三维数字化装配工艺设计论文

1国内外装配工艺设计的现状及发展方向

随着CAD/CAM/CAE以及计算机信息和网络技术的发展，欧美各航空制造大国均已全面采用三维数字化设计和制造技术，全面采用三维数字化产品定义和仿真技术，从根本上改变了传统的飞机设计与制造方式，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平。波音公司在波音777飞机的研制过程中，由于全面采用了该项新技术，使研制周期缩短50%，出错返工率减少75%，成本降低25%，其研制过程是数字化设计制造技术在飞机研制中应用的重大突破。近几年在美国波音787、F-35、欧洲A400M及A350的研制中，数字化设计及装配技术有了更为深入的应用[1]。近几年，国家加强了对航空业的扶持力度，我国的航空制造业迎来了高速发展时期。当前一些新型号的研制已全面采用了基于MBD的全三维产品设计，飞机产品设计已全面实现三维无纸化设计，取得了产品从二维模拟量到全三维数字量的革命性突破，也为进一步实施数字化制造打好了坚实的基础。目前零件制造部门使用MBD数据已较为顺利，大大减少了因工人对图纸理解偏差导致的质量问题；然而装配工艺设计部门依然按照传统方式进行装配工艺的规划和设计，导致三维数字化的产品数据在装配工艺设计阶段出现断层，使得三维数字化的产品设计数据无法准确顺利地往下一级流动，需要大量的人员手工参与，数据的准确性、连续性被破坏，装配指令（即AO）的编制完全采用文字或者插入少量图片的方式进行表达，工人现场使用时还需参照大量设计技术文件以及各类工艺性文件，可读性和操作性极差，一线操作者意见很大，普遍存在师傅干什么徒弟干什么的情况，无法起到指导现场操作的作用。因此装配工艺设计部门需要适应全三维数字化设计的新形势，采用基于MBD的三维数字化装配工艺设计系统进行装配工艺的设计和规划，利用设计部门在VPM协同设计系统中设计并发放的产品三维数模，通过数据接口将产品数据导入装配工艺设计系统中，并将产品三维数模的路径关联到每个零件上，在三维可视环境下进行产品的装配工艺规划及工艺设计，直观地反映装配状态，最后生成现场使用的三维可视化装配指令指导现场生产。

2基于MBD的三维数字化装配工艺的设计过程

基于MBD的三维数字化装配工艺设计不仅仅是指编制三维装配指令，而是贯穿飞机设计的整个过程，在整个过程中不同阶段有不同的侧重点。这个过程主要包含以下三个阶段：第一阶段：工艺系统接收产品初步设计数据，分析产品结构特点，与设计人员协商初步确定工艺分离面并制定初步的装配方案，然后在三维仿真软件内进行装配方案可行性的初步分析，制定总体装配方案，分析可能的装配难点和重点。第二阶段：工艺系统接收产品较高成熟度的MBD设计数据，在三维仿真软件内对重点部位（必要时对全部）结构件、管路、自动化装配设备等进行装配过程和人机功效的详细仿真分析，发现并解决产品、工装以及工艺方面的问题并给出解决方案，如图1～图3所示；这个阶段的工艺工作主要包括：装配顺序的创建和优化；装配路径设计和优化；装配工艺过程仿真模拟、人机功效模拟、自动化定位及制孔设备等的工作仿真。利用三维数字化仿真软件对产品的组件或部件进行装配过程规划，确定组件或部件内零组件的装配顺序；按照工厂现有装配条件和装配单元工作内容，进行装配路径的仿真和优化；最后在数字化装配仿真系统中进行零组件或自动化设备的装配过程及人机功效的仿真模拟，分析装配工艺过程的可操作性和合理性，发现并解决数字化产品模型装配过程中所遇到的产品、工装以及工艺设计中的各类问题，同时也可以进行工具等的选型工作[2]。第三阶段：接收设计部门的最终三维MBD设计数据，创建顶层MBOM以及PBOM等工艺数据，在数字化工艺设计系统中进行装配工艺的详细规划和细节设计以及资源库的创建，在三维可视化的环境下进行零组件以及标准件的划分，在全三维的环境下对装配指令进行工步级的细节编辑，最终生成现场使用的三维可视化工艺指令。

3三维数字化装配工艺设计系统的架构和工作模式

3.1三维数字化装配工艺设计系统的架构

本文所述的装配工艺设计系统是基于达索公司的DELMIA软件平台进行开发的三维数字化装配工艺设计系统，DELMIA软件平台分DPE和DPM两个工作环境，DPE侧重数据管理和工艺规划，DPM则提供一个三维可视化的环境便于产品数据的划分和装配仿真等工作。由于DELMIA只是提供了一个平台且目前MBD设计标准不统一，故需要在原有基础上进行客户化定制和开发，本系开发了多种辅助工艺设计工具以便工艺设计人员只需极少的文字输入即可完成工艺设计，所有关键数据均直接继承自产品MBD数模，保证了工艺信息的完整和准确；此系统中最为复杂难度最大是MBD数模中标准件的处理和划分，由于大型飞机标准件数量都在数十万甚至上百万件以上，采用实体建模将会产生天量的数据，因此目前飞机标准件设计大都采用点线等元素进行简化表达，无法使用DELMIA中标准功能进行标准件的工艺规划，因此系统开发了一套专门处理标准件模型的工具，本系统也是国内目前唯一实现了对以点线表达的标准件识别和划分的系统，如图9所示。本系统依托VPM协同设计平台提供MBD产品数据，在DELMIA中完成PBOM的创建、顶层MBOM的划分、三维装配指令的设计并向协同平台提供底层MBOM以及三维装配指令等数据，由系统平台进行管理和发放。三维数字化装配工艺设计系统的流程及架构如图4所示，整个三维数字化装配工艺设计系统始终保持设计数据的一致性，保证数据的准确性及完整性，同时本系统可给生产管控系统（MES）以及ERP系统设置数据接口[3]。

3.2三维数字化装配工艺设计系统的工作流程

三维数字化装配工艺设计系统主要由需要工艺管理部门和各车间工艺设计部门使用和管理，工艺管理部门和各车间工艺设计部门必须紧密协同才能顺利开展三维数字化装配工艺设计，同时工艺管理部门需要给予车间一级足够的权限，毕竟车间一级工艺人员对产品设计特点有更深入的了解。工艺管理部门主要负责三维装配设计系统数据的顶层设计，其利用DELMIA中的DPE环境下的数据接口进行EBOM导入，通过对EBOM的重组增加工艺组件和路线定义等形成PBOM；在PBOM的基础上构建顶层MBOM；根据各厂际分工要求进行大部件级的顶层工艺组件的划分，如图5所示。各车间工艺技术主管接收工艺管理部门下发的数据，进行各车间内部工艺面的进一步划分并将之分派给具体每个工艺员；工艺员接收工艺主管分发的具体某个装配单元的数据，进行本装配单元装配工艺的层次划分以及具体工步的分解，在DPM三维可视化的环境中中进行零组件及标准件的划分，然后在DPE环境下进一步进行装配可视化修饰等细节编辑，但对于装配工艺所需飞机装配技术条件、材料、工艺规范文件等全部采用专门开发的工艺设计工具进行创建以保证编制数据的准确和完整。最后直接在DPE中输出结构化和标准化的三维装配指令并提交审批，经过审批的装配指令发送到协同平台进行统一进行发放及管理，以上过程见下图6～图14所示。三维装配指令审批发送到系统平台后由工艺管理部门统一管理，不属于装配工艺设计的范畴，本文不再赘述。

4基于MBD的三维数字化装配工艺设计的优势及要求

4.1基于MBD的三维数字化装配工艺设计的优势

1）采用基于MBD的三维数字化装配工艺设计，彻底解决了制约装配工艺设计过程中涉及的数据准确性、完整性的问题，整个装配工艺的设计完全基于设计的MBD数模，保证了与设计数据的一致性；2）工艺人员在三维可视化的环境下进行装配工艺的规划、仿真和设计，使得装配工艺设计更加直观更有操作性，通过装配路径仿真、人机功效仿真以及自动化设备工作仿真等可提前发现存在的设计、工装及工艺规划包含的问题并提前予以解决，大幅减少现场实际生产时的各类问题，提高生产效率并大幅降低生产成本；三维可视化装配指令设计系统使工艺人员完全从枯燥的文字编辑以及事后数据校对中解放出来，工艺人员只需关注装配工艺的可行性和合理性，无需花大量精力进行数据准确性和完整性的检查；3）在三维数字化装配工艺设计系统中输出的三维装配指令彻底颠覆了传统文字化的装配指令，工人只需在系统输出的三维可视化装配指令中进行简单操作即可，无需查找大量的图纸、设计技术文件以及其他工艺性文件，做到了可见即所得、所得即所需的效果，同时工人还可在装配指令的三维视图中对轻量化的设计数模进行各类尺寸的直观测量，便于工人现场操作的进一步了解；4）三维数字化装配工艺设计系统可输出装配部门准确完整的底层MBOM，有利于ERP以及MES系统的实施和管理；5）三维数字化装配工艺设计系统可以与装配知识库系统紧密集成，使得公司积累的知识在装配工艺设计时顺利地的共享和调用；6）工艺管理部门可利用DELMIA软件平台中DPE模块对整个装配数据进行有效的管理，保证下游数据的完整性和准确性，利于工艺设计部门编制完整准确的装配指令。

4.2基于MBD的三维数字化装配工艺设计的要求

1）基于MBD的三维数字化装配工艺设计要求有准确、完整及规范的且严格执行的MBD数模，产品设计数据是所有下游数据的源头，设计数据是否准确、完整及规范是决定三维装配工艺设计系统是否顺畅和准确最关键的要素。因此产品设计部门必须要有科学合理的与制造部门协商过的MBD设计标准和规范且必须严格执行，否则必定会导致整个下游其他系统的数据的混乱和实施困难[4]。2）工程制造部门也须有严格的与设计部门MBD设计标准和规范相协调的各类工艺规范且必须严格执行，用以支撑三维数字化装配工艺设计。本文所述的装配工艺设计系统在开发过程中发现产品设计标准很大程度上体现的是传统二维设计模式的思想，不能很好的适应当前基于MBD的三维数字化设计要求，而且设计人员没有严格执行现有标准化要求，特别是以点线表达的标准件模型存在大量的格式错误等不规范设计，导致系统开发比较缓慢，仅为了解决标准件数模处理和划分就占了近三分之一的时间。因此产品设计应开发专用的标准化设计工具和数据库用以支撑基于MBD的产品设计，同时需要借助专业化的软件工具对MBD产品数据进行标准化等项目的批量检查，最大限度地减少因人为因素导致的产品数据错误。3）工艺设计人员必须具备相当的工程经验，熟练理解并掌握三维数字化装配工艺设计系统所涉及的理念和软件使用要求，三维数字化装配工艺设计系统对工程技术人员来说只是工具，它本身无法识别工艺设计和规划的合理性和可行性，这些都必须由工艺设计人员依靠经验和知识确定。

5结束语

基于MBD的三维数字化装配工艺设计系统的实施，实现了了产品数据向装配数据的顺利传递，实现了装配工艺的三维可视化设计和规划，保证了装配数据的完整性、准确性和可操作性，是装配工艺设计的革命性突破，工艺设计人员能够采用三维可视化技术读取这些信息，一线操作人员能够准确、迅速地查阅装配过程中需要的信息，提高装配的准确性和装配效率，缩短装配时间。然而进行三维数字化装配工艺设计，必须建立科学有效的产品数字化设计、数据输出、数据传递和管理的流程和标准规范体系，才能将产品几何信息和非几何属性信息（如装配顺序说明或动画、装配产品结构以及其他技术要求等信息）准确完整的传递到操作者手中，达到对装配过程和结果准确管控的目的；不管是基于MBD的产品设计还是工艺设计，都是信息化的范畴，其核心并不是采用了什么软件和技术，关键还是企业业务流程的改进和工艺、标准化等专业技术的不断进步。

作者：巩玉强 单位：中航通飞华南飞机工业有限公司