數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真應(yīng)用研究

韓煒 馬平社

西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司,陜西 西安 710089

1 概述

在飛機(jī)制造過程中，裝配工藝設(shè)計是一個復(fù)雜的組織協(xié)調(diào)過程，要求企業(yè)具有周密的計劃、嚴(yán)密的組織、高度的協(xié)同工作，才能按計劃高質(zhì)量地完成各項生產(chǎn)工藝準(zhǔn)備工作。傳統(tǒng)的工藝設(shè)計主要依靠工藝人員個人技術(shù)水平與經(jīng)驗，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、企業(yè)的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)組織方式等進(jìn)行工藝設(shè)計。設(shè)計過程繁冗、復(fù)雜，質(zhì)量因人而異，不能合理地綜合利用企業(yè)資源，最終生產(chǎn)的產(chǎn)品往往難以全面、準(zhǔn)確實現(xiàn)設(shè)計意圖。

隨著我國數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)的發(fā)展，目前，各主要飛機(jī)設(shè)計研究院已經(jīng)具備了基于MBD技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計能力，各主要飛機(jī)制造企業(yè)也擁有了工裝的數(shù)字化設(shè)計制造、生產(chǎn)資源信息的數(shù)字化化管理水平，具備了開展數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

開展數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真技術(shù)研究，可以通過建立飛機(jī)虛擬樣機(jī)（樣段模型）、設(shè)備以及工裝工具模型、人機(jī)工程虛擬環(huán)境、仿真過程等，對工藝方案進(jìn)行人機(jī)工效分析，過程設(shè)計與仿真，最后生產(chǎn)工藝文件。從而實現(xiàn)快速高效、交互直觀地進(jìn)行飛機(jī)裝配的工藝規(guī)劃與設(shè)計；優(yōu)化工藝過程，降低言研制風(fēng)險；綜合優(yōu)化調(diào)配企業(yè)資源。

2 傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計方法

目前，我國的飛機(jī)制造業(yè)仍然沿用傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計方法。其特點及存在的問題主要有：

2.1 裝配工藝設(shè)計屬二維方式，表述不直觀

傳統(tǒng)二維工藝設(shè)計由工藝人員抽象理解，形成立體的裝配空間與操作順序，然后用平面（二維）方式表述。工藝設(shè)計的優(yōu)劣主要由工藝人員個人的工作經(jīng)驗和技術(shù)水平?jīng)Q定。操作者再根據(jù)二維的工藝設(shè)計在大腦中再次構(gòu)建三維裝配空間，將裝配內(nèi)容、操作順序反向還原，這樣非常容易產(chǎn)生理解的二義性，造成裝配錯誤。

2.2 不能滿足三維數(shù)字化條件下裝配工藝設(shè)計要求

傳統(tǒng)的飛機(jī)研制過程中，產(chǎn)品、工裝、工具、企業(yè)的組織結(jié)構(gòu)、人力資源、生產(chǎn)能力等基本是通過二維圖紙、文檔等進(jìn)行傳遞，導(dǎo)致了工藝設(shè)計對制造資源及裝配工藝知識細(xì)節(jié)描述的淡化。不能充分利用產(chǎn)品、工裝等三維CAD數(shù)據(jù)，不能完全消除工藝設(shè)計轉(zhuǎn)換造成的與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)的不一致性，難以實現(xiàn)最優(yōu)化的工藝設(shè)計。

2.3 無法進(jìn)行三維工藝設(shè)計驗證

傳統(tǒng)工藝設(shè)計不具備驗證能力，無法及時將裝配中的干涉、操作空間開敞性、工具可達(dá)性等問題提前暴露。這些問題在實際裝配階段才會反映出來，必然會影響飛機(jī)研制的進(jìn)度和質(zhì)量。實際的型號研制也表明，在試制階段裝配車間的工藝人員大約80%的時間用于處理各類現(xiàn)場裝配問題。

2.4 缺少科學(xué)的工藝設(shè)計優(yōu)化手段

由于傳統(tǒng)工藝設(shè)計以二維表述為主要方式，工藝設(shè)計更改、優(yōu)化周期長，方案優(yōu)劣依賴個人經(jīng)驗，缺乏定性定量分析手段，工藝設(shè)計質(zhì)量因人而異。在生產(chǎn)節(jié)拍的安排、裝配順序設(shè)計、制造資源的使用等方面缺乏合理地、定量地控制，需要在后續(xù)過程中不斷進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，增加了研制的周期與成本。

圖1 DPE、DPM下的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計、仿真流程

3 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計、仿真

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計和仿真是在計算機(jī)提供的虛擬空間內(nèi)，融入知識管理的概念，對產(chǎn)品、工裝、工具、工藝過程等用數(shù)字化模型表示全部行為，為人們提供一個飛機(jī)裝配全過程的三維可視化及交互的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。

通過裝配工藝設(shè)計及過程仿真，可以提前暴露并解決實際裝配過程中的產(chǎn)品與工裝工藝性差、工藝流程不合理、各站位工作量安排不合理等問題，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短裝配周期、降低產(chǎn)品研制風(fēng)險、減少研制成本。

與傳統(tǒng)方法相比，數(shù)字化裝配工藝設(shè)計有以下優(yōu)點：

（1）以產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)為源，在工程設(shè)計數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過增加、補充工藝設(shè)計內(nèi)容的方式，建立工藝裝配模型。該設(shè)計方法可以有效保證工程數(shù)據(jù)的唯一性。

（2）工藝詳細(xì)設(shè)計時，工藝人員很容易獲得工藝知識、制造資源等詳細(xì)數(shù)據(jù)，為工藝設(shè)計提供了堅強(qiáng)、可靠、科學(xué)的支持，在很大程度上提高了工藝設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化，提高了工藝設(shè)計質(zhì)量，降低制造風(fēng)險與成本。

（3）三維的工藝設(shè)計與仿真，使得工藝人員可以用多種視角，直觀地完成工藝設(shè)計、工藝仿真、產(chǎn)品和工裝的工藝性分析、工藝過程優(yōu)化、工藝文件的輸出等工作。

（4）三維工藝設(shè)計與仿真結(jié)果可以通過文字、圖片、視頻等多種形式輸出，下游工作人員不需要接受任何專業(yè)培訓(xùn)，就可以方便直觀地使用工藝設(shè)計數(shù)據(jù)，有效避免了傳統(tǒng)工藝文件理解的二義性問題，明顯節(jié)省下游工作人員工作量，提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)利用率，提高工作效率。

4 基于中央翼數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真

4.1 中央翼裝配特點

某型機(jī)中央翼是飛機(jī)大部件對接的基準(zhǔn)，需要分別與中機(jī)身、外翼進(jìn)行對接。該組件裝配具有協(xié)調(diào)部位多、定位精度要求高、工裝定位器多、工人操作困難等特點，使得裝配工藝設(shè)計過程繁瑣、復(fù)雜。采用傳統(tǒng)工藝設(shè)計模式，很難保證完整、準(zhǔn)確地繼承工程要求、合理地規(guī)劃裝配流程、清晰地表達(dá)工藝要求，工人在操作過程中不能準(zhǔn)確地掌握設(shè)計、工藝要求，存在較大研制風(fēng)險，數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真可以在工藝設(shè)計過程中有效地發(fā)現(xiàn)并解決大部分問題，從而降低研制風(fēng)險。

4.2 數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真

中央翼數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真的主要過程為：首先，在DELMIA的平臺下，將工程數(shù)據(jù)（CATIA文件）導(dǎo)入數(shù)字化工藝設(shè)計環(huán)境（DPE，二維環(huán)境），以工程物料清單（EBOM）為基礎(chǔ)，通過劃分工藝路線、工藝組件，構(gòu)建工藝物料清單（PBOM）；其次，在數(shù)字化工藝仿真模塊（DPM，三維環(huán)境），創(chuàng)建和模擬三維裝配順序，構(gòu)建產(chǎn)品的制造物料清單（MBOM），并完成產(chǎn)品的人機(jī)工效分析，過程設(shè)計與仿真；然后，依據(jù)三維仿真效果，優(yōu)化工藝設(shè)計。數(shù)字化裝配工藝設(shè)計、仿真流程如圖1所示。

4.2.1 數(shù)據(jù)載入

不同企業(yè)在工作流程、管理控制方面各不相同，為此必須對DPE結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行PTS定制（即工藝模板的定制），這樣軟件才能滿足企業(yè)現(xiàn)有的工藝流程模式，實現(xiàn)工藝信息的順利添加。這些信息通過PPR HUB保存在DELMIA服務(wù)器中。

DELMIA中產(chǎn)品、資源等模型的載入是在DPE環(huán)境下實現(xiàn)的。產(chǎn)品、資源數(shù)據(jù)需要通過相應(yīng)的發(fā)放平臺載入到DELMIA服務(wù)器。如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)載入，這取決于企業(yè)的數(shù)據(jù)管理模式。

各類資源經(jīng)PTS定制，可分為專用刀量具、通用工具、專用工藝裝備、輔助工裝及其他資源。這類數(shù)據(jù)的載入比較簡單，只需連接資源庫中數(shù)據(jù)模型就可實現(xiàn)。

4.2.2 工藝過程規(guī)劃

DELMIA環(huán)境下的工藝過程是一種從頂至下、逐級劃分的MBOM構(gòu)建的過程，工藝人員需要根據(jù)工程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、車間生產(chǎn)組織模式等因素規(guī)劃裝配流程，劃分裝配單元，每個裝配單元下面根據(jù)實際生產(chǎn)內(nèi)容可以創(chuàng)建不同的工序。工藝規(guī)劃過程可以在DPE環(huán)境下直接創(chuàng)建，也可以在DPM環(huán)境下根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，所有工藝規(guī)劃結(jié)果在DPE環(huán)境下進(jìn)行管理。

產(chǎn)品樹上的所有零件、標(biāo)準(zhǔn)件信息需要與相應(yīng)工序相關(guān)聯(lián)。同樣，其它的資源如工裝、工具等也需要與相應(yīng)的工序進(jìn)行關(guān)聯(lián)，這些信息在DPE環(huán)境進(jìn)行管理。這樣，工序中就可以呈現(xiàn)完整的配套內(nèi)容，包括零件配套、標(biāo)準(zhǔn)件配套、資源清單等信息。這些信息還可以在DPM下進(jìn)行完善。

4.2.3 資源庫建立

利用工裝、吊掛、吊車、零件架、運輸車等資源的三維模型，在Device Building模塊下對裝備、型架的運動機(jī)制進(jìn)行定義和編輯（也可以在電子樣機(jī)的運動機(jī)制模塊中定義），使其滿足裝配工作的需求，為模擬裝配準(zhǔn)備裝備資源。這些資源需要按類別建立各類資源庫，在DELMIA服務(wù)器下進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理。

圖4 PERT圖

4.2.4 工藝過程與人機(jī)工程仿真

工藝過程仿真需要將DPE環(huán)境下規(guī)劃的裝配項目在DPM環(huán)境下，按照裝配順序完成詳細(xì)的三維工藝過程設(shè)計即模擬裝配。模擬裝配結(jié)果需要通過裝配仿真，檢查裝配過程產(chǎn)品、資源是否發(fā)生干涉、工藝流程是否合理，中央翼裝配安裝仿真見圖2。

圖2 安裝仿真

在DPM環(huán)境下，還可以通過人機(jī)工程的仿真，檢查工人操作的舒適性、產(chǎn)品的開敞性、工具的可達(dá)性等。中央翼裝配人機(jī)工程仿真見圖3。

4.2.5 工藝過程優(yōu)化

依據(jù)仿真結(jié)果，工藝人員需要對仿真過程中存在的干涉、裝配流程不合理、開敞性差等問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。裝配順序可以通過PERT圖進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整。中央翼裝配PERT圖見4。同時，通過甘特圖可以對裝配單元的工作時間及節(jié)點進(jìn)行清晰表示，使工藝人員定量地掌握每項工作的工作量，從而優(yōu)化工藝過程，實現(xiàn)連續(xù)、節(jié)拍、均衡生產(chǎn)。

仿真結(jié)果作為裝配指令的一部分在DPE環(huán)境下進(jìn)行統(tǒng)一管理、發(fā)放，也可以作為視頻文件進(jìn)行輸出。

4.3 實施效果

通過裝配基于某型機(jī)中央翼數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真研究與驗證，初步探索出了DELMIA環(huán)境下數(shù)字化裝配工藝設(shè)計、仿真的模式和流程，建立起了三維裝配工藝設(shè)計及驗證系統(tǒng)。實現(xiàn)了：

（1）在數(shù)字化工藝設(shè)計環(huán)境下，進(jìn)行工藝過程規(guī)劃；

（2）在數(shù)字化工藝仿真模塊下，進(jìn)行工藝仿真、人機(jī)工效分析；

（3）在數(shù)字化工藝仿真模塊下，裝配過程的優(yōu)化。

5 結(jié)束語

本文通過對傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計和數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，介紹了在DELMIA環(huán)境下開展某型機(jī)中央翼數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真方法與思路。

通過實際驗證可以看出，利用DELMIA的數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真系統(tǒng)能夠直觀、定性、定量地分析每一個仿真細(xì)節(jié)，將以往大量需要在試制過程中驗證、優(yōu)化的內(nèi)容，提前在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行了驗證與優(yōu)化。達(dá)到了提前發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的目的，明顯提高了工藝設(shè)計質(zhì)量，有效提高了裝配效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制費用與風(fēng)險，合理綜合利用企業(yè)資源。

就目前來看，數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真在設(shè)計制造并行工作、工藝設(shè)計過程、工裝設(shè)計過程、檢驗程序制定、工藝文件發(fā)放與使用、生產(chǎn)組織模式的等多方面都與以往有很大不同，它的深入應(yīng)用與實施需要一整套的體系及規(guī)范來指引。需要眾多部門共同協(xié)作，打破以往飛機(jī)研制模式，更為廣泛與深入地進(jìn)行研究，制定一套合理可行制度與措施，從而真正意義上實現(xiàn)飛機(jī)的數(shù)字化制造。

[1]余鋒杰，王青，李江雄等.飛機(jī)自動化裝配過程數(shù)據(jù)集成與實現(xiàn).浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）.2009/2