數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)研究

中航工業(yè)西安航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限公司 種 磊 劉志軍 吳曉鋒 胡思嘉 陳賀利

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化、數(shù)字化已逐漸成為高端裝備制造業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新的重要途徑。在我國(guó)航空制造領(lǐng)域，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，基于模型的定義（Model-Based Definition,MBD）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。三維MBD模型逐漸取代二位圖紙成為產(chǎn)品制造過(guò)程中的唯一依據(jù)，這對(duì)傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)方式提出了挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的裝配工藝設(shè)計(jì)模式中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以二維形式發(fā)布，制造依據(jù)是二維數(shù)據(jù)；工藝設(shè)計(jì)仍采用二維方法，設(shè)計(jì)制造數(shù)據(jù)之間缺乏相關(guān)性；裝配仿真需要根據(jù)二維圖紙重構(gòu)三維模型；工藝審簽發(fā)布過(guò)程中仍采用二維形式發(fā)布，二維作業(yè)指令是現(xiàn)場(chǎng)制造的依據(jù)。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的繼承性差、重用性差、集成度低。裝配工藝多憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，工藝人員在工藝設(shè)計(jì)階段無(wú)法或很少考慮實(shí)際裝配環(huán)節(jié)中的各種因素，使產(chǎn)品在裝配時(shí)常常發(fā)生各種裝配問(wèn)題，嚴(yán)重影響了裝配工藝設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率和水平。因此，為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、制造周期短、可靠性要求高等研制需求，提高產(chǎn)品核心研制能力，必須進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，探索出一種新模式來(lái)滿足企業(yè)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)發(fā)展需求，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

裝配工藝作為裝配工作的指導(dǎo)，對(duì)裝配精度與裝配效率的高低起著決定性作用。如何有效地利用裝配模型，建立合理的裝配工藝，是保證裝配精度，提高裝配效率的重要前提。

裝配工藝設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

裝配工藝設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者開(kāi)展了很多卓有成效的研究工作，并取得了一定的成果。劉檢華、夏平均開(kāi)發(fā)的裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了裝配工藝的便捷規(guī)劃和三維直觀設(shè)計(jì)。楊雨圖提出了面向飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)和工藝管理的實(shí)現(xiàn)策略，促進(jìn)了飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。西飛與西北工業(yè)大學(xué)進(jìn)行項(xiàng)目合作，根據(jù)飛機(jī)數(shù)字化裝配工藝發(fā)展的需求，應(yīng)用先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、工作流管理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、條形碼技術(shù)等對(duì)AO (裝配大綱）系統(tǒng)進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了AO過(guò)程的規(guī)范化和自動(dòng)化，使系統(tǒng)具備裝配流程管理和裝配指令編輯等功能。中航工業(yè)沈飛與北京航空航天大學(xué)合作研究了基于產(chǎn)品預(yù)裝配功能，自動(dòng)生成飛機(jī)裝配工序的方法，并通過(guò)在對(duì)CATIA V5系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)裝配工序的可視化建模及仿真，并結(jié)合某飛機(jī)垂直尾翼的裝配，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性[4]。

裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真，需借助高端數(shù)據(jù)共享管理工具和制造仿真、分析、輔助設(shè)計(jì)軟件，搭建裝配工藝設(shè)計(jì)環(huán)境。

以PDM（Teamcenter）系統(tǒng)為核心，集成裝配仿真軟件Visualization Mockup和Visio構(gòu)建裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)。平臺(tái)基于PDM系統(tǒng)進(jìn)行集成開(kāi)發(fā)，由Teamcenter作為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，并在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、可視化、更改、流程管理；Teamcenter Engineering實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和文檔管理；Teamcenter Manufacturing實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)，仿真資源管理。Visualization Mockup軟件用于裝配仿真。Visio作為工藝設(shè)計(jì)輔助工具，用于卡片生成。利用該平臺(tái)可直接基于MBD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行裝配BOM重構(gòu)、結(jié)構(gòu)化工藝編制，裝配仿真驗(yàn)證和電子審簽、歸檔等活動(dòng)，并下發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配和檢驗(yàn),使得裝配工藝設(shè)計(jì)與管理成為企業(yè)PDM平臺(tái)的有機(jī)組成部分，實(shí)現(xiàn)了與PDM共享統(tǒng)一的產(chǎn)品、工藝數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的更改、流程、權(quán)限、文檔管理。以結(jié)構(gòu)化、可視化的裝配工藝形式進(jìn)行裝配工藝設(shè)計(jì)和虛擬仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)將有效管理裝配工藝數(shù)據(jù)、工藝文件、工裝設(shè)備輔料等生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)，形成企業(yè)單一的數(shù)據(jù)源，保證數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性[5]。

該裝配工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)具有數(shù)據(jù)集成性高、實(shí)用性強(qiáng)、開(kāi)放性好的特點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)Teamcenter平臺(tái)與Mockup仿真軟件之間信息數(shù)據(jù)交互與關(guān)聯(lián)管理，建立產(chǎn)品、工藝、工裝、設(shè)備、仿真動(dòng)畫(huà)文件等關(guān)聯(lián)關(guān)系，方便相關(guān)工藝數(shù)據(jù)的查詢和匯總，支持輕量化JT模型的生成與關(guān)聯(lián)管理，滿足與相關(guān)系統(tǒng)的工藝信息集成化應(yīng)用需求；結(jié)構(gòu)化裝配工藝創(chuàng)建，定義了總工藝、工藝、工序、工步的創(chuàng)建與結(jié)構(gòu)化管理組織模式，具備工藝、工序作為獨(dú)立的數(shù)據(jù)對(duì)象，可實(shí)現(xiàn)工藝數(shù)據(jù)的權(quán)限、版本、配置及流程管理；定制與開(kāi)發(fā)各類工藝模板，可實(shí)現(xiàn)各類工藝卡片與工序卡片自動(dòng)生成；集成了典型工藝、工裝設(shè)備資源，可借用典型工藝或已有工藝創(chuàng)建新的工藝文件，提高工藝編制效率；支持基于Visio的工序圖表工藝信息創(chuàng)建與PDF工序圖表輸出、合成；工藝審簽采用電子審簽方式，支持面向工序的會(huì)簽。

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)即充分繼承和利用數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息，通過(guò)創(chuàng)造性的工藝設(shè)計(jì)，有效連接數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的制造執(zhí)行，為裝配生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的制造執(zhí)行提供必要和準(zhǔn)確的工藝技術(shù)信息，指導(dǎo)裝配現(xiàn)場(chǎng)工人操作。

數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)過(guò)程可分為ABOM構(gòu)建、裝配工藝規(guī)劃、結(jié)構(gòu)化工藝創(chuàng)建、工藝路線設(shè)計(jì)、工序設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、裝配仿真驗(yàn)證、工藝卡片編制、創(chuàng)建整本工藝和工藝審簽歸檔等內(nèi)容，流程如圖1所示。

圖1 裝配工藝設(shè)計(jì)流程

1 裝配BOM構(gòu)建

設(shè)計(jì)員根據(jù)產(chǎn)品功能單元、模塊專業(yè)特點(diǎn)、相關(guān)規(guī)范等因素劃分零組件的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建設(shè)計(jì)BOM。為了便于產(chǎn)品生產(chǎn)制造，制造企業(yè)工藝員需要依據(jù)設(shè)計(jì)BOM，同時(shí)考慮產(chǎn)品裝配順序、企業(yè)生產(chǎn)組織形式、制造資源分布以及相關(guān)的工藝規(guī)范等因素，對(duì)設(shè)計(jì)BOM進(jìn)行部分調(diào)整，形成裝配BOM。裝配BOM實(shí)質(zhì)是各裝配部門(mén)或班組的裝配工藝業(yè)務(wù)和生產(chǎn)任務(wù)的劃分。

平臺(tái)提供直觀的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)使用界面，在系統(tǒng)三維可視化環(huán)境下基于設(shè)計(jì)BOM，創(chuàng)建、編輯BOM結(jié)構(gòu)，考慮產(chǎn)品裝配順序、企業(yè)生產(chǎn)組織形式、制造資源分布以及相關(guān)的工藝規(guī)范等因素，構(gòu)建ABOM支持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相關(guān)的三維模型和技術(shù)文件顯示查看。圖2所示為平臺(tái)支持BOM比較功能，并能明顯標(biāo)出差異以及輸出差異清單。

圖2 EBOM與ABOM差異對(duì)比

ABOM構(gòu)建時(shí)應(yīng)注意保存JT輕量化模型，為后續(xù)裝配仿真做準(zhǔn)備。輕量化模型可以采用將UG三維模型轉(zhuǎn)換成JT格式或者TC中輸出的方式得到。

2 裝配工藝規(guī)劃

裝配工藝規(guī)劃就是在充分了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行零件裝配工藝性分析，在給定產(chǎn)品設(shè)計(jì)的條件下，找出合理、可行，滿足工藝、機(jī)械、工具等條件的裝配順序與路徑，按照這樣的路徑裝配，可以完成預(yù)期的裝配目標(biāo)。裝配工藝規(guī)劃包括裝配序列規(guī)劃和裝配路徑規(guī)劃。

裝配序列規(guī)劃。通過(guò)求解零件的拆卸順序來(lái)獲得零件裝配順序。一般可根據(jù)拆卸法和爆炸圖等方法實(shí)現(xiàn)裝配序列的設(shè)計(jì)。

裝配序列規(guī)劃確定了零件裝配的順序，但沒(méi)有確定零件按照什么方向或路徑裝配。在裝配過(guò)程中，每個(gè)零部件都是沿著初始的裝配軌跡運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，若移動(dòng)過(guò)程中不和其他零部件發(fā)生碰撞，則稱這樣的運(yùn)動(dòng)軌跡為該零部件的(可行)裝配路徑。裝配路徑規(guī)劃就是按照裝配序列給出每一個(gè)零部件單獨(dú)的裝配路徑方式。

裝配路徑的生成有以下兩種方法：

（1）位移法：先將裝配的零、部件做拆卸運(yùn)動(dòng)，并記錄運(yùn)動(dòng)位移量，再利用位移量形成裝配仿真路徑；

（2）反序法：拆卸零、部件設(shè)計(jì)出軌跡運(yùn)動(dòng)，再利用仿真軟件“倒放”功能將軌跡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反序操作，形成裝配仿真路徑。利用Visualization Mockup仿真軟件進(jìn)行裝配序列和裝配路徑的規(guī)劃，如圖3所示。

圖3 裝配路徑規(guī)劃

3 結(jié)構(gòu)化工藝創(chuàng)建

結(jié)合企業(yè)工藝最佳實(shí)踐知識(shí)及以往的裝配工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并參考企業(yè)現(xiàn)有的生產(chǎn)組織形式、可利用的制造資源以及相關(guān)的工藝規(guī)范等，定義用于裝配此產(chǎn)品的工藝路線。

在工藝路線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，工藝人員以ABOM為依據(jù)，在PDM上可視化的裝配環(huán)境中構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的裝配工藝，如圖4所示。依次創(chuàng)建裝配總工藝、工藝、工序的BOP（工藝清單） 結(jié)構(gòu)。針對(duì)工藝路線中每道工序，工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容包括該工序的裝配方法、裝配工位、裝配對(duì)象（零件及消耗物料）及裝配次序等信息。在此基礎(chǔ)上，添加每道工序所需的裝配資源信息（包括設(shè)備、工夾量具等）、工序圖、裝夾及測(cè)量的注意事項(xiàng)、材料及工時(shí)定額信息等。

4 裝配過(guò)程仿真

在基于結(jié)構(gòu)化的裝配工藝中，利用虛擬仿真技術(shù)，對(duì)裝配過(guò)程進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，事前校核裝配方案的可行性，提高首件裝配的一次成功率。

裝配工藝仿真與驗(yàn)證可以包括以下5個(gè)方面：

（1）裝配干涉分析：分析產(chǎn)品與夾具、設(shè)備之間的干涉和操作空間情況。

（2）裝配過(guò)程仿真：裝配干涉檢查；裝配順序和路徑定義；工裝、夾具干涉檢查。

圖4 結(jié)構(gòu)化裝配工藝

（3）裝配容差仿真：尋求滿足公差要求的最佳裝配過(guò)程以及相關(guān)因素。

（4）工藝布局仿真：在三維工藝布局中，按照已經(jīng)設(shè)計(jì)好的裝配工藝流程，進(jìn)行產(chǎn)品、資源、流程及操作者之間融為一體的三維動(dòng)態(tài)仿真，使工作現(xiàn)場(chǎng)更加符合工藝布局原則。

（5）人機(jī)工程仿真：在虛擬環(huán)境中，分析校驗(yàn)裝配人員在裝配過(guò)程中的各種姿態(tài)、視野，對(duì)裝配人員的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。人機(jī)工程仿真主要包括以下幾方面：

· 可視性：人眼和視覺(jué)、測(cè)量工具等可達(dá)到的感知或工作范圍；

· 可操作性：裝配人員的身體能否到達(dá)裝配位置進(jìn)行裝配操作，空間是否便于操作；

· 安全性：對(duì)人員、設(shè)備的安全生產(chǎn)要求及造成的影響；

· 舒適性：負(fù)荷、空間、時(shí)間、色標(biāo)、勞動(dòng)強(qiáng)度等因素是否在裝配人員體力、心理、觸覺(jué)、視覺(jué)等承受范圍內(nèi)。

平臺(tái)集成了裝配工藝仿真系統(tǒng)，當(dāng)裝配工藝設(shè)計(jì)完成后，不需要數(shù)據(jù)導(dǎo)入或?qū)С?，可以直接調(diào)用工序中的JT模型到工藝仿真系統(tǒng)進(jìn)行工藝驗(yàn)證，驗(yàn)證裝配過(guò)程是否存在干涉、計(jì)算優(yōu)化的裝配序列、裝配最佳路徑，計(jì)算出的數(shù)據(jù)將保留在PDM中。最終利用軟件功能輸出仿真動(dòng)畫(huà)與圖示，仿真動(dòng)畫(huà)以數(shù)據(jù)集形式在裝配工藝節(jié)點(diǎn)下保存管理，選擇仿真動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)集，使用集成Mockup打開(kāi)即可對(duì)仿真動(dòng)畫(huà)進(jìn)行瀏覽、編輯。

通過(guò)裝配工藝的各種仿真與驗(yàn)證，可以在早期監(jiān)測(cè)和溝通產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少車間安裝和調(diào)試的時(shí)間； 減少工裝夾具的更改，降低夾具的制造成本；降低制造成本和提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量。

5 工藝卡片編制

工藝卡片編制在Visio中進(jìn)行。包括制作工序附圖、工步信息定義、添加工裝設(shè)備、添加輔料、生成報(bào)表、整本工藝創(chuàng)建等工作。

裝配附圖對(duì)裝配過(guò)程的描述有不可或缺的作用，系統(tǒng)可直接利用輕量化三維設(shè)計(jì)模型進(jìn)行附圖創(chuàng)建，創(chuàng)建的三維附圖添加到工序當(dāng)中，自動(dòng)與工序關(guān)聯(lián)，相比傳統(tǒng)將模型二維化再截圖的方式，表現(xiàn)更加直觀易懂，而且操作方便快捷。

為便于工藝信息在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)輸入與管理，通過(guò)定制、開(kāi)發(fā)統(tǒng)一工藝卡片格式模板，內(nèi)容包括工藝封面、工藝更改記錄表、工藝路線圖表、工序圖表、工藝編制說(shuō)明、零件目錄表、工夾具設(shè)備表、工藝輔助材料表等。工藝信息如零組件、工藝、工序、材料、車間等工藝信息可從工藝結(jié)構(gòu)中自動(dòng)繼承到卡片中，當(dāng)這些信息改變時(shí)，卡片中相應(yīng)內(nèi)容可自動(dòng)更新。

卡片中物料資源信息可從系統(tǒng)集成的制造資源庫(kù)中提取資源、物料信息（包括裝配零件、輔料，資源信息包括工裝、設(shè)備等）進(jìn)行填寫(xiě)，當(dāng)信息更改時(shí)，卡片內(nèi)容會(huì)自動(dòng)更新。

平臺(tái)通過(guò)開(kāi)發(fā)生成報(bào)表功能，支持工藝信息匯總輸出。在卡片內(nèi)容填寫(xiě)完成后，可利用開(kāi)發(fā)的“生成報(bào)表”功能生成零件目錄表、工夾具設(shè)備表、工藝輔助材料表，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提取結(jié)構(gòu)化的制造工藝數(shù)據(jù)，自動(dòng)匯總零件目錄、工裝夾設(shè)備表和輔助材料表等信息。

保存文件自動(dòng)輸出PDF。系統(tǒng)保存時(shí)，將Visio中卡片文件保存，自動(dòng)將文件轉(zhuǎn)換成PDF文件，并將PDF文件以數(shù)據(jù)集的形式掛到對(duì)應(yīng)工序節(jié)點(diǎn)下管理，每次更改保存PDF數(shù)據(jù)集都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行文件更新。

完成所用工藝設(shè)計(jì)任務(wù)后，使用“合成整本工藝”功能，程序?qū)⒐に囈?guī)程封面、工藝目錄、工裝匯總、各工序下對(duì)應(yīng)的PDF文件自動(dòng)排序合并成整本工藝，以PDF數(shù)據(jù)集形式掛在工藝節(jié)點(diǎn)下管理。

圖5 工藝審簽流程

6 工藝審簽歸檔

通過(guò)在PDM系統(tǒng)中建立工藝規(guī)程審批流程，如圖5所示。設(shè)定各個(gè)審簽流程節(jié)點(diǎn)并指定各節(jié)點(diǎn)審簽人，審簽人在流程的任務(wù)目標(biāo)下瀏覽工藝規(guī)程，并實(shí)現(xiàn)在PDF文件中寫(xiě)入審簽信息；平臺(tái)提供了工藝詳細(xì)審批信息記錄，支持圈閱信息的保存、對(duì)比和權(quán)限控制，支持面向工序的會(huì)簽，滿足不同條件下的會(huì)簽需求。

最后，檔案部門(mén)對(duì)工藝規(guī)程進(jìn)行歸檔，集中打印工藝規(guī)程并發(fā)布，流程結(jié)束，裝配工藝設(shè)計(jì)工作完成。工藝規(guī)程以電子或紙張的形式輸出，用于指導(dǎo)裝配生產(chǎn)線上的制造工程師和工人實(shí)施產(chǎn)品裝配過(guò)程。

結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)三維裝配工藝設(shè)計(jì)與仿真信息向下游延伸，本文提出了一種數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)方法，并對(duì)裝配BOM構(gòu)建、裝配工藝規(guī)劃、裝配仿真、裝配工藝編制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，探索出一套數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)新模式，全面提升了產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)水平，有力推動(dòng)了企業(yè)技術(shù)進(jìn)步與模式變革。

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