沈清方，艾 奇

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

傳統(tǒng)的飛機制造裝配協(xié)調(diào)工藝技術(shù)采用的是基于模擬量傳遞方式為主的模線-樣板-標準工裝 （模板、樣件、量規(guī)等）工作方法[1]。其裝配協(xié)調(diào)的工藝技術(shù)方法復雜，難度大；另外，在傳統(tǒng)的飛機研制過程中，工藝生產(chǎn)準備、裝配工藝設(shè)計等，都是依靠人工經(jīng)驗和手工的方法進行的，包括利用模線、樣板、標準工裝進行協(xié)調(diào)，利用人工方法依據(jù)二維紙質(zhì)文件/圖樣進行工藝過程的設(shè)計/編制，所有產(chǎn)品設(shè)計結(jié)構(gòu)上的協(xié)調(diào)都是依靠模線進行的，產(chǎn)品、工裝在制造過程中都是靠樣板進行協(xié)調(diào)的等。工藝方法協(xié)調(diào)性、可靠性均較差，環(huán)節(jié)特別多，效率低，周期長，質(zhì)量難以保證穩(wěn)定。而自20世紀80年代以來，計算機輔助設(shè)計/制造 （CAD/CAM）技術(shù)、計算機信息技術(shù)、自動化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等迅速發(fā)展并成熟了起來，也使飛機產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)隨之迅速發(fā)展并成熟起來。以美國為首的西方發(fā)達國家首先開始研究和采用這一新技術(shù)，并盡快把它應用到了航空航天制造業(yè)中。這項技術(shù)以全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程、虛擬制造技術(shù)、整體結(jié)構(gòu)件NC加工技術(shù)、復合材料成形技術(shù)、激光定位跟蹤技術(shù)和各種自動化定位技術(shù)為主要標志，從根本上改變了飛機傳統(tǒng)的設(shè)計與制造方式，大幅度地提高了飛機設(shè)計制造技術(shù)水平。因此如果我國航空制造業(yè)要在當前國際航空制造業(yè)的激烈競爭環(huán)境中立足，那么采用數(shù)字化飛機裝配制造技術(shù)是當前我國航空制造業(yè)發(fā)展的必由之路。

1 基于MBD技術(shù)的飛機數(shù)字化協(xié)同制造

1.1 MBD技術(shù)概述

隨著CAD技術(shù)在90年代末加入了三維標注的功能以及ASME開展了系列數(shù)字化定義標準的研究，并使用三維設(shè)計系統(tǒng)在三維數(shù)據(jù)集中定義所有的產(chǎn)品信息，一個全新的產(chǎn)品圖樣概念： “MBD”誕生了，它完全替代了二維工程圖紙的作用，MBD用集成的三維實體模型來完整表達產(chǎn)品定義信息，詳細規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品定義、公差的標注規(guī)則和工藝信息的表達方法，三維實體模型成為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù),改變了傳統(tǒng)以工程圖紙為主而以三維實體模型為輔的制造方法。

1.2 基于MBD技術(shù)的飛機數(shù)字化并行設(shè)計

由于采用了MBD模型進行產(chǎn)品的定義并向后續(xù)的制造裝配環(huán)節(jié)傳遞，因此，在全三維的模式下進行裝配工藝的設(shè)計將與傳統(tǒng)的二維模式產(chǎn)生很大的不同，使得設(shè)計、工藝和工裝部門可以并行工作，而這需要依托一個協(xié)同平臺，飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的理論基礎(chǔ)就是并行協(xié)同研制模式，所以在飛機數(shù)字化裝配技術(shù)中必須要有一個協(xié)同平臺，讓整個裝配業(yè)務(wù)流程中所有相關(guān)的人員/信息/系統(tǒng)通過它關(guān)聯(lián)起來，從而提高產(chǎn)品的裝配工作效率；飛機數(shù)字化裝配技術(shù)中的三維設(shè)計系統(tǒng)是伴隨著CAD技術(shù)、CAM和數(shù)字化測量集成技術(shù)的發(fā)展得到逐步完善。因此，通過三維設(shè)計系統(tǒng)，我們可以定義出飛機產(chǎn)品的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集，它是由設(shè)計、工藝、工裝和檢測人員的協(xié)同定義而生成的，包括從設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、工裝數(shù)據(jù)到生產(chǎn)檢驗的各級數(shù)字樣機，并使其成為后續(xù)進行裝配安裝、檢驗工作和建立單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)，以及開展協(xié)同工作的對象。所有工作圍繞設(shè)計系統(tǒng) （VPM）與工藝/裝系統(tǒng)（DELMIA）的協(xié)同與更改來實現(xiàn)，基于MBD的設(shè)計（VPM）和工藝/裝 （DELMIA）系統(tǒng)的協(xié)同工作機制（見圖1）。在這一平臺上通過采用專用軟件工具輔助工藝員、工裝設(shè)計員進行工藝和工裝的設(shè)計，確定關(guān)鍵特性和協(xié)調(diào)方案，制定裝配流程、裝配方法，及各裝配環(huán)節(jié)所需要的制造資源 （見圖2），本文重點介紹在這一平臺上采用法國達索公司數(shù)字化制造軟件DELMIA進行裝配工藝設(shè)計的方法。

圖1 設(shè)計（VPM）和工藝/裝（DELMIA）系統(tǒng)協(xié)同工作機制

圖2 設(shè)計（VPM）和工藝/裝（DELMIA）系統(tǒng)協(xié)同工作流程

2 基于DELMIA的飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計

某型號飛機產(chǎn)品設(shè)計采用全數(shù)字化產(chǎn)品定義，產(chǎn)品設(shè)計只輸出基于MBD的三維數(shù)模，與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計輸二維圖樣和技術(shù)條件的工藝設(shè)計完全不同，工藝設(shè)計部門針對該型號工藝設(shè)計工作總結(jié)出了一套新的工作方法，該方法主要依托DELMIA軟件中的的DPE(Delmia process engineer)和DPM(Delmia process manufactury)模塊來實現(xiàn)，以下簡單介紹該方法在該型機工藝設(shè)計工作中的應用。

2.1 基于DPE的三維裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃就是通過分析飛機的結(jié)構(gòu)和特點來確定裝配方案。設(shè)計部門的數(shù)字樣機為工藝部門提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在三維環(huán)境下，產(chǎn)品的外形和實體模型都呈現(xiàn)在工藝人員面前，工藝人員可以直觀地測量和分析，確定工藝分離面、指令性裝配順序圖、主要零組件裝配基準及定位方法、主要協(xié)調(diào)部位及方法、裝配工位、部件的裝配順序和部件對合方案，并在上述工作進行的同時開展相應的工裝的設(shè)計和制造工作[2]。具體工作分為工藝模板定制和詳細工藝規(guī)劃兩個方面。

2.1.1 使用DPE進行工藝模板定制

飛機裝配工藝模板的定制首先要建立典型裝配工藝流程的Process Library，在DPE模塊文件菜單的Library工具條下，建立某機型工藝流程模板；同時在Process Plan types下建立典型工藝流程模板樹，并設(shè)定其相對關(guān)系及屬性，在Resources Plan types下建立典型資源樹模板，并設(shè)定其相對關(guān)系及屬性，在Product Plan types下建立設(shè)計視圖，實際應用時直接導入產(chǎn)品EBOM（見圖3）

圖3 DPE中某機型工藝流程模板

2.1.2 使用DPE進行詳細工藝規(guī)劃

飛機裝配的詳細工藝規(guī)劃首先需要應用建立好的典型裝配工藝流程庫，在DPE中建立新的工程項目，并建立PPR構(gòu)架；然后導入產(chǎn)品數(shù)據(jù)：在product結(jié)構(gòu)樹中建立產(chǎn)品EBOM，將產(chǎn)品三維數(shù)模鏈接到結(jié)構(gòu)樹下；再按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，劃分出工藝分離面，在process結(jié)構(gòu)樹中建立產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)樹；然后將產(chǎn)品數(shù)據(jù)指派到相應的工藝節(jié)點下，并在各節(jié)點下注明主要零/組件的裝配方法、定位基準、完工狀態(tài)等信息 （產(chǎn)品數(shù)據(jù)指派完成后，運行相關(guān)腳本程序，軟件可按照各工藝分離面包含零/組件情況在product view下生成產(chǎn)品PBOM）。最后根據(jù)建立好的產(chǎn)品工藝樹搭建產(chǎn)品資源樹 （搭建的工藝結(jié)構(gòu)樹如下圖4）。

圖4 DPE中某機型工藝結(jié)構(gòu)樹

2.2 基于DPM的飛機數(shù)字化裝配詳細設(shè)計與仿真

2.2.1 基于DPM的詳細工藝設(shè)計

DPM數(shù)字化裝配仿真在該型號工藝設(shè)計工作中的實現(xiàn)首先需要建立典型工藝流程庫；其次新建Process文件，搭建PPR構(gòu)架，導入產(chǎn)品數(shù)據(jù)與資源數(shù)據(jù)；然后在DPM中調(diào)用制作好的工藝流程庫，搭建產(chǎn)品工藝流程樹，參照現(xiàn)有AO指令建立AO級子項目，將所有部件的參裝零件指派到相應AO中；然后再制作零件運動過程仿真和人機過程仿真，最后在PERT圖中調(diào)整AO順序，形成完整的裝配過程仿真（見圖5，圖6）。

圖5 DPM環(huán)境下某機型裝配仿真設(shè)計

圖6 某機型裝配工藝仿真PERT圖

上述所有工作完成后，主管工藝人員則可發(fā)出部件裝配協(xié)調(diào)方案，標工協(xié)調(diào)圖表、工裝品種表、成套件圖表等指令性文件，并進行標準工裝訂貨；車間工藝員可根據(jù)相關(guān)信息初步提出工裝訂貨，并著手在CAPP（計算機輔助工藝設(shè)計系統(tǒng)）中進行詳細工藝設(shè)計，進行生產(chǎn)面積測算和工藝布局方案初步設(shè)計，實現(xiàn)并行工作，值得一提的是車間級工藝人員現(xiàn)在可以使用在CAPP中結(jié)合3DVIA-Composer軟件協(xié)助工藝文檔編制，3DVIA-Composer是一款完整制作產(chǎn)品說明文檔的軟件，可以使用它在產(chǎn)品設(shè)計的同時制作大量的3D描述文檔 （如3D插圖等），使以往二維平面AO指令顯性化、直觀化，便于現(xiàn)場操作人員理解執(zhí)行。而在工裝設(shè)計方面，工裝設(shè)計可進行初步方案設(shè)計 （確定型架形式、產(chǎn)品定位方法等），利用三維可視化的環(huán)境對工藝分離面下的零、部件進行裝配順序仿真，就可以完成工裝的初步及詳細設(shè)計，大致過程為：首先利用之前的工藝分離面下產(chǎn)品數(shù)模及工藝信息的描述，確定工裝的框架大小及框架形式，其次利用裝配順序仿真，確定工裝的總體設(shè)計方案，如：主 （重）要零、組件的定位方式，產(chǎn)品出架方式等。最終對零件裝配順序逐一進行仿真播放，確定工裝的詳細設(shè)計方案，如：全部零、組件的定位器形式、定位方法、使用方法等，應用DPM模塊的裝配仿真功能進行裝配工裝設(shè)計，直觀、真實的反映了零件的裝配順序和零件與工裝的相對關(guān)系，大大降低了對工裝設(shè)計員的經(jīng)驗和空間想象力的要求，極大提高了工裝設(shè)計的效率、正確性和合理性，同時為實現(xiàn)并行產(chǎn)品工藝設(shè)計提供了強有力的工具。

2.2.2 裝配仿真與工藝優(yōu)化

裝配仿真與工藝優(yōu)化工作的方法見圖7。首先在AO下建立工序，編寫工序內(nèi)容。

其次在工裝設(shè)計結(jié)束后，將廠房、工裝、工具、工人等資源模型數(shù)據(jù)導入DPE中（通用工裝、工具等可在資源庫中調(diào)用），結(jié)合產(chǎn)品一起，制作組件、段件、部件的裝配路徑。然后按工序進行零件運動路徑仿真及優(yōu)化。以上工作完成后，在DPM中進行產(chǎn)品裝配過程演示，檢查產(chǎn)品裝配順序合理性，檢查運動過程干涉情況，根據(jù)演示中出現(xiàn)的問題調(diào)整AO順序，從而優(yōu)化工藝設(shè)計。

圖7 DPM環(huán)境下某機型裝配仿真與工藝優(yōu)化

3 飛機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計的實施意義

在該機型研制工作中,對基于MBD應用DELMIA軟件進行了數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與仿真工作，解決了以往產(chǎn)品研制工藝準備中使用傳統(tǒng)工藝方法出現(xiàn)的一些問題。通過三維展示使裝配工藝設(shè)計工作顯性化，而通過裝配仿真驗證可預先發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品、工藝設(shè)計、工裝設(shè)計不合理以及通路驗證、工藝布局等方面的問題，根據(jù)模擬、分析和裝配工效評估的結(jié)果可對工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線布局等進行修改和優(yōu)化，確保了產(chǎn)品工藝設(shè)計和工藝資源配備的合理性，并為工藝設(shè)計無紙化及設(shè)計、工藝、生產(chǎn)并行工作奠定基礎(chǔ)，提高了工藝設(shè)計、零組件及工裝制造的準確性、協(xié)調(diào)性和可靠性，從而提高了型號試驗件的裝配質(zhì)量和效率。與以往的型號研制相比，在該機型試驗件生產(chǎn)制造中，裝配工裝設(shè)計或制造協(xié)調(diào)問題比以往減少了90%以上，部裝中的零組件裝配協(xié)調(diào)問題也減少了90%以上，極大地縮短了設(shè)計變更、工藝規(guī)劃和工藝準備時間，有效降低了操作人員工作難度、生產(chǎn)成本，提高了工作效率。

4 結(jié)語

飛機的裝配是一項技術(shù)難度大、復雜程度高、涉及學科領(lǐng)域多、協(xié)作關(guān)系復雜的綜合性高技術(shù)，由于飛機產(chǎn)品要求高可靠性，且使用周期長、對裝配質(zhì)量要求十分嚴格，因此，只有將現(xiàn)代化飛機裝配數(shù)字化技術(shù)應用于飛機制造業(yè)中，才能滿足其發(fā)展要求。

[1]范玉清.現(xiàn)代飛機制造技術(shù).北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2]航空制造工程手冊總編委會.航空制造工程手冊（第2版，飛機裝配）.北京:航空工業(yè)出版社,2001.