（中航西飛民用飛機有限責(zé)任公司，西安 710089）

現(xiàn)代飛機產(chǎn)品設(shè)計采用基于模型定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)和CATIA、DELMIA 等三維軟件，大幅度提高了產(chǎn)品設(shè)計水平。在工藝設(shè)計方面，國外先進飛機制造企業(yè)從20世紀80年代后期就開始進行三維工藝技術(shù)的研究，并成功運用到新機研制中。波音自1994年開始到2004年構(gòu)建的基于構(gòu)型定義與控制/制造資源管理（Define and control of airplane configuration/manufacturing resource management，DCAC/MRM）計劃，是一項采用產(chǎn)品數(shù)字化、并行工程、PDM 和ERP 等最新技術(shù)，并基于精益思想的企業(yè)重組工程。波音公司在787 客機研發(fā)過程中將三維工藝設(shè)計技術(shù)進行全面應(yīng)用，該工程的基礎(chǔ)是在PDM 上共建構(gòu)型生成、工藝計劃和制造資源管理等系統(tǒng)，它使787飛機在研制期間出現(xiàn)的問題明顯減少，研制成本有所降低，并顯著提高了客戶的滿意程度[1]。而我國飛機三維裝配工藝設(shè)計技術(shù)整體起步晚，仍長期停留在二維設(shè)計階段，無法直接利用產(chǎn)品三維模型及其工程信息，從而導(dǎo)致設(shè)計制造協(xié)同性差，工藝設(shè)計結(jié)果可行性不高，裝配工藝指令描述不直觀、不精確等結(jié)果，嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量和研制周期。二維工藝設(shè)計已遠遠不能滿足新機研制的要求，且與產(chǎn)品設(shè)計形成了技術(shù)發(fā)展的不協(xié)調(diào)，所以對飛機三維工藝設(shè)計技術(shù)的深入研究與推廣勢在必行。

基于模塊的飛機消耗式三維工藝設(shè)計，進一步攻克產(chǎn)品MBD 三維模型信息獲取、運用，以及三維工藝設(shè)計過程的統(tǒng)一管理技術(shù)，構(gòu)建消耗式制造資源重構(gòu)與管理模式[2]。在設(shè)計制造一體化環(huán)境下，以設(shè)計模塊為基礎(chǔ)，依據(jù)裝配方案，開展面向制造分工的工藝規(guī)劃，并進行裝配結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建，實現(xiàn)以裝配站位為基礎(chǔ)的MBOM 頂層管控，以及以裝配指令清單（AOL）為基礎(chǔ)的MBOM底層管控；通過單機制造構(gòu)型配置支撐特定架次飛機制造物料清單MBOM 提?。灰詥我辉O(shè)計數(shù)據(jù)EBOM為依據(jù)，直接消耗EBOM 中的設(shè)計零組件進行裝配指令編制，確保實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)集及更改信息在設(shè)計與制造之間完整、系統(tǒng)地傳遞[3]。在此基礎(chǔ)上開展工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計與仿真工作，實現(xiàn)工程設(shè)計數(shù)據(jù)集與制造數(shù)據(jù)集的一致性、準確性及可追溯性。

1 模塊化產(chǎn)品數(shù)據(jù)解析

基于模塊的產(chǎn)品設(shè)計按照飛機功能進行構(gòu)型項劃分，通過“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹”實現(xiàn)從“飛機—章節(jié)—部段—模塊—零組件”的全流程產(chǎn)品構(gòu)型管理，所有模塊的集合形成完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)[4]。

基于模塊的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹分為頂層結(jié)構(gòu)、構(gòu)型層和底層結(jié)構(gòu)，其中頂層結(jié)構(gòu)形式相對比較固定，通常不允許改動[5]。構(gòu)型層進行各種構(gòu)型管理的工作，主要包括多構(gòu)型配置、有效性管理等。底層結(jié)構(gòu)由具體的設(shè)計數(shù)據(jù)及相關(guān)技術(shù)文件組成，是隨著產(chǎn)品數(shù)據(jù)的完善不斷變化的。模塊化產(chǎn)品數(shù)據(jù)具有以下特點。

1.1 采用模塊化構(gòu)型管理方法

采用模塊化構(gòu)型管理方法，變基于產(chǎn)品零組件的構(gòu)型管理為基于模塊的構(gòu)型管理[6]。一個模塊可以有一種構(gòu)型方案，也可以有多種構(gòu)型方案，如圖1所示。

1.2 設(shè)計過程與構(gòu)型管理過程分離

設(shè)計人員僅針對確定的構(gòu)型狀態(tài)和明確的設(shè)計需求進行設(shè)計，不需要在設(shè)計過程中考慮有效性；構(gòu)型管理人員負責(zé)設(shè)計模塊的規(guī)劃、構(gòu)型配置及相關(guān)的工程更改控制。

1.3 面向裝配過程的設(shè)計模塊劃分

設(shè)計模塊劃分時，充分考慮制造分離面的劃分和制造的裝配站位，滿足設(shè)計模塊的完整性和在制造過程中的一致性，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計和模塊化制造的優(yōu)勢，使制造裝配工藝更為簡單清晰。

2 消耗式MBOM 重構(gòu)

傳統(tǒng)的飛機采用EBOM、PBOM、MBOM 3層BOM體系，即設(shè)計發(fā)放數(shù)模和EBOM，工藝按照制造需求重構(gòu)EBOM 生成PBOM，再形成MBOM 作為制造依據(jù)。由于飛機有幾萬個零組件，數(shù)量巨大，這種方法的缺點是重構(gòu)后MBOM 與設(shè)計EBOM的一致性難以保證，極大地影響了產(chǎn)品質(zhì)量和研制周期。

而消耗式MBOM 重構(gòu)，是在基于MBD的設(shè)計制造一體化工作模式下，進行產(chǎn)品設(shè)計環(huán)境與工藝設(shè)計環(huán)境的構(gòu)建，以單一數(shù)據(jù)集代替?zhèn)鹘y(tǒng)EBOM、PBOM、MBOM 3層BOM體系，使設(shè)計流程和制造流程保持一致，確保工程數(shù)據(jù)集及更改信息在設(shè)計與制造之間、主制造商與供應(yīng)商之間完整、系統(tǒng)地傳遞。EBOM 經(jīng)過“消耗式重構(gòu)”生成MBOM，取消了傳統(tǒng)BOM 管理體系中的PBOM，原PBOM 中的工藝組合件、拆分件等產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容提前到設(shè)計并行階段執(zhí)行并包含在EBOM 中，PBOM 中的工藝路線信息作為過程性信息在裝配結(jié)構(gòu)樹搭建前完成，最終體現(xiàn)在裝配結(jié)構(gòu)樹中。在此基礎(chǔ)上開展工藝規(guī)劃、工藝設(shè)計與仿真工作，保證工程設(shè)計數(shù)據(jù)集與制造數(shù)據(jù)集的一致性、準確性及可追溯性，并為產(chǎn)品驗收、客戶服務(wù)和市場銷售提供單一數(shù)據(jù)。

2.1 裝配結(jié)構(gòu)樹規(guī)劃

裝配結(jié)構(gòu)樹是依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的數(shù)據(jù)，按照裝配流程，將產(chǎn)品模塊劃分到各個裝配站位，形成相應(yīng)的裝配模塊，并對各個裝配模塊按照組／部件的裝配關(guān)系進行組織，最后形成的一個全構(gòu)型的樹狀層次結(jié)構(gòu)。

裝配結(jié)構(gòu)樹是工藝規(guī)劃的結(jié)果，是制造構(gòu)型管理的核心，也是生產(chǎn)制造的數(shù)據(jù)源。裝配結(jié)構(gòu)樹與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹對應(yīng)，從制造角度管理和組織飛機生產(chǎn)相關(guān)的信息和資源。裝配結(jié)構(gòu)樹由裝配站位以父子關(guān)系搭建而成，父子關(guān)系體現(xiàn)工位之間的交付關(guān)系及裝配序列，即子站位完成的產(chǎn)品交付到父站位所對應(yīng)的工位上，在父站位上與其他同級站位及其他設(shè)計模塊再裝配成更大的產(chǎn)品部件。

圖1 產(chǎn)品模塊構(gòu)型關(guān)系Fig.1 Product module configuration

裝配站位與特定的物理工位相對應(yīng)，即與一組特定的空間位置、工裝型架、人員、工具等生產(chǎn)資源對應(yīng)；裝配站位管理此工位上完成特定產(chǎn)品的裝配過程所需的相關(guān)工藝和制造信息，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝路線、工藝指令、檢驗指令、工裝工具資源等信息及相關(guān)的更改信息等；在裝配站位對應(yīng)工位上利用相關(guān)工藝信息和資源，完成多個相關(guān)設(shè)計模塊和子站位的裝配工作，如圖2所示。

裝配結(jié)構(gòu)樹包括：頂層裝配站位、構(gòu)型層工藝構(gòu)型項和底層結(jié)構(gòu)AO。一個裝配站位可以包含1種制造構(gòu)型方案，也可以包含多種制造構(gòu)型方案，如圖3所示。

（1）頂層：基本保持不變，是工藝總體規(guī)劃的結(jié)果，確定裝配序列，用于指導(dǎo)生產(chǎn)線規(guī)劃。頂層結(jié)構(gòu)包含裝配站位編號、名稱、負責(zé)路線等基本屬性以及站位間序列關(guān)系。

圖2 裝配結(jié)構(gòu)樹Fig.2 Product structure tree

圖3 裝配結(jié)構(gòu)樹結(jié)構(gòu)解析Fig.3 Assembly structure tree structure analysis

（2）構(gòu)型層：隨著設(shè)計構(gòu)型的變化、工藝方案的變化而變化，是工藝構(gòu)型規(guī)劃的結(jié)果，分為工藝設(shè)計庫和工藝執(zhí)行庫兩種類型。工藝設(shè)計庫用于支撐工藝設(shè)計業(yè)務(wù)，根據(jù)設(shè)計更改相應(yīng)地進行工藝方案調(diào)整，以備后續(xù)生產(chǎn)執(zhí)行，與執(zhí)行架次無關(guān)。

（3）底層：無構(gòu)型、無架次信息，只用于表示具體某組件的安裝，包含AO、檢驗指令等工藝數(shù)據(jù)，是工藝詳細設(shè)計的結(jié)果。

2.2 基于裝配站位的設(shè)計模塊消耗流程

（1）基于裝配站位分配設(shè)計構(gòu)型項：頂層裝配結(jié)構(gòu)確定后，將設(shè)計構(gòu)型項根據(jù)裝配方案消耗式分配至對應(yīng)的裝配站位節(jié)點。

（2）基于裝配站位創(chuàng)建工藝構(gòu)型項：在當(dāng)前裝配站位下，創(chuàng)建某特定構(gòu)型狀態(tài)下的工藝構(gòu)型項，將相應(yīng)構(gòu)型的模塊關(guān)聯(lián)至工藝構(gòu)型項，實現(xiàn)設(shè)計模塊的消耗。一個裝配站位下可包含多個不同的工藝構(gòu)型項，每一個工藝構(gòu)型項表示一種工藝構(gòu)型。

（3）將裝配站位對應(yīng)的工裝/工藝數(shù)模關(guān)聯(lián)到工藝構(gòu)型項，實現(xiàn)仿真工藝數(shù)據(jù)的集合。

（4）裝配指令A(yù)O 配套劃分：在當(dāng)前工藝構(gòu)型項節(jié)點關(guān)聯(lián)模塊項下，創(chuàng)建AO并依據(jù)裝配流程定義AO間串并行關(guān)系。將所有模塊下打散的零組件，消耗式分配到對應(yīng)AO，實現(xiàn)設(shè)計模塊-零組件的消耗；選取關(guān)鍵、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝配站位進行三維裝配仿真驗證，完成AO順序優(yōu)化，如圖4所示。

圖4 基于裝配站位的設(shè)計模塊消耗Fig.4 Design module consumption based on configuration assembly

2.3 三維裝配工藝指令編制

打破傳統(tǒng)的基于紙質(zhì)的二維裝配指令編制，采用基于MBD 三維模型的結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化工藝設(shè)計，直接利用設(shè)計模型中的零件制造信息和關(guān)鍵特性，進行消耗式工藝設(shè)計，形成結(jié)構(gòu)化的三維工藝指令[7]?；谌S工藝設(shè)計系統(tǒng)，利用文字、仿真動畫、輕量化模型、圖片等多種數(shù)據(jù)格式進行裝配指令的編制，零組件、標準件按位置、種類、數(shù)量準確地配套到裝配單元，改變傳統(tǒng)裝配工作對于二維圖紙的依賴，實現(xiàn)以單一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)的制造過程的組織與管理[8]，如圖5所示。

（1）AO 基本信息定義。在工藝構(gòu)型項節(jié)點下創(chuàng)建AO，依據(jù)裝配內(nèi)容定義AO編號、名稱、完工時間等基本信息。

（2）工藝流程定義。依據(jù)裝配流程定義AO 間串并行關(guān)系。

（3）零組件及工藝資源劃分。在可視化環(huán)境下，將其關(guān)聯(lián)的所有零組件、標準件按工藝規(guī)劃分配到具體工步中，實現(xiàn)設(shè)計零組件的消耗。如圖6所示，零組件、標準件配套信息均從左側(cè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上消耗式分配至右側(cè)AO 工步，確保工藝設(shè)計數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)一致性。同時通過工步關(guān)聯(lián)工藝資源庫，調(diào)用工裝、刀量具、設(shè)備等資源到工步[9]。

（4）仿真驗證。選取關(guān)鍵、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作空間不開敞的工步進行三維裝配仿真驗證，優(yōu)化工步順序，開展詳細工藝設(shè)計。

（5）工步內(nèi)容編制。通過三維編制工具，載入工步內(nèi)所有設(shè)計產(chǎn)品及工裝資源的輕量化模型，進行詳細工步編制。AO所需產(chǎn)品圖樣通過關(guān)聯(lián)產(chǎn)品數(shù)模自動添加，使用技術(shù)文件通過與相關(guān)文件系統(tǒng)關(guān)聯(lián)進行添加。

（6）AO 發(fā)布。AO 完成審批后以三維結(jié)構(gòu)化形式發(fā)布，并推送至生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，生產(chǎn)現(xiàn)場可在三維環(huán)境下進行查看并開展工作，如圖7所示。

圖5 AO編制流程Fig.5 AO compilation process

圖6 AO零組件分配過程Fig.6 AO component allocation process

圖7 三維裝配指令Fig.7 3D AO

2.4 單機制造構(gòu)型配置

單機配置制造構(gòu)型管理技術(shù)改變了以往通過跟蹤數(shù)模架次對工藝設(shè)計數(shù)據(jù)進行維護的制造構(gòu)型管控模式，采用單機配置的制造構(gòu)型管控模式。通過基于工藝構(gòu)型項的單架飛機制造構(gòu)型的智能匹配方法，實現(xiàn)單架飛機裝配指令清單的快速構(gòu)建及制造數(shù)據(jù)管理。依據(jù)設(shè)計全構(gòu)型數(shù)模進行工藝設(shè)計，構(gòu)建工藝設(shè)計庫，并對其數(shù)據(jù)進行維護；按照設(shè)計單機配置數(shù)據(jù)，通過配置生成工藝執(zhí)行庫，形成單架機制造數(shù)據(jù)。減少了由設(shè)計數(shù)模架次變化引起的工藝數(shù)據(jù)維護工作，單機狀態(tài)更清晰準確，實現(xiàn)了制造構(gòu)型狀態(tài)的記錄和可追溯性，并縮短研制周期。

圖8 單機制造構(gòu)型配置過程Fig.8 Conf iguration process of single machine manufacturing conf iguration

（1）產(chǎn)品數(shù)據(jù)特點。產(chǎn)品構(gòu)型采用單架機配置的管理方案，通過對單架機設(shè)計模塊進行確定和選擇進行配置，單架機模塊配置結(jié)果通過“飛機構(gòu)型配置表”來明確。

（2）單機制造構(gòu)型配置方案?；谠O(shè)計單機飛機構(gòu)型配置表，形成特定架次AOL(AO List)。AOL是在特定裝配站位上完成特定狀態(tài)設(shè)計模塊裝配的一套工藝指令A(yù)O的集合，AO 中描述了相關(guān)的工裝、工具及原輔料等信息；多個模塊利用一套AO 完成裝配，即這套AOL 與多個模塊存在對應(yīng)關(guān)系，如圖8所示。

設(shè)計單機構(gòu)型配置發(fā)放前，基于頂層裝配結(jié)構(gòu)樹以及設(shè)計發(fā)布數(shù)據(jù)，開展工藝并行設(shè)計，包括工藝構(gòu)型項規(guī)劃及AO 設(shè)計，其結(jié)果在工藝設(shè)計庫中進行管理；等設(shè)計單機構(gòu)型配置發(fā)放后，根據(jù)裝配站位與模塊的配套關(guān)系，從設(shè)計庫中分析獲取最接近的工藝構(gòu)型項，即生成用于特定架次生產(chǎn)執(zhí)行的AO 清單AOL，從而形成單架機制造物料清單數(shù)據(jù)，工藝可基于此AOL 進行修改，并提交簽審，該AOL 保存到工藝執(zhí)行庫，并下發(fā)至生產(chǎn)系統(tǒng)。當(dāng)設(shè)計模塊發(fā)生更改時，工藝設(shè)計庫用于對現(xiàn)場未投產(chǎn)及未來架次的工藝指令更改貫徹，工藝執(zhí)行庫用于對現(xiàn)場已投產(chǎn)工藝指令的更改貫徹。任何架次的工藝設(shè)計數(shù)據(jù)均通過此方法產(chǎn)生，避免工藝隨設(shè)計不同架次狀態(tài)的變化反復(fù)維護工藝設(shè)計數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 單架機生產(chǎn)AO清單匹配過程Fig.9 Single machine AO list matching process

圖10 工程更改貫徹過程Fig.10 Engineering change implementation process

3 以SPSBOM為核心的三維交付規(guī)范編制

SPSBOM 是部段交付規(guī)范所需的全部零組件的清單，用于定義供應(yīng)商產(chǎn)品的最終交付狀態(tài)，是供應(yīng)商制造和最終交付產(chǎn)品的依據(jù)。清單包含裝配層次、零組件號、零組件名稱、數(shù)量、版次、下級工程組件號等內(nèi)容。以SPSBOM為核心的三維交付規(guī)范實現(xiàn)了基于制造分工的供應(yīng)商交付規(guī)范結(jié)構(gòu)化管理，并通過SPSBOM 明確部件交付物料清單。在MBOM 頂層規(guī)劃過程中，可為裝配單元指定制造分工，并根據(jù)生產(chǎn)量、供應(yīng)商實際制造能力進行制造分工均衡調(diào)整，裝配單元可按架次指定不同的制造分工單位。根據(jù)制造分工編制結(jié)構(gòu)化交付規(guī)范，包含交付要求并自動獲取交付清單SPSBOM，實現(xiàn)基于單架機的有效性管理。

三維交付規(guī)范以結(jié)構(gòu)化形成存儲到數(shù)字化飛機制造協(xié)同平臺中，并基于架次有效性進行管理；根據(jù)制造分工自動獲取交付清單SPSBOM，可清晰地定義制造分包界面和制造交付要求，通過供應(yīng)商制造協(xié)同平臺實現(xiàn)供應(yīng)商交付數(shù)據(jù)的提交管理，確保所有交付數(shù)據(jù)都在制造構(gòu)型控制之下。

4 一體化工程更改管理

對產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)進行跟蹤，制定在單一數(shù)據(jù)源條件下，數(shù)據(jù)源更改過程中，工藝更改貫徹管理方案，構(gòu)建在三維工藝設(shè)計環(huán)境中工藝設(shè)計數(shù)據(jù)的更改機制。對產(chǎn)品工程更改及構(gòu)型管理進行貫徹落實及更改追溯，保證各個階段數(shù)據(jù)的一致性、唯一性[10]。

設(shè)計工程更改分為頂層配置和底層詳細更改，根據(jù)兩種不同的更改方式，工程更改的貫徹過程如下。

（1）頂層配置更改。由模塊新增或刪除發(fā)起，工藝需按照模塊增減情況對裝配結(jié)構(gòu)樹頂層站位進行升版，調(diào)整站位中設(shè)計模塊，同時涉及供應(yīng)商分工的站位，還需對廠際交付規(guī)范進行升版維護，完善SPSBOM 內(nèi)容。

（2）詳細設(shè)計更改。由模塊換版或換號發(fā)起，工藝需按照模塊具體更改內(nèi)容對裝配指令進行更改貫徹，同時對相關(guān)制造協(xié)調(diào)單、工裝刀量具等數(shù)據(jù)進行更改貫徹，如圖10所示。

5 應(yīng)用效果

基于模塊的消耗式工藝設(shè)計技術(shù)已全面在新舟700飛機型號研制過程中應(yīng)用，研制期間完成整機裝配站位規(guī)劃、大部段裝配工藝仿真、裝配指令編制、廠際交付規(guī)范編制等工藝設(shè)計工作。通過工程驗證，工藝設(shè)計效率、質(zhì)量等方面都得到了極大提升。

以新舟 700 飛機中機身側(cè)壁板（試驗件與裝機結(jié)構(gòu)件尺寸基本相同，試驗件采用二維工藝設(shè)計、裝機件實施三維工藝設(shè)計）為對象對比實施效果，實施三維工藝設(shè)計后：實現(xiàn)了可視化工藝設(shè)計，提高了工作質(zhì)量及效率，減少工藝更改60%，縮短工藝設(shè)計時間30%；實施三維設(shè)計與應(yīng)用仿真，提前預(yù)防干涉與間隙，改進人機功效，提高工裝設(shè)計效率20%，減少工裝返修50%；實施三維指令，可視化輸出，提高了指令的閱讀性，減少工作閱讀指令的技術(shù)能力依賴，提高施工效率30%；消耗式工藝設(shè)計，保證了工藝數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性、符合性，符合率達100%。

6 結(jié)論

本文圍繞基于模塊的飛機消耗式工藝設(shè)計原理及方法進行了詳細論述，提出了基于模塊的消耗式MBOM 重構(gòu)、裝配指令編制及交付規(guī)范編制的具體方法和要求。

經(jīng)過工程實踐驗證，基于模塊的飛機消耗式三維工藝設(shè)計技術(shù)解決了現(xiàn)有的飛機裝配工藝設(shè)計過程中普遍存在的工藝設(shè)計數(shù)據(jù)與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)不一致、單架次飛機制造物料清單不準確、工藝準備周期過長、二維裝配指令操作性差等問題，體現(xiàn)了該方法的優(yōu)越性及合理性；實現(xiàn)了基于單一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品研制模式，對飛機研制過程中生產(chǎn)計劃管控、物料采購及產(chǎn)品交付提供了有力的數(shù)據(jù)支撐；對于提高飛機快速研制能力，縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本具有重要的現(xiàn)實意義。