(gòu)，隨后將所有參裝件分配至相應(yīng)裝配工位。

在MBOM 詳細(xì)裝配工藝規(guī)劃階段的AO 詳細(xì)設(shè)計環(huán)節(jié)，針對1 級分配后的非實例化標(biāo)準(zhǔn)件，通過Windchill與DELMIA 集成，將標(biāo)準(zhǔn)件再次按裝配需求拆分并分配至工步，形成結(jié)構(gòu)化的三維工藝指令[7]。

2 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件消耗式分配技術(shù)方法

2.1 實例化標(biāo)準(zhǔn)件的1、2 級消耗式分配流程

非實例化標(biāo)準(zhǔn)件R 模型的1 級和2 級消耗式分配的詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2 分配流程圖Fig.2 Distribution flow chart

從Windchill 系統(tǒng)中將某一站位相關(guān)的模塊 （含零組件、R 模型）下載并導(dǎo)入CATIA，利用CATIA CAA二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)件拆分工具集將R 模型按照裝配需求拆分為多個子R 模型，如R1、R2，并構(gòu)建裝配關(guān)系，隨后回傳拆分后的子模型至Windchill，并關(guān)聯(lián)至相應(yīng)工位下，到此完成了1 級拆分與分配。在完成AO 規(guī)劃后，將1 級消耗式分配的結(jié)果及零部件信息一起傳遞給DELMIA，基于DELMIA 的EIP 模塊將工位中子R 模型各個點分配至對應(yīng)AO 的工步中，并將最終分配結(jié)果回轉(zhuǎn)至Windchill，由此完成2 級消耗式分配。

通過上述工作流程，可將消耗式工藝設(shè)計的范圍由零組件擴(kuò)展至非實例化標(biāo)準(zhǔn)件，實現(xiàn)所有參裝件100%消耗式工藝規(guī)劃和管理，從而可保證MBOM 數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性，最終保障下游采購、物料配套、生產(chǎn)管控、質(zhì)量追溯、成本歸集等環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.2 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的1 級消耗式分配–工位級

用CAA 對CATIA 進(jìn)行二次開發(fā)是CATIA 二次開發(fā)方式中最重要的一種，能實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜的一系列擴(kuò)展功能，且操作界面友好，與CATIA 本身無縫集成，是國內(nèi)高校和軟件公司普遍采用的方式[8]。受限于DELMIA 多次分配功能局限性以及R 模型的特殊性，本文通過CATIA CAA 二次開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)件分配工具集并集成至CATIA 中 （圖3），用于完成標(biāo)準(zhǔn)件拆分和工位級分配。

圖3 集成到CATIA 軟件中的標(biāo)準(zhǔn)件分配工具集Fig.3 Standard part allocation toolset integrated into CATIA software

從Windchill 中下載MDM 數(shù)據(jù)包至本地，在CATIA中使用標(biāo)準(zhǔn)件分配工具集中“導(dǎo)入MDM 文件”功能后打開相關(guān)數(shù)模，其初始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示例見圖4。使用“標(biāo)準(zhǔn)件分配”功能將初始R 模型根據(jù)業(yè)務(wù)要求拆分成多個子R 模型，如R1、R2 等，然后將其分配至不同的制造模塊下（圖5）并保存于本地。隨后在Windchill 端從本地上傳分配結(jié)果，由于從Windchill 向CATIA 導(dǎo)入MDM 數(shù)據(jù)時XML 格式文件中已包含產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，在接收分配好的數(shù)據(jù)時能夠準(zhǔn)確將其掛載在相應(yīng)的BOM 下（圖6）。

圖4 R 模型1 級拆分之前的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Product data structure about R model

圖5 R 模型拆分成R1 和R2 并分配至不同制造模塊Fig.5 R model split into R1 and R2 and allocated to different manufacturing modules

圖6 工位級消耗式工藝設(shè)計的MBOM 結(jié)構(gòu)Fig.6 MBOM structure of station level consumable process design

2.3 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的2 級消耗式分配–工步級

工藝人員在編寫AO 時，需要在相應(yīng)工步下體現(xiàn)出所使用標(biāo)準(zhǔn)件牌號和數(shù)量，因此需要將拆分后R1、R2等子模型中的標(biāo)準(zhǔn)件再次拆分并分配到具體的工步下。首先從Windchill 系統(tǒng)中導(dǎo)入包含子R 模型的MBOM結(jié)構(gòu)至DELMIA（含XML 格式接口文件），按裝配需求基于EIP 模塊將工位下的標(biāo)準(zhǔn)件消耗式分配到各工序的具體工步中，隨后將標(biāo)準(zhǔn)件二次分配信息以XML 格式列表回傳給Windchill 系統(tǒng)，由此完成了工步級的二次分配。具體流程如圖7所示。

圖7 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的二級消耗式分配流程Fig.7 Secondary consumable allocation flow of non-instantiated standard parts

在DELMIA 的DPE 模塊完成工藝結(jié)構(gòu)樹搭建后，通過DELMIA 中的DPM 模塊與DPE 模塊之間的M–HUB 接口，在DPM 中打開需要分配的工位節(jié)點，利用EIP 模塊中OOTB 功能，將工位中R1、R2 文件中的點、線、圈等分配到對應(yīng)的工序步中，分配完成以后在結(jié)構(gòu)樹的工步節(jié)點下選擇已經(jīng)分配完成的標(biāo)準(zhǔn)件，選擇對應(yīng)的點線，在三維空間和結(jié)構(gòu)樹上都會高亮顯示。在DPM中保存后的結(jié)果數(shù)據(jù)自動同步到DPE 模塊中，利用開發(fā)接口將結(jié)果數(shù)據(jù)以XML 的格式回傳給Windchill 系統(tǒng)，Windchill 系統(tǒng)接收工步級標(biāo)準(zhǔn)件分配結(jié)果以列表的形式鏈接到工步節(jié)點下，該列表中記錄了該工位下的標(biāo)準(zhǔn)件號、標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量等信息，并不創(chuàng)建具體的標(biāo)準(zhǔn)件實例。具體過程和結(jié)果如圖8所示。通過上述步驟最終實現(xiàn)工步級標(biāo)準(zhǔn)件的可視化消耗式分配。

圖8 工位中R1、R2 的點（非實例化標(biāo)準(zhǔn)件）分配到工步Fig.8 Assign R1,R2 points (non-instantiated standard parts) to work steps

2.4 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件更改工藝管理

飛機研制過程中的設(shè)計更改不僅頻次高，而且費時費力[9]，因此更改管理是飛機研制生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)管理的主要工作。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件更改描述文件，判斷標(biāo)準(zhǔn)件更改量是否較大，若較大時，對新升版的新R 模型重新劃分子R 模型，重新進(jìn)行一級分配及后續(xù)工作。針對更改量較小的情況，鑒于標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)量大，為保證標(biāo)準(zhǔn)件更改的完整準(zhǔn)確貫徹且減少重復(fù)工作，本文采用CATIA CAA 二次開發(fā)R 模型對比工具集進(jìn)行R 模型自動比對分析，按分析結(jié)果只更新新增或更改的標(biāo)準(zhǔn)件子R 模型。標(biāo)準(zhǔn)件的更改貫徹流程圖如圖9所示。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)件更改貫徹流程圖Fig.9 Flow chart of standard parts changes

R 模型對比工具集采用遍歷算法，將新版本的R 模型與舊版本已分配好的子R 模型進(jìn)行對比，對比的類型包含代表非實例化標(biāo)準(zhǔn)件的點、線和圈，根據(jù)元素特征采取差異化對比規(guī)則。其中點的對比根據(jù)點的空間坐標(biāo)，線的對比根據(jù)線的兩個端點進(jìn)行，而圈的對比則根據(jù)圓的中心點和半徑。

在執(zhí)行R 模型對比功能時，具體工作過程如圖10所示。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)件對比過程Fig.10 Standard parts comparison process

采用R 模型對比功能，可實現(xiàn)相關(guān)更改范圍的精準(zhǔn)化識別和精準(zhǔn)化更改，最大化減少工藝人員修改工藝文件的工作量，同時也可減少相關(guān)管理成本。

3 非實例化標(biāo)準(zhǔn)件消耗式裝配工藝設(shè)計的應(yīng)用

本文在非實例化標(biāo)準(zhǔn)件消耗式裝配工藝設(shè)計技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，基于某項目產(chǎn)品對所開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了功能測試及相關(guān)應(yīng)用驗證，圖11～15 分別是驗證過程中的工作場景。圖11是某產(chǎn)品下緣組件的數(shù)模及結(jié)構(gòu)樹，從左側(cè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹可知，該組件的所有連接定義均掛在R_5456C0110G21 下，從右側(cè)數(shù)模可知該R 模型下標(biāo)準(zhǔn)件分布在該組件內(nèi)各零件的所有連接部位 （亮顯的點線集）。圖12是采用集成至CATIA 軟件的標(biāo)準(zhǔn)件分配工具集進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件一次分配的場景，其右側(cè)數(shù)模中亮顯的點線集是在R 模型基礎(chǔ)上拆后得到的子R 模型中的元素。圖13是在DELMIA 軟件環(huán)境下使用EIP 模塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件工步級分配的場景，從左側(cè)結(jié)構(gòu)樹中可看到掛在某AO 下具體工步中的標(biāo)準(zhǔn)件。圖14是AO 中具體工步的內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)件列表，圖15是經(jīng)過審簽發(fā)布的AO示例。

圖11 產(chǎn)品數(shù)模及結(jié)構(gòu)樹Fig.11 Model and structure tree of product

圖12 標(biāo)準(zhǔn)件一次分配Fig.12 First allocation of standard parts

圖13 利用DELMIA EIP 模塊將標(biāo)準(zhǔn)件二次分配至具體工步Fig.13 Standard parts allocated to specific work steps using DELMIA EIP module

圖14 標(biāo)準(zhǔn)件二次分配至AO 的具體工步中Fig.14 Standard parts allocated to AO specific work step

圖15 采用消耗式裝配工藝設(shè)計生成AOFig.15 AO generated by consumable assembly process design

通過基于某項目產(chǎn)品的消耗工藝設(shè)計實踐和應(yīng)用驗證，將裝配工藝設(shè)計消耗管理范圍從零件擴(kuò)展至標(biāo)準(zhǔn)件，構(gòu)建出完整準(zhǔn)確的MBOM，實現(xiàn)了該產(chǎn)品下所有參裝件（零件和標(biāo)準(zhǔn)件）的消耗式工藝設(shè)計，生成了對應(yīng)的AO，并用于指導(dǎo)生產(chǎn)。從實際效果來看，由于對所有參裝件使用了消耗工藝設(shè)計方法，確認(rèn)所有的參裝件（零件和非實例化標(biāo)準(zhǔn)件）被消耗式分配到具體的工步中，工藝設(shè)計工作的準(zhǔn)確率得到了提高，且所有的設(shè)計過程均可追溯，AO 和MBOM 的準(zhǔn)確率得到了保證。

目前，公司已經(jīng)開始在某項目后機身前段、吊掛、垂尾等工作推廣使用本文的研究成果，并著手論證向其他項目推廣應(yīng)用的技術(shù)途徑。

4 結(jié)論

本文針對飛機設(shè)計中大量非實例化標(biāo)準(zhǔn)件無法進(jìn)行消耗式工藝設(shè)計的難題，完成了基于Windchill 和CATIA及DELMIA 集成的業(yè)務(wù)架構(gòu)流程研究、非實例化標(biāo)準(zhǔn)件2 級拆分與消耗式分配方法研究和相關(guān)更改管理研究與實踐，解決了飛機所有參裝件100%實現(xiàn)消耗式工藝設(shè)計“最后一公里”工程中的難題，相關(guān)成果已開始在產(chǎn)品上推廣應(yīng)用。隨著更大范圍及更深入的應(yīng)用推進(jìn)，相關(guān)業(yè)務(wù)流程和技術(shù)方法還將進(jìn)一步完善和改進(jìn)。隨著設(shè)計制造一體化的深入，在后續(xù)新研項目上將大力推進(jìn)產(chǎn)品裝配工位劃分與產(chǎn)品設(shè)計模塊劃分工作的高度并行與深度融合，最大程度實現(xiàn)設(shè)計模塊定義與制造模塊劃分需求的統(tǒng)一，從根本上減少工藝部門工藝設(shè)計及更改管理的壓力，進(jìn)而為產(chǎn)品快速研制和智能化制造提供更優(yōu)質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)。