飞机装配工艺三维数字化设计

飞机具有零件数量巨大，外形结构复杂、内部空间紧凑、协调关系复杂、可靠性要求高、研制周期长等特点，作为整个飞机制造过程中的关键和核心的装配工作，直接影响飞机研制的周期和飞机产品最终的质量。随着数字化技术的发展，近年国外的飞机制造企业，在数字化装配技术方面不断迅速发展，以B787、A380、F-35等为代表的新机集中反映了国外飞机数字化装配技术发展趋势。洛克希德一马丁公司在研制JSF战斗机X-35过程中明确提出：采用数字化装配技术，要使JSF飞机装配制造过程的周期缩短67%，工装减少95%，制造成本降低50%。空客公司在飞机研制过程中通过实施数字化设计与制造技术，把产品的试制周期从4年缩短为2.5年。波音公司以Boeing-777为标志，建立了世界第一个全数字化样机。采用产品数字化定义(Digital Product Definition，DPD)、数字化预装配(Digital Preassembly，DPA)和并行工程(Corrcurrent Engineering，CE)，达到比传统方法设计更改和返工减少50%，研制周期缩短50%的显著效果，保证了飞机设计、制造、试飞一次成功。

国内近年来开展了大量飞机数字化装配技术相关研究。许旭东，陈嵩等通过研究基于模型产品数字化定义(Model-Based Definition，MBD)的三维装配命令(Assembly Order，AO)编制技术，实现了三维工艺设计，确立了基于MBD的产品设计、资源设计与工艺设计技术路线，实现了从面向制造过程设计(DELMIA Process Engineer，DPE)中工艺规划、组件划分、装配仿真等数据的重用；三维AO在现场的应用使装配过程更加直观、清晰，有利于提高产品质量；三维Composer数据更加轻量化，数据应用更加灵活。景武，赵所等采用数字企业精益制造的交互应用(Digital Enterprise LeanManufacturing Interaction Application，DELMIA)软件对翼盒、机身段、管路等关键装配过程进行了仿真，发现了大量产品设计、工装设计和工艺设计问题，并提出了工艺优化设计方案。毕利文等在ARJ 21飞机机头装配工艺设计中采用DELMIA，通过DPE工艺规划，数字化制造工艺(Digital Process for Manufacturing，DPM)虚拟装配仿真，结合计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)集成生成了二维工艺报表，从整个过程来看，未对DELMIA进行深度开发定制，没实现对装配数据的管理和直接生成三维装配指令。

纵观以上研究，尽管在构建数字化装配系统平台上取得了显著效果，但飞机数字化装配工艺设计技术还存在以下问题：①三维工艺设计、仿真及优化技术有待完善；②三维数字化设计与制造系统之间的集成有待加强；③固有的管理模式与生产方式没有按照数字化技术的要求实现再造；④数字化设计、制造基础技术体系缺乏相关规范和标准等，为此，文中采用三维数字化技术在传统工艺设计基础上对飞机装配工艺进行计算机辅助设计，结合飞机装配工艺业务分析在三维数字化环境中进行飞机三维装配工艺整体设计，通过飞机产品工艺分离面划分与物料清单(Bill of Materials，BOM)重构编制三维装配指令，以期实现飞机装配工艺三维数字化设计。

1 飞机装配工艺的业务分析

在飞机制造企业中，装配工艺设计是一个工作量大、技术难度高，并且影响飞机装配质量和装配工作效率的重要技术工作。传统的装配工艺设计过程：工艺规划人员以文字、简单图表以及二维图示方式描述工艺装配总方案，装配顺序图表，主要工艺分离面的划分及工艺设计的要求，形成装配协调方案；工艺设计人员根据方案提请相关工装设计，编写制造、装配指令，主管工艺员将所负责组件的详细工艺设计结果（装配指令）按架次定版，并打印二维装配指令、零件配套及标准件配套等。

随着飞机设计部门已全面实现三维数字化设计和三维发图，传统装配工艺设计方式已无法满足现今的装配工艺设计与生产需要。工艺部门需构建一种基于三维化工艺设计与仿真验证的数字化集成应用环境，以支持与上游设计端应用系统的集成开发。三维数字化装配工艺设计技术，主要是通过客户化定制的数字化工艺设计系统提供的工艺规划模板、三维制造过程仿真验证技术、三维装配指令的输出、生产现场可视化技术等，贯通全机工艺布局的规划、组件工序设计、装配指令编制、装配仿真验证、现场查看三维指令等整个过程，在数字化工艺设计系统上，直接利用设计发放的三维零件模型，实现飞机整机划分大部件，大部件划分部件，部件细分为组件的整个过程。

基于数字化工艺设计系统的装配工艺设计工作，对比传统的依靠经验进行划分，具有工作直观、调整方便等优点，并且能够随时进行装配仿真分析和验证，可减少装配工艺设计缺陷，三维数字化装配工艺设计技术已成为现代飞机研制中的重要技术手段。

2 装配工艺的三维数字化设计

2.1 装配工艺设计系统环境的构建

三维数字化装配工艺设计技术是在三维数字化设计、数字化制造、产品数据管理等技术基础上发展起来的新技术，三维数字化装配工艺设计依赖一体化的设计制造数字化环境。文中以某飞机制造企业为例，根据企业数字化装配系统架构要求，分析装配数字化系统需求，构建了装配工艺数字化设计系统环境架构，其系统数据流程如图1所示。

图1 系统数据流程图

文中采用PTC公司Windchill系统作为企业级协同制造管理平台，管理各种BOM信息，其主要作用包括：①接收产品设计材料工程单(Engineering Bill of Material，EBOM)数据；②企业部数据二次发放；③制造数据管理；④物料计划单/物料工程单(Plan Bill of Material/Engineering Bill Of Material，PBOMlMBOM)构建；⑤工艺签审流程管理等。

DELMIA涵盖飞机设计、制造及维护过程中的所有工艺过程，使用户能够利用三维设计模型即可完成产品工艺的设计与验证，因此，采用达索公司的DELMIA系统作为三维数字化装配工艺设计系统。DELMIA平台建立于一个开放式结构的产品、工艺与资源组合模型(Product，Process and Resources Hub，PPR)上，可以在整个产品研发过程中持续不断的进行产品的工艺编制与验证。同时，可以实现与计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等系统进行集成，有效的利用已经设计好的数据，并且可以使制造业的专业知识能被提取出来，让最佳的产业经验得以重复利用。

CAPP系统目前作为航空企业工艺设计、工艺管理、流程审批等综合的工艺信息平台系统。主要作用包括产品工艺管理、综合工艺编制和管理、工艺设计数据解读、工艺数据管理、工艺卡片定制、二维环境编制流程文档，由于CAPP系统在航空企业的广泛应用，并以形成了成熟的业务流程；针对上述现状，三维数字化工艺系统仍选择以CAPP的工艺卡片为数据载体，业务流程按照原有的流程进行审签和发放。

2.2 设计过程

在企业集成应用环境中，三维数字化装配工艺设计的基本过程如图2所示。

图2 装配工艺三维数字化设计过程图

当Windhill系统接收到设计部门发来的设计数据，进行PBOM编制后，发送给DELMIA系统；之后在DELMIA系统中完成装配工艺设计及仿真验证整个过程，将工艺设计结果数据输出给CAPP，经CAPP解读后再传递给Windchill系统，之后应用到车间现场可视化。期间Windchill主要进行BOM编制及数据管理，DELMIA系统主要进行装配工艺设计及仿真、CAPP系统主要进行工艺审签和制造工艺设计，企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)系统将前端数据汇总进行生产管理，制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)等系统通过协同平台调用三维装配指令及配套表进行生产管控。

3 实例验证与仿真

3.1 系统前端数据准备

3.1.1 传递工艺结构及模型数据

在Windchill完成了从EBOM编制PBOM的整个过程之后，将PBOM及对应的产品模型、轻量化模型Cgr、轻量化三维装配指令编制模型传递到三维装配工艺设计系统DELMIA中，进行全面的三维数字化装配工艺设计，如图3所示。

图3 PBOM及数据导入

3.1.2 构建整机PBOM

由于大部分企业还未在Windchill构建整机的PBOM结构，需要预先进行如下工作。在DELMIA系统中，根据前端导入的不同级别的PBOM（主要为部、组件级PBOM）数据及设计模型，构建出完整的整机PBOM结构，如图4所示。

3.2 顶层工艺设计—工艺分离面划分及仿真验证

3.2.1 顶层工艺划分

由于EBOM和PBOM基本以产品结构为主，不同于工艺装配使用的产品工艺结构，需要在PBOM的基础上，重新对产品结构进行整理，划分出产品工艺结构，即对产品结构进行工艺分离面划分，进而完成工艺总方案的制定。

全机工艺布局的规划，在DELMIA系统中完成整机划分大部件，大部件划分部件，部件细分为组件（装配单元）的整个过程。

在DELMIA系统中，通过制造装配(Manufacturing Assembly，MA)在三维装配下，按照对应的装配工艺规程，划分出大部件、部件，完成工艺分离面的划分，制定装配方案，如图5所示。

图4 整机PBOM

图5 分离面划分

将MA划分好的工艺数据结构存入DELMIA系统，在工艺规划部分打开，如图6所示。在完成MA划分的产品工艺结构的基础上，继续进行工艺结构树的创建。

进行顶层工艺划分，分配部、组件所属，构建出涵盖大部件、部件、装配单元树形层次结构的顶层MBOM，如图7所示。

3.2.2 逐层工艺仿真验证

在工艺划分的同时，为确定其分离面划分的合理性，对整个划分过程进行仿真验证，同时为避免人员资源的浪费，预先通过工艺评审，划分需要在软件中进行仿真验证和不需要仿真验证的部分。

图6 数据连接

图7 顶层MBOM

在整个顶层工艺划分过程中，将每次划分的结构在DELMIA中进行仿真验证，大部件级仿真验证用以确定整体大部件是否可以完成全机总装过程，部件级仿真验证用以确定部件级工艺分离面的划分是否合理、正确，将仿真验证的结果进行输出生成仿真验证报告，反馈至工艺分离面划分的整个过程，对划分进行优化改进，如图8所示。

图8 顶层仿真验证

在DELMIA系统中完成的工艺划分具有三维界面划分的优势，与传统会议讨论或者经验划分相比，更具有划分直观、调整方便的优点。

3.3 详细工艺设计装配指令编制及仿真验证

3.3.1 工装订货单编制

在整体工艺方案确定的前提下，大部件、部件、装配单元工艺分离面的划分均已确定，此时需要根据划分的结果编制工装订货单，并根据工装订货单由工装部门完成工艺装备的设计（含工装型架、夹具、量具、刀具、地面设备等），并通过接口程序，将工装结构及工装设计模型导入至DELMIA系统的资源部分，以待后期调用。

3.3.2 装配指令编制

完成整机工艺方案及工艺装备的设计工作，下面转入装配指令的详细编制工作，通过开发，在DELMIA系统中添加符合企业使用习惯的配套表单，如图9所示。若企业已经有辅助材料库和标准件库，可通过开发实现批量录入DELMIA系统，达到资源的有效利用。

图9 定制配套表模板

在DELMIA系统中编制出具体的各个部、组件的装配指令AO，设计好每个工序该进行什么工作，确定工序的编排顺序，在工序节点链接上对应用到的产品和资源（工装、辅材、标准件、刀具等），并完成每个装配指令对应的零件配套表、标准件配套表、辅助材料配套表。

3.3.3 组件装配仿真验证

在完成编制AO装配指令大纲后，进行组件级别装配仿真，用以验证该大纲是否合理，确定整个组件的装配顺序、装配过程是否合理，是否会碰撞到产品导致无法装配等，并进行反馈修改，及早发现实际装配中的问题，并将仿真验证的结论反馈至AO装配指令编制过程，对工序设计进行优化改进，为避免人员浪费，这里需要对组件级装配仿真进行分类，确定具体需要仿真和不需要的部分。在仿真优化完毕后，将成熟的仿真作为工艺数据输出至车间现场，对现场装配流程进行指导。

3.3.4 三维装配指令的编制

在完成了DELMIA系统下工艺设计工作及仿真验证工作后，需要将工艺信息以三维化的形式编制成三维装配指令，进入DELMIA系统的指令创建器(Work Instruction Composer，WKC)，将每个工序的装配信息以视图的形式编制，添加对连接件、装配尺寸的标注、不同工序连接件分组、特殊位置给予刨切等操作，如图10～11所示。

图10 WKC-3DVIA Composcr

图11 工艺补充定义信息

3.4 工艺信息输出及可视化终端浏览

在DELMIA系统完成工艺设计工作后，其最终目的需为装配现场提供数据和现场可视化应用。通过对DELMIA后端输出及现场可视化终端部分进行集成开发，实现将在工艺系统编制的工艺信息直接输出到CAPP系统，通过CAPP和Windchill系统结合3DVIA Composer Player实现三维现场展示，指导工人工作。

在完成了整个工艺划分、装配指令编制之后，需要将所有的工艺数据（包含装配指令信息、配套表、三维装配指令、装配仿真）进行输出，通过集成开发将DELMIA的工艺数据输出至CAPP系统，CAPP系统解读数据后生成工艺卡片，然后按照传统的流程进行审签发放，在车间现场，工人直接打开CAPP卡片，通过卡片开发的功能浏览三维装配指令和装配仿真，同时，后端的MES等系统，也可以做相应开发，调入DELMIA的工艺数据，以便制造车间工作人员可以方便的查看，如图12所示。

图12 现场可视化浏览

4 结论

采用DELMIA数字化装配工艺平台，结合三维数字化设计系统环境构建了装配工艺三维数字化设计系统，通过该平台的实例验证与仿真分析，得到结论为：

1)部件级工艺分离面划分与整体大部件全机总装过程相关，AO装配指令大纲生成与整个组件装配顺序、装配工艺过程有关，装配碰撞干涉检测有效发现了装配工艺缺陷。

2)通过飞机装配工艺知识与经验的积累与重用，实现了飞机装配工艺数据交互与共享，装配工艺流程得以重新规划；装配工艺数字化三维设计对产品设计、工装设计以及工艺设计的错误发现提早，产品返工与报废率减少，装配周期缩短。

3)三维装配仿真通过车间可视化系统直观显示三维数据，减少了装配过程中人为差错；利于车间工人直观理解装配工艺。

通过三维数字化技术在飞机装配工艺设计体系中的应用，得以飞机制造企业三维数字化装配工艺设计及仿真的质量和效率。