基于DELMIA的飛機三維并行裝配工藝規劃、設計

張春亮，陳東琛

（洪都航空工業集團, 江西 南昌330024）

0 引言

基于MBD（Model-Based Definition）的三維產品設計技術的飛速發展和日臻成熟， 使得飛機三維并行裝配工藝設計、 規劃成為可能。 基于DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application）的三維工藝設計以其對上游三維CAD設計數據的完整繼承性和直觀、易懂的方式，實現了工藝設計的繼承性、規范性、標準化和最優化，縮短了工藝設計周期、有效地減少了返工量，降低了對工藝人員的技術和經驗要求， 提高了工藝設計對生產現場的可指導性。 基于DELMIA的三維工藝設計，實現了從傳統以二維工藝設計和表述為主導的飛機制造工藝向三維數字化設計、無圖制造的革命性突破，極大地提高了我國飛機制造技術的發展水平。 同時，建立可視化三維工藝設計也是實現車間現場可視化，實現“無圖”制造的重要技術基礎，是打造數字化生產線的關鍵環節。 三維裝配工藝流程見圖1。

圖1 三維裝配工藝流程

1 基于DELMIA的裝配工藝規劃、設計

裝配工藝規劃、設計就是建立一個工程項目，在工程中進行工藝過程定義 (Process)、 產品定義（Products）和資源定義（Resource）。 在工藝節點下將工藝可行性分析、工藝策劃、工藝分離面劃分依據、工裝初步設計、 裝配工藝布局等相關信息寫到相應的工藝結構層次中， 為詳細工藝設計和裝配仿真奠定基礎。

基于DELMIA的裝配工藝規劃、設計主要就是在DPE 環 境 下 建 立 一個 工 程， 完 成PPR（Process、Products、Resource）結構樹的搭建，工藝規劃見圖2。

1.1 設計數據的讀取

基于MBD設計數據的讀取是工藝規劃的第一步，保證設計數據的唯一和數據同步更新非常重要。數據的讀取主要有兩種方式， 即從ePDM或VPM中下載設計數據到DELMIA服務器中再添加到所建的工程中， 或直接從VPM中直接讀取設計數據到所建的工程中。 兩種方法都可以實現設計數據與工藝數據的同步或定期更新， 但是相比較而言前者對服務器的硬件要求非常高且不能加載太大的數據， 對于企業來說，配置太多的高性能電腦既不經濟又不實用。后者直接讀取VPM中的設計數據， 顯著降低了對硬件的要求且能加載很大的數據。

圖2 三維裝配工藝規劃

1.2 三維工藝設計

1.2.1 搭建工藝結構，確定工藝分離面

工藝分離面的設定關系裝配方案和裝配流程的確定，是裝配工藝設計的核心，工藝的可行性分析也基于此。 工藝分離面的劃分一般考慮產品結構特點、可拆卸性、結構剛性、可裝配性、年產量、經濟性等，工藝分離面的劃分科學與否直接影響到工藝設計的正確性、合理性，制造的可操作性、可執行性以及產品生產制造周期。

對于新機工藝規劃、 一般采取自上而下的方式進行工藝規劃和設計； 而比較成熟的機型一般采用自下而上的工藝規劃和設計方式， 對現有的工藝方案、流程進行再現和優化。 某型機工藝分離面劃分采用自上而下的方式，如圖3所示。

圖3 某型機工藝分離面劃分

相對于傳統的工藝人員看二維圖紙進行工藝策劃，3D工藝規劃直接對數模進行操作，直觀、易懂，極大減少了工藝對于工程經驗的依賴程度、 顯著降低了對工藝人員素質的要求，提高了工藝設計的質量。

1.2.2 工藝分離面的建立和工藝信息的添加

將設計數據指派到相應的工藝分離面下即完成對工藝分離面的建立。 在完成整機工藝分離面的建立后就能進行并行工藝設計工作， 主要內容包括工藝分離面的描述，零、組件定位基準、定位方法、零件交接余量的定義等，如圖4所示。

圖4 某型機后機身工藝分離面信息

1.2.3 建立AO目錄，進行零件裝配順序仿真

在完成工藝分離面的劃分和設計數據的指派后，就可以規劃AO，建立AO目錄，為詳細工藝設計做準備。

利用APN模塊完成設計數模到工藝分離面下確定的AO項目的三維指派， 利用可視化的窗口對三維數模進行直接指派，避免指派出錯和零件遺漏。 圖5為工藝分離面下的零件向工序層指派的過程， 指派過程實現了三維可視化。

完成AO目錄建立及零件的詳細指派后， 就確定了零件裝配順序，通過裝配順序仿真，驗證工藝分離面劃分和裝配順序的合理性，并進行修改、完善。 同時將AO與零件指派直接關聯起來，可以實現IMBOM的輸出，用于生產準備和實際生產。

圖5 零件從工藝分離面向工序層指派過程

1.2.4 EBOM和工藝IMBOM的對比與輸出。

通過IMBOM（Initial Manufacture Bill Of Material）與設計EBOM（Engineering Bill Of Material）的自動對比，確定零件指派的正確性，改變了傳統的手工工藝分工方式，提高了分工工作效率，避免分工出錯。

將IMBOM通過Excel表格輸出， 即可形成各個工藝分離面下的完整工藝信息， 對于工藝設計早期的方案策劃、工裝設計、工藝布局規劃等并行工藝設計工作展開具有決定意義，同時為詳細工藝設計、零件（尤其是長周期零件）預投產等奠定基礎。

1.3 資源定義

1.3.1 工裝的規劃和設計

利用工藝分離面劃分完成就可以確定工裝的種類和數量了。 利用工藝分離面的描述，零、組件定位基準、定位方法、零件交接余量的定義等內容指導標準工裝設計、裝配工裝、零件工裝的初步設計，確定標準工藝裝備的協調部位、協調方法，確定裝配工裝的框架范圍，重要零、組件的定位基準、定位方法；利用AO目錄和零件裝配順序仿真指導裝配工裝的詳細設計，確定所有零件在裝配工裝上的定位基準、定位方法、定位器形式等。

基于DELMIA的并行工藝設計，使工裝設計在產品設計的初期就可以同步進行， 并根據設計數模成熟度和工藝設計的進度同步優化和完善， 提高了對工裝設計的指導性， 同時還有效地降低了工裝設計周期和工裝制造準備周期， 從而縮短了整個產品的研制周期。

1.3.2 資源庫的建立

建立資源庫就是將生產產品用的所有資源建立相應的三維工藝模型，添加資源屬性，并按實際使用進行分類。 資源庫包括廠房、產品、工裝、設備、工具、工人等資源信息。

1.3.3 裝配布局場景搭建，建立3D工廠布局

將廠房、產品、工裝、設備、工具、工人等三維模型加載到所建的工程中， 就可以進行工廠工藝布局場景搭建。 根據工藝規劃從總體上確定產品裝配順序和物流方向； 根據裝配工裝大小確定工裝占地面積和生產輔助面積；規劃生產布局、生產線。 某型機后機身裝配的場景圖如圖6所示。

2 基于DELMIA的裝配仿真

將設計完成的工裝、工具、工人、產品的3D數模添加到工程中，按照規劃好的工藝方案、路線和生產線，利用裝配仿真功能，在3維環境下進行虛擬裝配，驗證工藝規劃、設計的合理性，及時修改方案不合理之處，優化工藝流程。 如此反復迭代，確定最佳工藝方案。 基于DELMIA的裝配仿真可以實現以下功能：

1）生產能力平衡驗證，優化生產線布局和物流。

圖6 某型機后機身裝配的場景圖

將工裝、工具、工人、產品的3D數模添加到工程中，根據AO目錄形成裝配網絡圖，通過測算每份裝配指令的工時， 可以計算出每個型架上的工作時間，通過增減型架上的工作量，最終使整條生產線達到生產力平衡。 可以用虛擬現實技術 （動畫）來模擬物流的時間和路徑， 發現有沒有產品積壓、通道堵塞等情況，從而優化生產線布局和物流。

裝配仿真改變了以前只能憑經驗進行工藝布置、規劃，靠生產驗證的方式，減少了工程返工和資源浪費。

2）優化產品設計、工裝設計、AO裝配流程，生成裝配仿真報告

利用3D動態裝配工程仿真，發現產品設計、工裝設計、AO裝配流程不合理之處，并及時反饋給產品設計、工裝設計、部裝車間等單位，從而優化產品設計、工裝設計和AO流程。

生成裝配仿真報告， 用詳實的數據和直觀的動畫，為工藝的可行性、合理性分析提供科學依據，改變了以前只有試制才能發現問題的弊端， 避免顛覆性的錯誤和生產浪費。

3）裝配過程的可視性、可達性、可維護性、舒適性分析

利用人機工程仿真功能在產品安裝時， 驗證人視角的可視性；人體、手、工具的可達性；產品工藝通路的可維護性；人體載荷分析、時效分析等人體的舒適性。 以前這部分工作只能憑空想象，無法驗證。

4）生成3D裝配指令，用于指導工人操作和培訓

實現裝配指令從傳統的2D模式向3D模式質的飛躍，利用動畫、視頻、3D數模等直觀、真實、生動的形式指導工人現場操作。 目前這部分工作研究正在深入探索中。

3 應用效果

利用DELMIA對某型機小批產MBD產品設計數模進行全機工藝設計、規劃和仿真驗證，取得了從頂層工藝規劃、 裝配工藝設計、 IMBOM輸出、 產品裝配仿真驗證、 裝配工藝優化等一系列成果， 驗證和拓展了軟件的功能， 實現了飛機工藝設計從二維到三維的革命性跨越， 進一步提高了工藝設計能力,為后續新機研制奠定了良好的基礎。 但目前還存在一些問題：

1）產品設計不是面向裝配的產品設計， 給工藝規劃、設計帶來很多困難，急需完善適應裝配的MBD產品設計技術規范。

2）工藝設計思想相對滯后，現行的工藝體系、分工、組織形式還不能適應新的三維工藝設計模式。

3）目前已經實現了結構件的規劃和設計， 系統件、標準件、連接件還無法有效劃分、指派。

4 未來的發展趨勢

基于MBD的飛機三維并行裝配工藝規劃、設計，需要產品設計、工藝設計、工裝設計、模線、生產、制造等單位和部門的全程參與、緊密協作，是一個系統性的大工程。 其未來發展有以下趨勢：

1）建立大工藝的思想，從基于裝配的飛機產品設計、工藝設計、工裝設計、生產組織、廠房規劃、生產線規劃、物流等方面統籌規劃、協調考慮，建立適應數字化、自動化、信息化的現代飛機產品設計、工藝設計、制造能力體系。

2）建立、 健全適應三維工藝設計的工藝體系，建立完善的工藝設計知識庫、資源數據庫，實現流程再造和優化。

3）實現CAD/CAM/CAE系統的集成，形成完整的設計、工藝、制造、質控、管理體系，實現整體信息化的貫通和提升。

4）結合其他仿真軟件和容差分析仿真軟件，實現裝配的過程仿真、 物理仿真、 裝配精度分析，使仿真效果更符合實際； 實現軟件功能進一步拓展和完善。

[1]王云渤, 張關康, 馮宗律. 飛機裝配工藝學. 北京:國防工業出版社,1990.1.

[2]范玉青. 現代飛機制造技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2001.5.

[3]《航空制造工程手冊》總編委會. 航空制造工程手冊·飛機裝配.北京:航空工業出版社,1993.12.

[4]程寶蕖.飛機制造協調準確度與容差分配.北京：航空工業出版社，1979.2.