中 航 工 業(yè) 沈 陽(yáng) 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 設(shè) 計(jì) 研 究 所 呂玉紅 吳法勇 王 彤

中航工業(yè)沈飛民用飛機(jī)設(shè)計(jì)有限公司工程研發(fā)中心 杜洪雨

航空工業(yè)尤其是軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)整個(gè)國(guó)家科技的發(fā)展、對(duì)整個(gè)工業(yè)基礎(chǔ)、國(guó)防力量、國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科技實(shí)力的提升乃至國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)力的帶動(dòng)都有著重要作用，它的發(fā)展也始終和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相輔相成、互相促進(jìn)。發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)過程是一項(xiàng)涉及學(xué)科非常多，環(huán)節(jié)非常繁瑣的系統(tǒng)工程，需要根據(jù)試車性能和綜合表現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，工藝改進(jìn)，故障排除改進(jìn)來調(diào)整實(shí)物狀態(tài)，同時(shí)，結(jié)構(gòu)件的串換、修改補(bǔ)加工等也幾乎發(fā)生在所有臺(tái)次的發(fā)動(dòng)機(jī)中，如何在研發(fā)批次發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中進(jìn)行裝配工藝與裝配過程管理協(xié)同設(shè)計(jì)，通過數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)靈活的工藝設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確的實(shí)物狀態(tài)管理，是整機(jī)研發(fā)過程中的基礎(chǔ)需求，也是為綜合評(píng)價(jià)整機(jī)質(zhì)量，評(píng)估結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施，優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)保障的重要任務(wù)之一。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配執(zhí)行管理作為最終裝配的兩個(gè)階段，采用的數(shù)字化手段一直在各自獨(dú)立發(fā)展。裝配工藝設(shè)計(jì)方面，CAPP輔助工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)、公差預(yù)測(cè)與分析軟件Em-TolMate、交互式電子技術(shù)手冊(cè)IETM、PTCArbortext、達(dá)索 Dassult 3DVIA-composer等都被廣泛應(yīng)用于裝配工藝設(shè)計(jì)。例如，CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)裝配維修手冊(cè)采用ATA100標(biāo)準(zhǔn)編寫3級(jí)交互式電子手冊(cè)（如圖1所示），是CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)全生命技術(shù)支持的重要組成部分，全面指導(dǎo)大修過程。而制造執(zhí)行系統(tǒng)MES（Manufacturing Execution System ）自1990年11月由美國(guó)先進(jìn)制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）提出以來，尤其是在2004年MESA 提出MES體系結(jié)構(gòu)后，更是逐步被越來越多的國(guó)內(nèi)外企業(yè)所應(yīng)用，逐漸發(fā)展出ERP、 MES、 CIMS、SCM等不同平臺(tái)，為企業(yè)提供包含制造數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃編排、生產(chǎn)調(diào)度、庫(kù)存、質(zhì)量、采購(gòu)、人力、工裝工具、成本以及生產(chǎn)過程等各個(gè)方面的制造協(xié)同管理平臺(tái)。這些成熟數(shù)字化手段的廣泛應(yīng)用對(duì)于制造企業(yè)的成本控制和質(zhì)量控制等起到重要作用。

圖1 CFM56電子手冊(cè)頁(yè)面導(dǎo)航Fig.1 Manuals of CFM56

與常規(guī)制造企業(yè)相比，目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段的數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配過程管理仍停留在原始階段。裝配工藝設(shè)計(jì)依靠teamcenter 設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行流程簽署控制，但工藝方案設(shè)計(jì)本身仍然停留在word文檔編制，以及UG和CAD畫圖的階段，裝配過程執(zhí)行和管理更是主要停留在紙質(zhì)工藝單執(zhí)行控制的階段，雖然目前初步探索建立裝配過程管理系統(tǒng)APMS進(jìn)行過程管理，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于其他行業(yè)的發(fā)展水平，存在應(yīng)用深度不多、范圍窄以及“信息孤島”等實(shí)際問題[1]，而協(xié)同設(shè)計(jì)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝和裝配過程管理中更是剛剛處于理念階段。

協(xié)同設(shè)計(jì)在飛機(jī)行業(yè)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)，波音777的研發(fā)開辟了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的先河，使得8000多人的238個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)完成了10萬(wàn)個(gè)零件的數(shù)字化定義和裝配，研發(fā)周期縮短40%，設(shè)計(jì)更改減少93%，設(shè)計(jì)費(fèi)用減少94%，裝配過程問題減少50%～80%[2]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，通用電氣發(fā)動(dòng)機(jī)部在1998年實(shí)施了發(fā)動(dòng)機(jī)異地協(xié)同設(shè)計(jì)和制造發(fā)展規(guī)劃，大大減少概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)的時(shí)間。普惠公司在企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，采用繼承產(chǎn)品開發(fā)IPD（Integrated Produced Development）團(tuán)隊(duì)形式來管理發(fā)動(dòng)機(jī)全周期的相關(guān)經(jīng)濟(jì)技術(shù)活動(dòng)。這些數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)的理念在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用較多，但是在具體的整機(jī)裝配階段卻相對(duì)較少[3]。而發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)狀態(tài)下，裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理的快速協(xié)同設(shè)計(jì)有著強(qiáng)烈的需求，也是設(shè)計(jì)狀態(tài)管理與實(shí)物狀態(tài)管理的基礎(chǔ)保障之一。

2 協(xié)同設(shè)計(jì)需求

典型的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造流程可分為3個(gè)階段，包括數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造執(zhí)行3個(gè)階段，對(duì)于生產(chǎn)線批量產(chǎn)品來說，這種流程的運(yùn)行是單向且穩(wěn)定的，但是對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段的產(chǎn)品而言，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程存在極大的不穩(wěn)定性和不確定性，流程復(fù)雜多變。目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研院所是將設(shè)計(jì)、試驗(yàn)與裝配等環(huán)節(jié)一體化，所有類型發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配工藝設(shè)計(jì)與實(shí)物裝配都在同一部門、由同一批操作人員進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)和實(shí)物裝配，總體、部件、試驗(yàn)、機(jī)關(guān)和領(lǐng)導(dǎo)的設(shè)計(jì)要求，都?xì)w結(jié)到裝配部門執(zhí)行。當(dāng)裝配部門面對(duì)一系列結(jié)構(gòu)相似但又多變的裝配工藝設(shè)計(jì)需求，以及單臺(tái)次定制的實(shí)物裝配要求時(shí)，裝配工藝設(shè)計(jì)的快速性和連續(xù)性，裝配過程的準(zhǔn)確性就成為必須解決的關(guān)鍵問題之一。

常規(guī)制造企業(yè)的裝配工藝設(shè)計(jì)和制造過程管理的數(shù)字化手段在應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)階段時(shí)存在眾多制約，這些制約主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)一直是多改進(jìn)手段并行，即使同一類型不同臺(tái)份之間也可能由于結(jié)構(gòu)完善和故障排除等改進(jìn)措施而使結(jié)構(gòu)不同。這種持續(xù)不斷的結(jié)構(gòu)改進(jìn)對(duì)裝配工藝設(shè)計(jì)的繼承性和快速性提出更高要求。同時(shí)這種裝配工藝必須迅速傳遞到裝配過程管理中，這就需要裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理的快速協(xié)同。

2.2 工藝設(shè)計(jì)方面

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)還處于探索階段，裝配路徑的調(diào)整、新工序的改進(jìn)、新工藝方法的設(shè)計(jì)都存在極大的不確定性和不穩(wěn)定性，裝配工藝的設(shè)計(jì)必須適應(yīng)工藝改進(jìn)的需求，對(duì)于裝配工藝設(shè)計(jì)的靈活性提出明確要求。同時(shí)，裝配BOM如何快速繼承設(shè)計(jì)BOM，工藝方案如何快速傳遞到裝配執(zhí)行過程等也都需要高效的協(xié)同平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)。

2.3 定制的裝配要求方面

發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程是不斷根據(jù)試驗(yàn)和試車表現(xiàn)進(jìn)行更改的過程，可能因?yàn)椴煌脑囓嚤憩F(xiàn)而更換調(diào)整部分組件或?qū)嵤┎糠止に?，這就需要裝配工藝設(shè)計(jì)滿足維修性和保障性的需求，在裝配路徑規(guī)劃和工序規(guī)劃時(shí)具備充分的靈活性。同時(shí)，這種頻繁變化的裝配工藝要求也需落實(shí)到裝配過程執(zhí)行，要求兩者的協(xié)調(diào)一致。同時(shí)，串換件、結(jié)構(gòu)修改、故障排除等不確定性和不穩(wěn)定性的裝配要求，也同樣需要裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理的高度同步，才能夠保證準(zhǔn)確評(píng)估研發(fā)循環(huán)改進(jìn)效果。

綜上可知，無(wú)論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還是工藝設(shè)計(jì)或定制臺(tái)次裝配要求方面，對(duì)于裝配工藝與裝配過程管理的協(xié)同設(shè)計(jì)都提出了迫切的要求。

3 協(xié)同設(shè)計(jì)方案

發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)單位在進(jìn)行數(shù)字化裝配平臺(tái)的建設(shè)規(guī)劃時(shí)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配任務(wù)特點(diǎn)，從裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配過程管理兩個(gè)方面進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)和同步規(guī)劃。利用發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)部門提供的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)BOM，在裝配工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的裝配BOM設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，使得各臺(tái)次定制的裝配需求能夠順利準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)，并滿足互換性、維修性、可生產(chǎn)性等不同方面的需求，協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

對(duì)于裝配工藝設(shè)計(jì)來說，協(xié)同設(shè)計(jì)需要建立和維護(hù)更細(xì)化的工藝規(guī)程體系，并對(duì)其進(jìn)行工序級(jí)的版本管理，進(jìn)而在面臨新的工藝設(shè)計(jì)需求時(shí)，可以快速準(zhǔn)確地進(jìn)行繼承和調(diào)整，以適應(yīng)多類型多任務(wù)的工藝設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，對(duì)裝配過程單臺(tái)次工藝設(shè)計(jì)提供更合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和維護(hù)模式，依據(jù)結(jié)構(gòu)化規(guī)程快速調(diào)整單臺(tái)裝配工藝，以適應(yīng)定制單臺(tái)次裝配的需求。同時(shí)，裝配工藝設(shè)計(jì)時(shí)也關(guān)注工裝設(shè)計(jì)，建立專用工裝體系和通用工裝模塊體系，在工裝設(shè)計(jì)中提供通用模塊參考。

圖2 協(xié)同設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of collaborative design

協(xié)同設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理結(jié)合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)化的裝配工藝設(shè)計(jì)，編制結(jié)構(gòu)化的規(guī)程，同時(shí)在設(shè)計(jì)BOM的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在裝配過程管理系統(tǒng)中創(chuàng)建裝配BOM，繼承裝配邏輯關(guān)系。當(dāng)面對(duì)新的工藝設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，可以最大程度繼承相似結(jié)構(gòu)的裝配工藝；當(dāng)面對(duì)不同定制的裝配要求時(shí)，能夠在結(jié)構(gòu)工藝規(guī)程的基礎(chǔ)上，快速定制單臺(tái)次裝配工藝單和裝配BOM。將實(shí)物狀態(tài)控制和過程控制等需求落實(shí)到流程執(zhí)行過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)狀態(tài)和問題的監(jiān)控，保證科研質(zhì)量。

3.1 裝配工藝設(shè)計(jì)

裝配工藝設(shè)計(jì)可以分為3方面的能力建設(shè)：工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)和工藝仿真。工藝設(shè)計(jì)需要增強(qiáng)適合三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件下的工藝設(shè)計(jì)，從工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計(jì)、工藝文件發(fā)放、執(zhí)行效果等幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)能力。工裝設(shè)計(jì)需要適合多狀態(tài)條件下的快速工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提高工裝設(shè)計(jì)效率，提高工裝的適應(yīng)能力，提高工裝部件的重復(fù)使用能力。工藝仿真使用虛擬裝配技術(shù)、人機(jī)工程技術(shù)，在工藝設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證裝配工藝的適應(yīng)性，同時(shí)也驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可裝配性。

3.2 裝配過程管理

采取流程化管理的模式，從裝配設(shè)計(jì)、任務(wù)分發(fā)、裝配過程管理 ，機(jī)件管理、設(shè)備工裝管理，統(tǒng)計(jì)分析等方面，將科研工作和管理工作流程化，通過軟件的輔助控制功能，保證流程的正確執(zhí)行，進(jìn)而最終保證工作質(zhì)量。涵蓋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、計(jì)劃管理、生產(chǎn)準(zhǔn)備管理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理、現(xiàn)場(chǎng)問題管理、故檢管理、維修管理、條碼管理、故障管理、串換件管理、工時(shí)管理、工裝工具管理、設(shè)備管理、看板管理、綜合統(tǒng)計(jì)分析、裝機(jī)技術(shù)狀態(tài)管理、系統(tǒng)集成接口管理等業(yè)務(wù)流程管理的一體化。

3.3 協(xié)同設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，裝配工藝規(guī)程與裝配BOM 的結(jié)構(gòu)化對(duì)應(yīng)關(guān)系是協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。其中，理想的裝配BOM是包含“父子”裝配關(guān)系的分層次的目錄形式，這種關(guān)系與裝配工藝規(guī)程結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)化的對(duì)應(yīng)，一方面可以適應(yīng)新裝配工藝設(shè)計(jì)快速性的要求，可以有針對(duì)性地進(jìn)行工藝更新和編制；另一方面可以滿足單臺(tái)次定制裝配的任務(wù)特點(diǎn)，當(dāng)每次的裝配分解要求層次隨意更改時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)裝配BOM 和技術(shù)要求的快速調(diào)整，適應(yīng)裝配過程多變的特點(diǎn)，利于現(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目執(zhí)行的工藝人員在實(shí)際操作中執(zhí)行并監(jiān)督制造過程。協(xié)同設(shè)計(jì)將發(fā)動(dòng)機(jī)裝配分解過程的所有設(shè)計(jì)和管理工作數(shù)字化、流程化、透明化，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的自動(dòng)流轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)過程可控、信息可追溯，進(jìn)度可把握，提高執(zhí)行效率。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)上下游信息的快速傳遞和更改驅(qū)動(dòng)，提高更改和迭代速度[4]。

4 目前建設(shè)情況

目前，國(guó)內(nèi)在裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理方面協(xié)同設(shè)計(jì)處于起步階段，進(jìn)行了初步的協(xié)同設(shè)計(jì)，將裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理同步規(guī)劃建設(shè)，由于種種原因，目前僅完成初步的裝配過程管理平臺(tái)APMS建設(shè)，但由于工藝方面的結(jié)構(gòu)化暫未進(jìn)行，所以系統(tǒng)暫未全面運(yùn)行，只是部分模塊進(jìn)入應(yīng)用階段。系統(tǒng)運(yùn)行的制約主要有如下幾個(gè)方面。

（1）缺少結(jié)構(gòu)化的工藝規(guī)程。

由于種種原因，輔助工藝設(shè)計(jì)方面的軟件平臺(tái)沒有開發(fā)完成，系統(tǒng)無(wú)法繼承結(jié)構(gòu)化的工藝規(guī)程，無(wú)法在繼承的基礎(chǔ)上修改工藝單，工藝單的編制需要獨(dú)立進(jìn)行。這種制約也恰恰反映了協(xié)同設(shè)計(jì)的重要性。

（2）裝配BOM有待完善。

設(shè)計(jì)BOM轉(zhuǎn)化為裝配BOM的過程需要持續(xù)改進(jìn)，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)工藝和裝配的執(zhí)行過程中，目前無(wú)法按照實(shí)物狀態(tài)控制的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)于實(shí)物狀態(tài)控制的相關(guān)流程。

（3）硬件條件影響。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)所有裝配流程執(zhí)行過程的簽署、數(shù)據(jù)記錄、問題反饋等進(jìn)行電子簽署。但是由于工位計(jì)算機(jī)、條碼打印、條碼掃描和工卡等硬件沒有完全落實(shí)到位，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍然是老方法和新方法并行，沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)物的唯一性控制和跟蹤。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)和裝配過程管理的協(xié)同設(shè)計(jì)概念和方案，面向發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的全過程，以結(jié)構(gòu)化的工藝實(shí)現(xiàn)技術(shù)管理到實(shí)物狀態(tài)的傳遞和管理，提高工藝設(shè)計(jì)和裝配過程的快速性，有效性和準(zhǔn)確性。但由于目前協(xié)同設(shè)計(jì)處于規(guī)劃設(shè)計(jì)中，后續(xù)的理解分析還會(huì)不斷提高。但不可否認(rèn)的是，裝配工藝設(shè)計(jì)與裝配過程管理的協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)于提升研發(fā)階段的整機(jī)技術(shù)水平和管理水平都將具有重要意義。

[1] 李山.航空發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).航空制造技術(shù), 2009(7):66-69.

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