面向飛機制造的協同工藝設計

汪建東，沈清方

（中航工業洪都，江西南昌330024）

工藝設計工作貫穿于整個飛機制造流程當中，是生產技術準備工作的第一步，所策劃的工藝總方案、工藝路線規劃和工藝規程是指導工裝制造和零件裝配的主要依據，它們對組織生產、保證產品質量、提高生產率、降低成本、縮短生產周期及改善勞動條件等都有直接影響，因此，工藝設計是整個生產流程中的關鍵性工作。面向飛機制造的協同工藝設計，圍繞著飛機制造過程中與工藝設計相關的所有數據和過程進行協同工藝設計,將產品數據、設計活動、相關人員和應用工具統一組織和管理起來。

1 數字化產品設計

國內飛機數字化設計制造技術已取得了長足進步，設計部門建立全機數字樣機（DMU）的工作已經取得實質性的成果，并實現了以飛機全機數字樣機為基礎，以工藝流程為主導，通過協同工作平臺采用基于數字化產品定義（DPD）及基于數字量傳遞的數字化協調方法，采用計算機輔助工藝設計系統，實現產品制造的工藝決策、部件裝配和質量檢驗的模擬過程。采取并行協同工作方式，抽調工藝代表參與聯合設計，舉辦設計-工藝雙向技術交流活動、設計部門向制造廠開放部分PDM功能等，采用基于MBD的數字化工藝設計方式，建立三維數字化工藝設計，在虛擬工廠環境下協進行產品設計、工藝設計、工裝設計和裝配過程仿真。

2 工藝設計過程

2.1 工藝設計過程特征

工藝設計過程就是工藝人員從接受工藝設計任務到完成全部的工藝設計工作所需要的一個過程，具有漸進性、并發性和層次性三個基本特征。工藝設計過程的漸進性使得在實際工藝設計過程中,不能單獨地進行一個設計活動,而要同時考慮其他的設計要求,這就突出了在設計過程中與其他部門的協作與交流的重要性;工藝設計過程的并發性需要工藝人員在設計過程中要全面均衡地考慮各種因素,這使得工藝設計過程中各項活動間都有著復雜的關聯關系;而工藝設計過程的層次性則要求工藝設計需要經歷一個由粗到精,逐步明晰的過程,在這個過程中要求工藝人員和其他相關人員都要對設計出來的工藝及時地反饋信息和同步修改設計不合理的地方。工藝設計過程中還包含許多工藝子流程,這些工藝子流程在信息和時間上存在緊密的相互交錯與嵌套,各個工藝子流程間存在著嵌套和相互等待。為了減少流程中的等待,須將傳統的串行工藝設計流程改為并行工藝設計流程。

2.2 工藝設計過程

飛機零件是構成飛機機體骨架和氣動外形的重要組成部分,品種繁多,形狀復雜,材料各異,結構件上往往具有各種復雜型腔,制造工藝難度大,制造水平要求高。對于飛機制造工藝設計任務,主管總工藝師首先組織擬定工藝方案,確定粗工藝流程,結合本企業工藝設計能力和制造能力,分解工藝設計任務,然后將各任務目標及約束信息發布各分廠工藝室。發布到各分廠工藝室工藝員手中的任務,工藝員可利用本工藝室的所有制造資源進行工藝的設計,在設計過程中,隨時可向本工藝室各工藝員進行交互,實現工藝設計知識和制造資源的共享。在飛機工藝編制過程中,雖然協同設計者分處不同部門,不同地域,但由于同在一個企業的協同工藝設計平臺上工作,他們的設計結果可以隨時相互閱覽,對其訪問、編輯等。典型工藝設計過程如圖1所示。

圖1 典型工藝設計過程

3 面向飛機制造的協同工藝設計

3.1 協調工藝設計

在協同平臺上設計部門的全機數字樣機按基線（成熟度）發放到企業的數據平臺PDM后，工藝部門從PDM將產品的EBOM調入三維數字化裝配工藝設計和裝配過程仿真系統，就可開始做概念性工藝設計，在設計的同時完成工藝性評審和工裝訂貨，此時工裝部門開始做概念性工裝設計。設計、工藝、工裝三部門都在并行完成各自的工作，待工裝設計和工藝設計完成后就可進行三維數字化虛擬裝配，在虛擬裝配中發現的產品設計、工裝設計的問題通過協同平臺及時反饋到設計部門和工裝部門，發現的工藝設計問題則及時糾正。在進行三維數字化虛擬裝配的時候，新一輪的產品三維數模又發出，對應新的一輪工藝設計和工裝設計又開始了。就這樣反復，直到產品設計凍結發圖。典型并行工藝設計流程如圖2所示，從中可以看到與傳統的串行模式不同，產品設計、工裝設計和工藝設計都是并行作業。

圖2 典型并行工藝設計流程

3.2 設計制造一體化

由于工藝設計和工裝設計工作的提前進行，產品的研制周期大大縮短。真正實現了為制造而設計（Design for Manufacturing，DFM）或設計制造一體化的最佳運作方式。由于在定制工裝、購買設備工具和開始實際生產之前，就已經分辨和解決了大部分潛在的設計、工藝變更，因此為變更所產生的花費大幅度的降低。參與并行工作的還有裝配（制造）過程，只不過在這里把真實的裝配過程變成虛擬的裝配過程。企業除投入人力外幾乎沒有制造實物的費用，卻能把真實的裝配過程的問題差不多都暴露出來，在虛擬的環境里優化整個制造流程，最后在PDM中形成MBOM，并發送到車間制造執行系統MES。

3.3 數字化裝配工藝設計

在數字化協同工作平臺的支持下，根據數字樣機在三維數字化環境下進行全機工藝分離面的劃分，并結合EBOM確定各工藝裝配部件、段件需要裝配的零、組件項目，構建工藝大部件模型。在工藝分離面劃分的基礎上，對每個工藝大部件進行初步裝配流程設計，劃分裝配工位，確定在每個工位上裝配的零組件項目，在三維數字化設計環境下構建各裝配工位組件裝配的工藝模型。確定裝配工藝基準和裝配定位方法，并制定出全機各工位之間的裝配流程圖。將產品三維數模的數據EBOM按工藝分工導入三維數字化裝配工藝設計環境中，構建產品裝配結構樹PBOM，并且把每個零件的三維數模與結構樹相關聯。在工位劃分的基礎上，依據段件裝配工藝模型在三維數字化環境下進一步進行各工位內的裝配過程設計，確定每個工位內的段件裝配工藝模型零組件的裝配順序，并定義裝配過程對應的AO號。

4 結語

工藝設計工作不僅涉及企業的生產類型、產品結構、工藝裝備、生產技術水平等，而且還要受到工藝人員實際經驗和生產管理體制的制約，其中的任何一個因素發生變化，都可能導致工藝方案的變化。工藝設計工作具有多層次性及多階段性、工程更改頻繁、涉及工藝專業種類繁多、工藝流程復雜等特點，并且有獨特的工藝過程控制管理體系，圍繞產品BOM進行數據組織和管理，覆蓋工藝分工、工藝計劃、材料消耗定額編制、工藝規程編制、工藝資源管理、工藝知識管理、工時定額管理、工藝審批流程管理、工藝文件查詢、瀏覽、打印發布、工裝設計與管理等業務流程，實現工藝設計的緊密協同工作，提高工藝設計的效率和質量。

[1]范玉青.現代飛機制造技術.北京:北京航空航天大學出版社,2001.

[2]許旭東,等.飛機數字化裝配技術.航空制造技術,2008.1.

[3]郭佳鵬,許建新.面向飛機制造的協同工藝設計研究，現代制造工程，2008.5.