基于数字化协同制造的飞机装配工艺设计

沈清方，艾 奇

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

传统的飞机制造装配协调工艺技术采用的是基于模拟量传递方式为主的模线-样板-标准工装 （模板、样件、量规等）工作方法[1]。其装配协调的工艺技术方法复杂，难度大；另外，在传统的飞机研制过程中，工艺生产准备、装配工艺设计等，都是依靠人工经验和手工的方法进行的，包括利用模线、样板、标准工装进行协调，利用人工方法依据二维纸质文件/图样进行工艺过程的设计/编制，所有产品设计结构上的协调都是依靠模线进行的，产品、工装在制造过程中都是靠样板进行协调的等。工艺方法协调性、可靠性均较差，环节特别多，效率低，周期长，质量难以保证稳定。而自20世纪80年代以来，计算机辅助设计/制造 （CAD/CAM）技术、计算机信息技术、自动化技术和网络技术等迅速发展并成熟了起来，也使飞机产品数字化设计制造技术随之迅速发展并成熟起来。以美国为首的西方发达国家首先开始研究和采用这一新技术，并尽快把它应用到了航空航天制造业中。这项技术以全面采用数字化产品定义、数字化预装配、产品数据管理、并行工程、虚拟制造技术、整体结构件NC加工技术、复合材料成形技术、激光定位跟踪技术和各种自动化定位技术为主要标志，从根本上改变了飞机传统的设计与制造方式，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。因此如果我国航空制造业要在当前国际航空制造业的激烈竞争环境中立足，那么采用数字化飞机装配制造技术是当前我国航空制造业发展的必由之路。

1 基于MBD技术的飞机数字化协同制造

1.1 MBD技术概述

随着CAD技术在90年代末加入了三维标注的功能以及ASME开展了系列数字化定义标准的研究，并使用三维设计系统在三维数据集中定义所有的产品信息，一个全新的产品图样概念： “MBD”诞生了，它完全替代了二维工程图纸的作用，MBD用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，详细规定了三维实体模型中产品定义、公差的标注规则和工艺信息的表达方法，三维实体模型成为生产制造过程中的唯一依据,改变了传统以工程图纸为主而以三维实体模型为辅的制造方法。

1.2 基于MBD技术的飞机数字化并行设计

由于采用了MBD模型进行产品的定义并向后续的制造装配环节传递，因此，在全三维的模式下进行装配工艺的设计将与传统的二维模式产生很大的不同，使得设计、工艺和工装部门可以并行工作，而这需要依托一个协同平台，飞机数字化装配技术的理论基础就是并行协同研制模式，所以在飞机数字化装配技术中必须要有一个协同平台，让整个装配业务流程中所有相关的人员/信息/系统通过它关联起来，从而提高产品的装配工作效率；飞机数字化装配技术中的三维设计系统是伴随着CAD技术、CAM和数字化测量集成技术的发展得到逐步完善。因此，通过三维设计系统，我们可以定义出飞机产品的产品数据集，它是由设计、工艺、工装和检测人员的协同定义而生成的，包括从设计数据、工艺数据、工装数据到生产检验的各级数字样机，并使其成为后续进行装配安装、检验工作和建立单一产品数据源的基础，以及开展协同工作的对象。所有工作围绕设计系统 （VPM）与工艺/装系统（DELMIA）的协同与更改来实现，基于MBD的设计（VPM）和工艺/装 （DELMIA）系统的协同工作机制（见图1）。在这一平台上通过采用专用软件工具辅助工艺员、工装设计员进行工艺和工装的设计，确定关键特性和协调方案，制定装配流程、装配方法，及各装配环节所需要的制造资源 （见图2），本文重点介绍在这一平台上采用法国达索公司数字化制造软件DELMIA进行装配工艺设计的方法。

图1 设计（VPM）和工艺/装（DELMIA）系统协同工作机制

图2 设计（VPM）和工艺/装（DELMIA）系统协同工作流程

2 基于DELMIA的飞机数字化装配工艺设计

某型号飞机产品设计采用全数字化产品定义，产品设计只输出基于MBD的三维数模，与传统的产品设计输二维图样和技术条件的工艺设计完全不同，工艺设计部门针对该型号工艺设计工作总结出了一套新的工作方法，该方法主要依托DELMIA软件中的的DPE(Delmia process engineer)和DPM(Delmia process manufactury)模块来实现，以下简单介绍该方法在该型机工艺设计工作中的应用。

2.1 基于DPE的三维装配工艺规划

装配工艺规划就是通过分析飞机的结构和特点来确定装配方案。设计部门的数字样机为工艺部门提供了数据基础。在三维环境下，产品的外形和实体模型都呈现在工艺人员面前，工艺人员可以直观地测量和分析，确定工艺分离面、指令性装配顺序图、主要零组件装配基准及定位方法、主要协调部位及方法、装配工位、部件的装配顺序和部件对合方案，并在上述工作进行的同时开展相应的工装的设计和制造工作[2]。具体工作分为工艺模板定制和详细工艺规划两个方面。

2.1.1 使用DPE进行工艺模板定制

飞机装配工艺模板的定制首先要建立典型装配工艺流程的Process Library，在DPE模块文件菜单的Library工具条下，建立某机型工艺流程模板；同时在Process Plan types下建立典型工艺流程模板树，并设定其相对关系及属性，在Resources Plan types下建立典型资源树模板，并设定其相对关系及属性，在Product Plan types下建立设计视图，实际应用时直接导入产品EBOM（见图3）

图3 DPE中某机型工艺流程模板

2.1.2 使用DPE进行详细工艺规划

飞机装配的详细工艺规划首先需要应用建立好的典型装配工艺流程库，在DPE中建立新的工程项目，并建立PPR构架；然后导入产品数据：在product结构树中建立产品EBOM，将产品三维数模链接到结构树下；再按照产品结构特点，划分出工艺分离面，在process结构树中建立产品工艺结构树；然后将产品数据指派到相应的工艺节点下，并在各节点下注明主要零/组件的装配方法、定位基准、完工状态等信息 （产品数据指派完成后，运行相关脚本程序，软件可按照各工艺分离面包含零/组件情况在product view下生成产品PBOM）。最后根据建立好的产品工艺树搭建产品资源树 （搭建的工艺结构树如下图4）。

图4 DPE中某机型工艺结构树

2.2 基于DPM的飞机数字化装配详细设计与仿真

2.2.1 基于DPM的详细工艺设计

DPM数字化装配仿真在该型号工艺设计工作中的实现首先需要建立典型工艺流程库；其次新建Process文件，搭建PPR构架，导入产品数据与资源数据；然后在DPM中调用制作好的工艺流程库，搭建产品工艺流程树，参照现有AO指令建立AO级子项目，将所有部件的参装零件指派到相应AO中；然后再制作零件运动过程仿真和人机过程仿真，最后在PERT图中调整AO顺序，形成完整的装配过程仿真（见图5，图6）。

图5 DPM环境下某机型装配仿真设计

图6 某机型装配工艺仿真PERT图

上述所有工作完成后，主管工艺人员则可发出部件装配协调方案，标工协调图表、工装品种表、成套件图表等指令性文件，并进行标准工装订货；车间工艺员可根据相关信息初步提出工装订货，并着手在CAPP（计算机辅助工艺设计系统）中进行详细工艺设计，进行生产面积测算和工艺布局方案初步设计，实现并行工作，值得一提的是车间级工艺人员现在可以使用在CAPP中结合3DVIA-Composer软件协助工艺文档编制，3DVIA-Composer是一款完整制作产品说明文档的软件，可以使用它在产品设计的同时制作大量的3D描述文档 （如3D插图等），使以往二维平面AO指令显性化、直观化，便于现场操作人员理解执行。而在工装设计方面，工装设计可进行初步方案设计 （确定型架形式、产品定位方法等），利用三维可视化的环境对工艺分离面下的零、部件进行装配顺序仿真，就可以完成工装的初步及详细设计，大致过程为：首先利用之前的工艺分离面下产品数模及工艺信息的描述，确定工装的框架大小及框架形式，其次利用装配顺序仿真，确定工装的总体设计方案，如：主 （重）要零、组件的定位方式，产品出架方式等。最终对零件装配顺序逐一进行仿真播放，确定工装的详细设计方案，如：全部零、组件的定位器形式、定位方法、使用方法等，应用DPM模块的装配仿真功能进行装配工装设计，直观、真实的反映了零件的装配顺序和零件与工装的相对关系，大大降低了对工装设计员的经验和空间想象力的要求，极大提高了工装设计的效率、正确性和合理性，同时为实现并行产品工艺设计提供了强有力的工具。

2.2.2 装配仿真与工艺优化

装配仿真与工艺优化工作的方法见图7。首先在AO下建立工序，编写工序内容。

其次在工装设计结束后，将厂房、工装、工具、工人等资源模型数据导入DPE中（通用工装、工具等可在资源库中调用），结合产品一起，制作组件、段件、部件的装配路径。然后按工序进行零件运动路径仿真及优化。以上工作完成后，在DPM中进行产品装配过程演示，检查产品装配顺序合理性，检查运动过程干涉情况，根据演示中出现的问题调整AO顺序，从而优化工艺设计。

图7 DPM环境下某机型装配仿真与工艺优化

3 飞机数字化装配工艺设计的实施意义

在该机型研制工作中,对基于MBD应用DELMIA软件进行了数字化装配工艺设计与仿真工作，解决了以往产品研制工艺准备中使用传统工艺方法出现的一些问题。通过三维展示使装配工艺设计工作显性化，而通过装配仿真验证可预先发现并解决产品、工艺设计、工装设计不合理以及通路验证、工艺布局等方面的问题，根据模拟、分析和装配工效评估的结果可对工艺方法、工装结构和生产线布局等进行修改和优化，确保了产品工艺设计和工艺资源配备的合理性，并为工艺设计无纸化及设计、工艺、生产并行工作奠定基础，提高了工艺设计、零组件及工装制造的准确性、协调性和可靠性，从而提高了型号试验件的装配质量和效率。与以往的型号研制相比，在该机型试验件生产制造中，装配工装设计或制造协调问题比以往减少了90%以上，部装中的零组件装配协调问题也减少了90%以上，极大地缩短了设计变更、工艺规划和工艺准备时间，有效降低了操作人员工作难度、生产成本，提高了工作效率。

4 结语

飞机的装配是一项技术难度大、复杂程度高、涉及学科领域多、协作关系复杂的综合性高技术，由于飞机产品要求高可靠性，且使用周期长、对装配质量要求十分严格，因此，只有将现代化飞机装配数字化技术应用于飞机制造业中，才能满足其发展要求。

[1]范玉清.现代飞机制造技术.北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[2]航空制造工程手册总编委会.航空制造工程手册（第2版，飞机装配）.北京:航空工业出版社,2001.