数字化装配工艺设计与仿真应用研究

韩炜 马平社

西安飞机工业（集团）有限责任公司,陕西 西安 710089

1 概述

在飞机制造过程中，装配工艺设计是一个复杂的组织协调过程，要求企业具有周密的计划、严密的组织、高度的协同工作，才能按计划高质量地完成各项生产工艺准备工作。传统的工艺设计主要依靠工艺人员个人技术水平与经验，根据产品的结构特征、企业的生产能力、生产组织方式等进行工艺设计。设计过程繁冗、复杂，质量因人而异，不能合理地综合利用企业资源，最终生产的产品往往难以全面、准确实现设计意图。

随着我国数字化设计制造技术的发展，目前，各主要飞机设计研究院已经具备了基于MBD技术的产品设计能力，各主要飞机制造企业也拥有了工装的数字化设计制造、生产资源信息的数字化化管理水平，具备了开展数字化装配工艺设计与仿真技术研究的基础。

开展数字化装配工艺设计与仿真技术研究，可以通过建立飞机虚拟样机（样段模型）、设备以及工装工具模型、人机工程虚拟环境、仿真过程等，对工艺方案进行人机工效分析，过程设计与仿真，最后生产工艺文件。从而实现快速高效、交互直观地进行飞机装配的工艺规划与设计；优化工艺过程，降低言研制风险；综合优化调配企业资源。

2 传统的装配工艺设计方法

目前，我国的飞机制造业仍然沿用传统的装配工艺设计方法。其特点及存在的问题主要有：

2.1 装配工艺设计属二维方式，表述不直观

传统二维工艺设计由工艺人员抽象理解，形成立体的装配空间与操作顺序，然后用平面（二维）方式表述。工艺设计的优劣主要由工艺人员个人的工作经验和技术水平决定。操作者再根据二维的工艺设计在大脑中再次构建三维装配空间，将装配内容、操作顺序反向还原，这样非常容易产生理解的二义性，造成装配错误。

2.2 不能满足三维数字化条件下装配工艺设计要求

传统的飞机研制过程中，产品、工装、工具、企业的组织结构、人力资源、生产能力等基本是通过二维图纸、文档等进行传递，导致了工艺设计对制造资源及装配工艺知识细节描述的淡化。不能充分利用产品、工装等三维CAD数据，不能完全消除工艺设计转换造成的与产品设计数据的不一致性，难以实现最优化的工艺设计。

2.3 无法进行三维工艺设计验证

传统工艺设计不具备验证能力，无法及时将装配中的干涉、操作空间开敞性、工具可达性等问题提前暴露。这些问题在实际装配阶段才会反映出来，必然会影响飞机研制的进度和质量。实际的型号研制也表明，在试制阶段装配车间的工艺人员大约80%的时间用于处理各类现场装配问题。

2.4 缺少科学的工艺设计优化手段

由于传统工艺设计以二维表述为主要方式，工艺设计更改、优化周期长，方案优劣依赖个人经验，缺乏定性定量分析手段，工艺设计质量因人而异。在生产节拍的安排、装配顺序设计、制造资源的使用等方面缺乏合理地、定量地控制，需要在后续过程中不断进行改进优化，增加了研制的周期与成本。

图1 DPE、DPM下的数字化装配工艺设计、仿真流程

3 数字化装配工艺设计、仿真

数字化装配工艺设计和仿真是在计算机提供的虚拟空间内，融入知识管理的概念，对产品、工装、工具、工艺过程等用数字化模型表示全部行为，为人们提供一个飞机装配全过程的三维可视化及交互的虚拟现实环境。

通过装配工艺设计及过程仿真，可以提前暴露并解决实际装配过程中的产品与工装工艺性差、工艺流程不合理、各站位工作量安排不合理等问题，有效地提高产品质量、缩短装配周期、降低产品研制风险、减少研制成本。

与传统方法相比，数字化装配工艺设计有以下优点：

（1）以产品设计数据为源，在工程设计数据基础上通过增加、补充工艺设计内容的方式，建立工艺装配模型。该设计方法可以有效保证工程数据的唯一性。

（2）工艺详细设计时，工艺人员很容易获得工艺知识、制造资源等详细数据，为工艺设计提供了坚强、可靠、科学的支持，在很大程度上提高了工艺设计的标准化与规范化，提高了工艺设计质量，降低制造风险与成本。

（3）三维的工艺设计与仿真，使得工艺人员可以用多种视角，直观地完成工艺设计、工艺仿真、产品和工装的工艺性分析、工艺过程优化、工艺文件的输出等工作。

（4）三维工艺设计与仿真结果可以通过文字、图片、视频等多种形式输出，下游工作人员不需要接受任何专业培训，就可以方便直观地使用工艺设计数据，有效避免了传统工艺文件理解的二义性问题，明显节省下游工作人员工作量，提高产品数据利用率，提高工作效率。

4 基于中央翼数字化装配工艺设计与仿真

4.1 中央翼装配特点

某型机中央翼是飞机大部件对接的基准，需要分别与中机身、外翼进行对接。该组件装配具有协调部位多、定位精度要求高、工装定位器多、工人操作困难等特点，使得装配工艺设计过程繁琐、复杂。采用传统工艺设计模式，很难保证完整、准确地继承工程要求、合理地规划装配流程、清晰地表达工艺要求，工人在操作过程中不能准确地掌握设计、工艺要求，存在较大研制风险，数字化装配工艺设计与仿真可以在工艺设计过程中有效地发现并解决大部分问题，从而降低研制风险。

4.2 数字化装配工艺设计与仿真

中央翼数字化装配工艺设计与仿真的主要过程为：首先，在DELMIA的平台下，将工程数据（CATIA文件）导入数字化工艺设计环境（DPE，二维环境），以工程物料清单（EBOM）为基础，通过划分工艺路线、工艺组件，构建工艺物料清单（PBOM）；其次，在数字化工艺仿真模块（DPM，三维环境），创建和模拟三维装配顺序，构建产品的制造物料清单（MBOM），并完成产品的人机工效分析，过程设计与仿真；然后，依据三维仿真效果，优化工艺设计。数字化装配工艺设计、仿真流程如图1所示。

4.2.1 数据载入

不同企业在工作流程、管理控制方面各不相同，为此必须对DPE结构模块进行PTS定制（即工艺模板的定制），这样软件才能满足企业现有的工艺流程模式，实现工艺信息的顺利添加。这些信息通过PPR HUB保存在DELMIA服务器中。

DELMIA中产品、资源等模型的载入是在DPE环境下实现的。产品、资源数据需要通过相应的发放平台载入到DELMIA服务器。如何实现数据载入，这取决于企业的数据管理模式。

各类资源经PTS定制，可分为专用刀量具、通用工具、专用工艺装备、辅助工装及其他资源。这类数据的载入比较简单，只需连接资源库中数据模型就可实现。

4.2.2 工艺过程规划

DELMIA环境下的工艺过程是一种从顶至下、逐级划分的MBOM构建的过程，工艺人员需要根据工程数据结构、车间生产组织模式等因素规划装配流程，划分装配单元，每个装配单元下面根据实际生产内容可以创建不同的工序。工艺规划过程可以在DPE环境下直接创建，也可以在DPM环境下根据产品结构进行划分，所有工艺规划结果在DPE环境下进行管理。

产品树上的所有零件、标准件信息需要与相应工序相关联。同样，其它的资源如工装、工具等也需要与相应的工序进行关联，这些信息在DPE环境进行管理。这样，工序中就可以呈现完整的配套内容，包括零件配套、标准件配套、资源清单等信息。这些信息还可以在DPM下进行完善。

4.2.3 资源库建立

利用工装、吊挂、吊车、零件架、运输车等资源的三维模型，在Device Building模块下对装备、型架的运动机制进行定义和编辑（也可以在电子样机的运动机制模块中定义），使其满足装配工作的需求，为模拟装配准备装备资源。这些资源需要按类别建立各类资源库，在DELMIA服务器下进行统一的数据管理。

图4 PERT图

4.2.4 工艺过程与人机工程仿真

工艺过程仿真需要将DPE环境下规划的装配项目在DPM环境下，按照装配顺序完成详细的三维工艺过程设计即模拟装配。模拟装配结果需要通过装配仿真，检查装配过程产品、资源是否发生干涉、工艺流程是否合理，中央翼装配安装仿真见图2。

图2 安装仿真

在DPM环境下，还可以通过人机工程的仿真，检查工人操作的舒适性、产品的开敞性、工具的可达性等。中央翼装配人机工程仿真见图3。

4.2.5 工艺过程优化

依据仿真结果，工艺人员需要对仿真过程中存在的干涉、装配流程不合理、开敞性差等问题进行优化设计。装配顺序可以通过PERT图进行详细调整。中央翼装配PERT图见4。同时，通过甘特图可以对装配单元的工作时间及节点进行清晰表示，使工艺人员定量地掌握每项工作的工作量，从而优化工艺过程，实现连续、节拍、均衡生产。

仿真结果作为装配指令的一部分在DPE环境下进行统一管理、发放，也可以作为视频文件进行输出。

4.3 实施效果

通过装配基于某型机中央翼数字化装配工艺设计与仿真研究与验证，初步探索出了DELMIA环境下数字化装配工艺设计、仿真的模式和流程，建立起了三维装配工艺设计及验证系统。实现了：

（1）在数字化工艺设计环境下，进行工艺过程规划；

（2）在数字化工艺仿真模块下，进行工艺仿真、人机工效分析；

（3）在数字化工艺仿真模块下，装配过程的优化。

5 结束语

本文通过对传统的装配工艺设计和数字化装配工艺设计与仿真的优缺点进行分析，介绍了在DELMIA环境下开展某型机中央翼数字化装配工艺设计与仿真方法与思路。

通过实际验证可以看出，利用DELMIA的数字化工艺设计与仿真系统能够直观、定性、定量地分析每一个仿真细节，将以往大量需要在试制过程中验证、优化的内容，提前在计算机网络环境中进行了验证与优化。达到了提前发现问题，解决问题的目的，明显提高了工艺设计质量，有效提高了装配效率和质量，缩短产品的研制周期，降低研制费用与风险，合理综合利用企业资源。

就目前来看，数字化工艺设计与仿真在设计制造并行工作、工艺设计过程、工装设计过程、检验程序制定、工艺文件发放与使用、生产组织模式的等多方面都与以往有很大不同，它的深入应用与实施需要一整套的体系及规范来指引。需要众多部门共同协作，打破以往飞机研制模式，更为广泛与深入地进行研究，制定一套合理可行制度与措施，从而真正意义上实现飞机的数字化制造。

[1]余锋杰，王青，李江雄等.飞机自动化装配过程数据集成与实现.浙江大学学报（工学版）.2009/2