商用航空發動機數字化裝配工藝設計系統

李冠華，閆 雪，葉代勇，蘇巧靈，殷 鍇

（中國航發上海商用航空發動機制造有限責任公司，上海200122）

0 引言

產品裝配是制造企業形成交付產品的重要環節，對產品質量和制造成本具有極其重要的影響，占用了企業大量的人力和物力。工藝設計是連接產品設計與產品制造的橋梁，是產品制造的關鍵環節[1]。其中，裝配工藝文件是指導零組件裝配過程和工人操作的技術指導性文件，是集件配套、技術安排、生產準備等工作的主要依據。因此，優秀的裝配工藝設計方案對于加速企業技術創新，提高產品的質量和可靠度，降低產品研發費用，縮短研發周期具有十分重要的意義。對航空航天產品來說，基于模型的數字化裝配設計是虛擬制造的核心技術之一，是實際裝配過程在計算機上的本質體現[2]，其與CAD 技術相結合，可以解決設計與裝配對象在研制過程中難以實現的動態性能仿真[3]。隨著計算機技術、網絡技術的發展，歐美航空航天領域各制造大國均已全面采用3 維數字化設計和制造技術[4]，波音公司的777 實現了整機的3 維虛擬裝配工藝設計與仿真[5]，應用基于模型的預裝配技術，使波音777 的制造成本降低了20%～40%[6]。

計算機輔助工藝設計（Computer Aided Process Planning，CAPP) 是近年來發展起來的1 門機械制造企業應用系統，世界上第1 個CAPP 系統由挪威NAKK 提出，稱為Autopros[7]，從根本上改變了依賴于個人經驗和人工編制工藝規程的落后狀況，促進了工藝過程的標準化和最優化，提高了工藝設計的質量[8]。20 世紀70 年代以來，世界各國均有開發，如日本日立制作所的HIMTCS 工藝設計、美國的Miplan 系統、國際機械制造研究會（CIRP)的CAPP 系統等[9]。中國于20 世紀80 年代初，開始計算機輔助工藝設計（CAPP)的應用研究，近30 年來，在理論實踐上均取得了重大成就，并于1995 年發布了JB/T7701-1995《計算機輔助工藝規程（CAPP)設計導則》[10]，標志著中國CAPP 研究開發進入成熟期。

基于現代工藝設計技術的發展現狀，本文結合商用航空發動機生產實際，提出了基于Team Center &Cortona 3D 集成的CAPP 系統，構建基于模型的數字化裝配工藝設計環境。該系統能夠有效提高商用航空發動機裝配工藝設計效率和質量，縮短產品研制周期。

1 裝配工藝技術現狀

中國的航空航天工業中，基于模型的定義（Model-based Definition，MBD) 技術已得到廣泛的應用[11]。中國某企業較早實現了數字化裝配工藝方面應用，基于工藝規劃與設計基礎平臺（Teamcenter Manufacturing，TCM) 實現工藝結構化，將工藝（Process)、工廠（Plant)、產品（Product)、資源（Resource)統一關聯管理[12]，已經初步實現了零件裝配、部件裝配、組件裝配以及整個發動機的裝配工藝設計的數字化和虛擬仿真驗證，輸出各級裝配的工藝指導文件。實現了工藝過程相關的業務管理，能接收設計產品數據管理系統（Product Data Management，PDM)的工程物料清單（Engineering Bill of Material，EBOM)和相關設計數據，保證工藝版本與研發過程中設計數據版本相匹配。然而，這與理想中三位一體、3 維可視化、系統全面集成、操作便捷、全面滿足未來裝配制造要求的設計系統仍存在較大的差距，具體表現在以下幾個方面：

（1）工藝設計任務通過Excel 進行表單管理，管理效率低下，不直觀。

（2）工藝分工以及工序、工步內容設計過程中沒有有效地與產品3 維模型相結合，未形成連貫的基于模型的裝配工藝設計業務流程。

（3）工藝知識庫和工藝資源庫未進行合理的建設，不便于工藝知識重用。

（4）工藝與工裝設計、手動工具、設備、輔耗材等工藝設計資源未形成有效協同。

（5）沒有生產現場工藝問題記錄與反饋機制。

（6）工藝設計工具未與產品數據進行有效集成，無法充分復用前期工藝規劃與設計成果，造成重復設計。

2 系統構建整體方案框架

全球權威產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM) 研究機構CIMdata 認為，PLM 是應用一系列業務解決方案，支持在企業內和企業間協同創建、管理、傳播和應用貫穿整個產品生命周期的產品定義信息，并集成人、流程、業務系統和產品信息的1 種戰略業務方法[13]。根據CIMdata 對PLM 應用成熟度的定義，自下至上分為初始級、規范級、精細級、優化級、智能級5 個等級，如圖1 所示。目前，中國已初步構建起工藝規劃與設計基礎平臺（Teamcenter Manufaturing，TCM)、裝配工藝仿真系統（Tecnomatix)以及3 維裝配工藝手冊設計工具（Cortona 3D，C3D)3個維度的數字化裝配工藝系統應用環境。目前實現了工藝設計資源的結構化及實時共享，為了更好地解決行業問題，滿足自身業務需求，在數據規范、流程規范上開展了數字化裝配工藝設計系統的技術研究。

圖1 數字化裝配設計系統應用成熟度

對于整體的解決方案框架最終落地有3 個層面，如圖2 所示。第1 維度是系統質量，包括系統功能、系統架構的擴展和系統的開放性；第2 維度是實施方案質量，通過圍繞方案的可執行性，有效、方便和規范標準化，結合行業的先進經驗以及自身的流程體系進行實施方案的構建；第3 維度是基于系統質量和實施方案質量，最終實現基于模型的裝配工藝設計的流程體系的構建，支持數字化裝配工藝設計的體系和工程的交付能力、產品制造能力的提升。

建設基于統一架構的數據化工藝設計平臺，按照業務的需求實現系統功能，支持業務模型定義、屬性定義、編碼規則、分類、電子化流程等功能性要求擴展，從業務實施方案維度來說，所有系統功能的實現是為了滿足業務導向實施方案的實現，基于模型的裝配工藝設計關鍵業務方案主要包括裝配工藝方案設計與評審、工藝物料清單（Process Bill of Material，PBOM)結構與管理、工藝資源庫管理、基于模型的裝配工藝規劃、基于3 維環境下的裝配工藝詳細設計、工裝協同設計管理、工藝仿真管理、工藝數據發布管理、工藝變更管理以及工藝臺賬管理等關鍵業務。

3 關鍵業務流程

通過根據業務問題點的梳理將裝配工藝設計業務流程分為6 個階段：裝配工藝設計準備、裝配工藝規劃、工藝詳細設計及工裝設計、工藝仿真驗證、工藝數據發布、裝配工藝更改，如圖3 所示。對這6個階段與系統相關的關鍵業務場景進行描述，以指導技術人員在今后的工作中如何運用系統。

（1）裝配工藝設計準備階段。接收研發端的產品設計數據，并創建下發單進行產品研發數據的下發；創建型號項目工藝知識庫結構，用于后續開展工藝設計、工裝設計的數據統一管控；工藝資源的構建和維護，對已由工藝資源結構的創建和工藝資源的導入、工藝資源的廢棄等業務過程管理。

（2）裝配工藝規化階段。進行PBOM 上層結構的創建以及與EBOM 的關聯，指派EBOM 的零件數據；基于PBOM 的裝配主單元進行工藝任務的可視化派工，PBOM 詳細設計以及工藝任務進度狀態的管控；進行裝配工藝工藝清單（Bill of Process，BOP)的上層框架構建以及其他工藝文檔文件的創建。

（3）工藝詳細設計及工裝設計階段。進行裝配工藝BOP 的詳細設計，包含工藝、工序、工步的創建、PBOM 與BOP 的制造目標關聯以及BOP 中的零件消耗和工藝資源庫的調用和指派；工裝的申請、工裝派工、工裝的詳細設計以及BOP 和工裝數據的預發布。

（4）工藝仿真驗證階段。根據裝配工藝方案業務要求進行工藝工裝的仿真分析；基于工藝仿真任務模型（仿真內容、數據、檢查項)驅動裝配工藝仿真分析。

（5）工藝數據發布階段。對裝配工藝階段產生的業務數據進行發布和歸檔管理，以達到數據的發布共享。

（6）工藝更改階段。進行裝配工藝階段各業務數據的變更管理和各業務數據的臺賬創建維護及管理。下文將對裝配工藝規劃、工藝仿真驗證、工藝詳細設計及工裝設計3 個主要業務場景進行介紹。

3.1 裝配工藝規劃階段

裝配工藝規劃階段的主要任務是完成EBOM 到PBOM 之間的數據交換。EBOM 是由設計部門提供的產品設計數據，包括產品名稱、產品結構、明細表、匯總表、產品使用說明書及裝箱清單等信息[14]，在其編寫過程中往往只考慮到產品的功能和設計需求，無法兼顧制造部門的產品制造過程和企業制造能力，需要處理后才能被生產制造部門所使用。

PBOM 為工藝設計部門以EBOM 中的數據為依據，將EBOM 按照功能/系統進行分解后，重新按照裝配制造順序/ 區域進行構件的物料清單（Bill of Material，BOM)數據，其中除了基本的BOM 信息之外還包含工藝計劃、工序信息等生產所需數據[15]。EBOM與PBOM 的轉化關系如圖4 所示。

圖4 EBOM 與PBOM 的轉化關系

通過定制化在系統中創建PBOM 頂層節點，依據裝配工藝方案，按照實際裝配過程重構EBOM，構建PBOM 中第1 級裝配單元。在本裝配工藝設計系統中，用戶可以直觀地通過3 維模型進行PBOM 結構的構件，并使用責信度檢查確保相同零件在EBOM和PBOM 中的消耗數量一致，解決了過去裝配工藝規劃過程中表現形式不夠直觀的問題。

3.2 工藝詳細設計及工裝設計階段

通過繼承PBOM 可以進行可視化裝配工藝分工，在進行分工的同時可查看相關產品的數據、模型信息。分派任務的同時可通過資源負載查看工藝工程師當前時間段的任務負荷情況。任務下發之后會在工藝分工任務窗口中按照任務執行的狀態情況，通過“紅綠燈”的形式反饋任務的完成進度，使整體工作進度更加直觀地表現出來，實現了工藝設計任務與產品研制任務的相匹配。

裝配工藝對象可以細化以裝配操作最小單元，通過將裝配資源有機結合的方式，將產品數據、裝配工藝設計內容、裝配通用要求、裝配工裝設備以及裝配單元進行有機結合，實現工藝設計的“三位一體”，從而完成BOP 的設計，同時在設計過程中對裝配資源可以進行可視化調用和典型工藝BOP 調用，將產品模型、工裝模型、工具模型以及裝配單元進行比對，實現快速裝配路線設計的搭建和可行性分析。

采用定制化工藝資源庫和知識庫管理：工藝資源指工藝設計過程中所有與制造工藝相關的各類對象，常見的制造資源如標準件、通用工具、專用工裝、量具、檢具、設備、原材料、輔料等。通過對典型裝配工藝進行歸納總結，梳理出具有典型裝配工藝、工序、通用要求以及裝配測量項，以此作為工藝模板，形成工藝知識庫。在進行工藝設計時，工藝人員可參考或者直接調用典型工藝生成新的工藝，提升工藝設計效率與質量水平。

在完成BOP 設計后，將結構化的工藝信息傳遞至3 維裝配工藝設計環境中。以BOP 為對象將工藝中工序結構化信息與產品、設備、工裝、工具等對象的3 維模型建立關聯并將信息轉化為基于Web 的html文本和3D 工藝文件包，如圖5 所示。

圖5 基于TCM 與C3D 集成的裝配工藝設計思路

通過XML 中間件調用方式，使得3 維裝配工藝設計環境可以訪問3 維輕量化模型與裝配工藝詳細設計數據，進而生成結合2 維、3 維圖形與結構化文本的裝配工藝文件。包含輕量化的3 維模型數據與在工藝編制窗口中編寫的工藝文本，根據文本中的模型引用信息，在文本與3 維模型之間自動建立關聯。工藝設計人員進行3 維裝配動作指令操作（Action）設計，可以復用裝配標準動作集，同時設計環境支撐現有模型數據生成2 維技術插圖與BOM 信息，以滿足多樣的工藝文件發布需求。設計環境支持零部件圖解目錄技術文檔設計，支持HTML、PDF、XML 等發布格式，同時支持ATA2200、S1000D、DITA 等適航技術出版物的標準。

3 維工藝數據由PLM 平臺進行統一管理并完成最終發布。通過采用3 維工藝設計環境實現了工藝設計與設計資源對象的交互協同、3 維工藝設計環境下的裝配工藝設計以及3 維裝配工藝文件的管理，過程中設計數據資源的高效協同、數據共享與利用，同時生成的裝配工藝文件可以直接作為裝配現場的工藝數據供制造執行系統進行調用。

3.3 工藝仿真驗證階段

裝配工藝設計為按照自頂向下的順序搭建BOP，因此需要按照自底向上的順序逐層進行仿真檢查。在裝配工藝設計過程中，需要在搭建完工序還未加入工裝與完全搭建完成這2 個階段進行工藝規程預發布并輸入仿真軟件進行仿真干涉檢查，如若出現問題，搭建者重新搭建并再次檢查，直到沒有問題發布最終的工藝裝配順序，如圖6 所示。

圖6 工藝仿真驗證

在進行仿真驗證之前，首先填寫評審任務計劃，通過驗證項庫逐一添加驗證項對象，并將BOP 與評審任務關聯；之后輸入到工藝過程仿真環境中，結合具體裝配工步要求，確定零部件安裝順序，創建零部件的安裝路徑進行仿真分析。如無法通過仿真檢查，則由工藝編制人員重新調整BOP 結構、工藝資源或者裝配順序并再次進行仿真驗證直至驗證通過。

4 結束語

針對商用航空發動機裝配工藝設計工具應用問題，本文采用MBD 技術提出了基于TCM&C3D 集成方式設計思路，解決了工藝設計未建立有效的裝配工藝設計任務管理機制、工藝設計未形成連貫的基于模型的裝配工藝設計業務流程、工藝設計不便于工藝知識重用、工藝與工裝設計、手動工具、設備、輔耗材等工藝設計資源未形成有效協同，工藝設計沒有生產現場工藝問題記錄與反饋機制以及工藝設計工具未與產品數據進行有效集成等問題，將裝配過程的仿真如裝配單元仿真、裝配工藝過程仿真、可維護性仿真融入到工藝設計過程中，并在商用航空發動機產品核心機裝配工藝設計上進行了應用。通過系統定制化為改進商用航空發動機產品裝配制造過程提供了1 個全新的方法和手段，進行裝配工藝數字化、產品可裝配性分析、裝配工藝優化、裝配質量控制、裝配工裝驗證，達到提高產品質量，縮短產品生產周期的目的。