飛機具有零件數(shù)量巨大，外形結構復雜、內部空間緊湊、協(xié)調關系復雜、可靠性要求高、研制周期長等特點，作為整個飛機制造過程中的關鍵和核心的裝配工作，直接影響飛機研制的周期和飛機產(chǎn)品最終的質量。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，近年國外的飛機制造企業(yè)，在數(shù)字化裝配技術方面不斷迅速發(fā)展，以B787、A380、F-35等為代表的新機集中反映了國外飛機數(shù)字化裝配技術發(fā)展趨勢。洛克希德一馬丁公司在研制JSF戰(zhàn)斗機X-35過程中明確提出：采用數(shù)字化裝配技術，要使JSF飛機裝配制造過程的周期縮短67%，工裝減少95%，制造成本降低50%?？湛凸驹陲w機研制過程中通過實施數(shù)字化設計與制造技術，把產(chǎn)品的試制周期從4年縮短為2.5年。波音公司以Boeing-777為標志，建立了世界第一個全數(shù)字化樣機。采用產(chǎn)品數(shù)字化定義(Digital Product Definition，DPD)、數(shù)字化預裝配(Digital Preassembly，DPA)和并行工程(Corrcurrent Engineering，CE)，達到比傳統(tǒng)方法設計更改和返工減少50%，研制周期縮短50%的顯著效果，保證了飛機設計、制造、試飛一次成功。

國內近年來開展了大量飛機數(shù)字化裝配技術相關研究。許旭東，陳嵩等通過研究基于模型產(chǎn)品數(shù)字化定義(Model-Based Definition，MBD)的三維裝配命令(Assembly Order，AO)編制技術，實現(xiàn)了三維工藝設計，確立了基于MBD的產(chǎn)品設計、資源設計與工藝設計技術路線，實現(xiàn)了從面向制造過程設計(DELMIA Process Engineer，DPE)中工藝規(guī)劃、組件劃分、裝配仿真等數(shù)據(jù)的重用；三維AO在現(xiàn)場的應用使裝配過程更加直觀、清晰，有利于提高產(chǎn)品質量；三維Composer數(shù)據(jù)更加輕量化，數(shù)據(jù)應用更加靈活。景武，趙所等采用數(shù)字企業(yè)精益制造的交互應用(Digital Enterprise LeanManufacturing Interaction Application，DELMIA)軟件對翼盒、機身段、管路等關鍵裝配過程進行了仿真，發(fā)現(xiàn)了大量產(chǎn)品設計、工裝設計和工藝設計問題，并提出了工藝優(yōu)化設計方案。畢利文等在ARJ 21飛機機頭裝配工藝設計中采用DELMIA，通過DPE工藝規(guī)劃，數(shù)字化制造工藝(Digital Process for Manufacturing，DPM)虛擬裝配仿真，結合計算機輔助工藝過程設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)集成生成了二維工藝報表，從整個過程來看，未對DELMIA進行深度開發(fā)定制，沒實現(xiàn)對裝配數(shù)據(jù)的管理和直接生成三維裝配指令。

縱觀以上研究，盡管在構建數(shù)字化裝配系統(tǒng)平臺上取得了顯著效果，但飛機數(shù)字化裝配工藝設計技術還存在以下問題：①三維工藝設計、仿真及優(yōu)化技術有待完善；②三維數(shù)字化設計與制造系統(tǒng)之間的集成有待加強；③固有的管理模式與生產(chǎn)方式?jīng)]有按照數(shù)字化技術的要求實現(xiàn)再造；④數(shù)字化設計、制造基礎技術體系缺乏相關規(guī)范和標準等，為此，文中采用三維數(shù)字化技術在傳統(tǒng)工藝設計基礎上對飛機裝配工藝進行計算機輔助設計，結合飛機裝配工藝業(yè)務分析在三維數(shù)字化環(huán)境中進行飛機三維裝配工藝整體設計，通過飛機產(chǎn)品工藝分離面劃分與物料清單(Bill of Materials，BOM)重構編制三維裝配指令，以期實現(xiàn)飛機裝配工藝三維數(shù)字化設計。

1 飛機裝配工藝的業(yè)務分析

在飛機制造企業(yè)中，裝配工藝設計是一個工作量大、技術難度高，并且影響飛機裝配質量和裝配工作效率的重要技術工作。傳統(tǒng)的裝配工藝設計過程：工藝規(guī)劃人員以文字、簡單圖表以及二維圖示方式描述工藝裝配總方案，裝配順序圖表，主要工藝分離面的劃分及工藝設計的要求，形成裝配協(xié)調方案；工藝設計人員根據(jù)方案提請相關工裝設計，編寫制造、裝配指令，主管工藝員將所負責組件的詳細工藝設計結果（裝配指令）按架次定版，并打印二維裝配指令、零件配套及標準件配套等。

隨著飛機設計部門已全面實現(xiàn)三維數(shù)字化設計和三維發(fā)圖，傳統(tǒng)裝配工藝設計方式已無法滿足現(xiàn)今的裝配工藝設計與生產(chǎn)需要。工藝部門需構建一種基于三維化工藝設計與仿真驗證的數(shù)字化集成應用環(huán)境，以支持與上游設計端應用系統(tǒng)的集成開發(fā)。三維數(shù)字化裝配工藝設計技術，主要是通過客戶化定制的數(shù)字化工藝設計系統(tǒng)提供的工藝規(guī)劃模板、三維制造過程仿真驗證技術、三維裝配指令的輸出、生產(chǎn)現(xiàn)場可視化技術等，貫通全機工藝布局的規(guī)劃、組件工序設計、裝配指令編制、裝配仿真驗證、現(xiàn)場查看三維指令等整個過程，在數(shù)字化工藝設計系統(tǒng)上，直接利用設計發(fā)放的三維零件模型，實現(xiàn)飛機整機劃分大部件，大部件劃分部件，部件細分為組件的整個過程。

基于數(shù)字化工藝設計系統(tǒng)的裝配工藝設計工作，對比傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗進行劃分，具有工作直觀、調整方便等優(yōu)點，并且能夠隨時進行裝配仿真分析和驗證，可減少裝配工藝設計缺陷，三維數(shù)字化裝配工藝設計技術已成為現(xiàn)代飛機研制中的重要技術手段。

2 裝配工藝的三維數(shù)字化設計

2.1 裝配工藝設計系統(tǒng)環(huán)境的構建

三維數(shù)字化裝配工藝設計技術是在三維數(shù)字化設計、數(shù)字化制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等技術基礎上發(fā)展起來的新技術，三維數(shù)字化裝配工藝設計依賴一體化的設計制造數(shù)字化環(huán)境。文中以某飛機制造企業(yè)為例，根據(jù)企業(yè)數(shù)字化裝配系統(tǒng)架構要求，分析裝配數(shù)字化系統(tǒng)需求，構建了裝配工藝數(shù)字化設計系統(tǒng)環(huán)境架構，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

文中采用PTC公司W(wǎng)indchill系統(tǒng)作為企業(yè)級協(xié)同制造管理平臺，管理各種BOM信息，其主要作用包括：①接收產(chǎn)品設計材料工程單(Engineering Bill of Material，EBOM)數(shù)據(jù)；②企業(yè)部數(shù)據(jù)二次發(fā)放；③制造數(shù)據(jù)管理；④物料計劃單/物料工程單(Plan Bill of Material/Engineering Bill Of Material，PBOMlMBOM)構建；⑤工藝簽審流程管理等。

DELMIA涵蓋飛機設計、制造及維護過程中的所有工藝過程，使用戶能夠利用三維設計模型即可完成產(chǎn)品工藝的設計與驗證，因此，采用達索公司的DELMIA系統(tǒng)作為三維數(shù)字化裝配工藝設計系統(tǒng)。DELMIA平臺建立于一個開放式結構的產(chǎn)品、工藝與資源組合模型(Product，Process and Resources Hub，PPR)上，可以在整個產(chǎn)品研發(fā)過程中持續(xù)不斷的進行產(chǎn)品的工藝編制與驗證。同時，可以實現(xiàn)與計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)、計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)等系統(tǒng)進行集成，有效的利用已經(jīng)設計好的數(shù)據(jù)，并且可以使制造業(yè)的專業(yè)知識能被提取出來，讓最佳的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗得以重復利用。

CAPP系統(tǒng)目前作為航空企業(yè)工藝設計、工藝管理、流程審批等綜合的工藝信息平臺系統(tǒng)。主要作用包括產(chǎn)品工藝管理、綜合工藝編制和管理、工藝設計數(shù)據(jù)解讀、工藝數(shù)據(jù)管理、工藝卡片定制、二維環(huán)境編制流程文檔，由于CAPP系統(tǒng)在航空企業(yè)的廣泛應用，并以形成了成熟的業(yè)務流程；針對上述現(xiàn)狀，三維數(shù)字化工藝系統(tǒng)仍選擇以CAPP的工藝卡片為數(shù)據(jù)載體，業(yè)務流程按照原有的流程進行審簽和發(fā)放。

2.2 設計過程

在企業(yè)集成應用環(huán)境中，三維數(shù)字化裝配工藝設計的基本過程如圖2所示。

圖2 裝配工藝三維數(shù)字化設計過程圖

當Windhill系統(tǒng)接收到設計部門發(fā)來的設計數(shù)據(jù)，進行PBOM編制后，發(fā)送給DELMIA系統(tǒng)；之后在DELMIA系統(tǒng)中完成裝配工藝設計及仿真驗證整個過程，將工藝設計結果數(shù)據(jù)輸出給CAPP，經(jīng)CAPP解讀后再傳遞給Windchill系統(tǒng)，之后應用到車間現(xiàn)場可視化。期間Windchill主要進行BOM編制及數(shù)據(jù)管理，DELMIA系統(tǒng)主要進行裝配工藝設計及仿真、CAPP系統(tǒng)主要進行工藝審簽和制造工藝設計，企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)系統(tǒng)將前端數(shù)據(jù)匯總進行生產(chǎn)管理，制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)等系統(tǒng)通過協(xié)同平臺調用三維裝配指令及配套表進行生產(chǎn)管控。

3 實例驗證與仿真

3.1 系統(tǒng)前端數(shù)據(jù)準備

3.1.1 傳遞工藝結構及模型數(shù)據(jù)

在Windchill完成了從EBOM編制PBOM的整個過程之后，將PBOM及對應的產(chǎn)品模型、輕量化模型Cgr、輕量化三維裝配指令編制模型傳遞到三維裝配工藝設計系統(tǒng)DELMIA中，進行全面的三維數(shù)字化裝配工藝設計，如圖3所示。

圖3 PBOM及數(shù)據(jù)導入

3.1.2 構建整機PBOM

由于大部分企業(yè)還未在Windchill構建整機的PBOM結構，需要預先進行如下工作。在DELMIA系統(tǒng)中，根據(jù)前端導入的不同級別的PBOM（主要為部、組件級PBOM）數(shù)據(jù)及設計模型，構建出完整的整機PBOM結構，如圖4所示。

3.2 頂層工藝設計—工藝分離面劃分及仿真驗證

3.2.1 頂層工藝劃分

由于EBOM和PBOM基本以產(chǎn)品結構為主，不同于工藝裝配使用的產(chǎn)品工藝結構，需要在PBOM的基礎上，重新對產(chǎn)品結構進行整理，劃分出產(chǎn)品工藝結構，即對產(chǎn)品結構進行工藝分離面劃分，進而完成工藝總方案的制定。

全機工藝布局的規(guī)劃，在DELMIA系統(tǒng)中完成整機劃分大部件，大部件劃分部件，部件細分為組件（裝配單元）的整個過程。

在DELMIA系統(tǒng)中，通過制造裝配(Manufacturing Assembly，MA)在三維裝配下，按照對應的裝配工藝規(guī)程，劃分出大部件、部件，完成工藝分離面的劃分，制定裝配方案，如圖5所示。

圖4 整機PBOM

圖5 分離面劃分

將MA劃分好的工藝數(shù)據(jù)結構存入DELMIA系統(tǒng)，在工藝規(guī)劃部分打開，如圖6所示。在完成MA劃分的產(chǎn)品工藝結構的基礎上，繼續(xù)進行工藝結構樹的創(chuàng)建。

進行頂層工藝劃分，分配部、組件所屬，構建出涵蓋大部件、部件、裝配單元樹形層次結構的頂層MBOM，如圖7所示。

3.2.2 逐層工藝仿真驗證

在工藝劃分的同時，為確定其分離面劃分的合理性，對整個劃分過程進行仿真驗證，同時為避免人員資源的浪費，預先通過工藝評審，劃分需要在軟件中進行仿真驗證和不需要仿真驗證的部分。

圖6 數(shù)據(jù)連接

圖7 頂層MBOM

在整個頂層工藝劃分過程中，將每次劃分的結構在DELMIA中進行仿真驗證，大部件級仿真驗證用以確定整體大部件是否可以完成全機總裝過程，部件級仿真驗證用以確定部件級工藝分離面的劃分是否合理、正確，將仿真驗證的結果進行輸出生成仿真驗證報告，反饋至工藝分離面劃分的整個過程，對劃分進行優(yōu)化改進，如圖8所示。

圖8 頂層仿真驗證

在DELMIA系統(tǒng)中完成的工藝劃分具有三維界面劃分的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)會議討論或者經(jīng)驗劃分相比，更具有劃分直觀、調整方便的優(yōu)點。

3.3 詳細工藝設計裝配指令編制及仿真驗證

3.3.1 工裝訂貨單編制

在整體工藝方案確定的前提下，大部件、部件、裝配單元工藝分離面的劃分均已確定，此時需要根據(jù)劃分的結果編制工裝訂貨單，并根據(jù)工裝訂貨單由工裝部門完成工藝裝備的設計（含工裝型架、夾具、量具、刀具、地面設備等），并通過接口程序，將工裝結構及工裝設計模型導入至DELMIA系統(tǒng)的資源部分，以待后期調用。

3.3.2 裝配指令編制

完成整機工藝方案及工藝裝備的設計工作，下面轉入裝配指令的詳細編制工作，通過開發(fā)，在DELMIA系統(tǒng)中添加符合企業(yè)使用習慣的配套表單，如圖9所示。若企業(yè)已經(jīng)有輔助材料庫和標準件庫，可通過開發(fā)實現(xiàn)批量錄入DELMIA系統(tǒng)，達到資源的有效利用。

圖9 定制配套表模板

在DELMIA系統(tǒng)中編制出具體的各個部、組件的裝配指令AO，設計好每個工序該進行什么工作，確定工序的編排順序，在工序節(jié)點鏈接上對應用到的產(chǎn)品和資源（工裝、輔材、標準件、刀具等），并完成每個裝配指令對應的零件配套表、標準件配套表、輔助材料配套表。

3.3.3 組件裝配仿真驗證

在完成編制AO裝配指令大綱后，進行組件級別裝配仿真，用以驗證該大綱是否合理，確定整個組件的裝配順序、裝配過程是否合理，是否會碰撞到產(chǎn)品導致無法裝配等，并進行反饋修改，及早發(fā)現(xiàn)實際裝配中的問題，并將仿真驗證的結論反饋至AO裝配指令編制過程，對工序設計進行優(yōu)化改進，為避免人員浪費，這里需要對組件級裝配仿真進行分類，確定具體需要仿真和不需要的部分。在仿真優(yōu)化完畢后，將成熟的仿真作為工藝數(shù)據(jù)輸出至車間現(xiàn)場，對現(xiàn)場裝配流程進行指導。

3.3.4 三維裝配指令的編制

在完成了DELMIA系統(tǒng)下工藝設計工作及仿真驗證工作后，需要將工藝信息以三維化的形式編制成三維裝配指令，進入DELMIA系統(tǒng)的指令創(chuàng)建器(Work Instruction Composer，WKC)，將每個工序的裝配信息以視圖的形式編制，添加對連接件、裝配尺寸的標注、不同工序連接件分組、特殊位置給予刨切等操作，如圖10～11所示。

圖10 WKC-3DVIA Composcr

圖11 工藝補充定義信息

3.4 工藝信息輸出及可視化終端瀏覽

在DELMIA系統(tǒng)完成工藝設計工作后，其最終目的需為裝配現(xiàn)場提供數(shù)據(jù)和現(xiàn)場可視化應用。通過對DELMIA后端輸出及現(xiàn)場可視化終端部分進行集成開發(fā)，實現(xiàn)將在工藝系統(tǒng)編制的工藝信息直接輸出到CAPP系統(tǒng)，通過CAPP和Windchill系統(tǒng)結合3DVIA Composer Player實現(xiàn)三維現(xiàn)場展示，指導工人工作。

在完成了整個工藝劃分、裝配指令編制之后，需要將所有的工藝數(shù)據(jù)（包含裝配指令信息、配套表、三維裝配指令、裝配仿真）進行輸出，通過集成開發(fā)將DELMIA的工藝數(shù)據(jù)輸出至CAPP系統(tǒng)，CAPP系統(tǒng)解讀數(shù)據(jù)后生成工藝卡片，然后按照傳統(tǒng)的流程進行審簽發(fā)放，在車間現(xiàn)場，工人直接打開CAPP卡片，通過卡片開發(fā)的功能瀏覽三維裝配指令和裝配仿真，同時，后端的MES等系統(tǒng)，也可以做相應開發(fā)，調入DELMIA的工藝數(shù)據(jù)，以便制造車間工作人員可以方便的查看，如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場可視化瀏覽

4 結論

采用DELMIA數(shù)字化裝配工藝平臺，結合三維數(shù)字化設計系統(tǒng)環(huán)境構建了裝配工藝三維數(shù)字化設計系統(tǒng)，通過該平臺的實例驗證與仿真分析，得到結論為：

1)部件級工藝分離面劃分與整體大部件全機總裝過程相關，AO裝配指令大綱生成與整個組件裝配順序、裝配工藝過程有關，裝配碰撞干涉檢測有效發(fā)現(xiàn)了裝配工藝缺陷。

2)通過飛機裝配工藝知識與經(jīng)驗的積累與重用，實現(xiàn)了飛機裝配工藝數(shù)據(jù)交互與共享，裝配工藝流程得以重新規(guī)劃；裝配工藝數(shù)字化三維設計對產(chǎn)品設計、工裝設計以及工藝設計的錯誤發(fā)現(xiàn)提早，產(chǎn)品返工與報廢率減少，裝配周期縮短。

3)三維裝配仿真通過車間可視化系統(tǒng)直觀顯示三維數(shù)據(jù)，減少了裝配過程中人為差錯；利于車間工人直觀理解裝配工藝。

通過三維數(shù)字化技術在飛機裝配工藝設計體系中的應用，得以飛機制造企業(yè)三維數(shù)字化裝配工藝設計及仿真的質量和效率。