飛機具有零件數量巨大，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品最終的質量。隨著數字化技術的發(fā)展，近年國外的飛機制造企業(yè)，在數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字化設計與制造技術，把產品的試制周期從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字化樣機。采用產品數字化定義(Digital Product Definition，DPD)、數字化預裝配(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品數字化定義(Model-Based Definition，MBD)的三維裝配命令(Assembly Order，AO)編制技術，實現了三維工藝設計，確立了基于MBD的產品設計、資源設計與工藝設計技術路線，實現了從面向制造過程設計(DELMIA Process Engineer，DPE)中工藝規(guī)劃、組件劃分、裝配仿真等數據的重用；三維AO在現場的應用使裝配過程更加直觀、清晰，有利于提高產品質量；三維Composer數據更加輕量化，數據應用更加靈活。景武，趙所等采用數字企業(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)現了大量產品設計、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，沒實現對裝配數據的管理和直接生成三維裝配指令。

縱觀以上研究，盡管在構建數字化裝配系統(tǒng)平臺上取得了顯著效果，但飛機數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方式沒有按照數字化技術的要求實現再造；④數字化設計、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，以期實現飛機裝配工藝三維數字化設計。

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三維數字化設計和三維發(fā)圖，傳統(tǒng)裝配工藝設計方式已無法滿足現今的裝配工藝設計與生產需要。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)。三維數字化裝配工藝設計技術，主要是通過客戶化定制的數字化工藝設計系統(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、生產現場可視化技術等，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、現場查看三維指令等整個過程，在數字化工藝設計系統(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，三維數字化裝配工藝設計技術已成為現代飛機研制中的重要技術手段。

2 裝配工藝的三維數字化設計

2.1 裝配工藝設計系統(tǒng)環(huán)境的構建

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

圖1 系統(tǒng)數據流程圖

文中采用PTC公司Windchill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接收產品設計材料工程單(Engineering Bill of Material，EBOM)數據；②企業(yè)部數據二次發(fā)放；③制造數據管理；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品、工藝與資源組合模型(Product，Process and Resources Hub，PPR)上，可以在整個產品研發(fā)過程中持續(xù)不斷的進行產品的工藝編制與驗證。同時，可以實現與計算機輔助設計(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，有效的利用已經設計好的數據，并且可以使制造業(yè)的專業(yè)知識能被提取出來，讓最佳的產業(yè)經驗得以重復利用。

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)。主要作用包括產品工藝管理、綜合工藝編制和管理、工藝設計數據解讀、工藝數據管理、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；針對上述現狀，三維數字化工藝系統(tǒng)仍選擇以CAPP的工藝卡片為數據載體，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)來的設計數據，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，將工藝設計結果數據輸出給CAPP，經CAPP解讀后再傳遞給Windchill系統(tǒng)，之后應用到車間現場可視化。期間Windchill主要進行BOM編制及數據管理，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)將前端數據匯總進行生產管理，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管控。

3 實例驗證與仿真

3.1 系統(tǒng)前端數據準備

3.1.1 傳遞工藝結構及模型數據

在Windchill完成了從EBOM編制PBOM的整個過程之后，將PBOM及對應的產品模型、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，進行全面的三維數字化裝配工藝設計，如圖3所示。

圖3 PBOM及數據導入

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，根據前端導入的不同級別的PBOM（主要為部、組件級PBOM）數據及設計模型，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基本以產品結構為主，不同于工藝裝配使用的產品工藝結構，需要在PBOM的基礎上，重新對產品結構進行整理，劃分出產品工藝結構，即對產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劃分好的工藝數據結構存入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 數據連接

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，此時需要根據劃分的結果編制工裝訂貨單，并根據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)已經有輔助材料庫和標準件庫，可通過開發(fā)實現批量錄入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，是否會碰撞到產品導致無法裝配等，并進行反饋修改，及早發(fā)現實際裝配中的問題，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據輸出至車間現場，對現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場提供數據和現場可視化應用。通過對DELMIA后端輸出及現場可視化終端部分進行集成開發(fā)，實現將在工藝系統(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實現三維現場展示，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據（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的工藝數據輸出至CAPP系統(tǒng)，CAPP系統(tǒng)解讀數據后生成工藝卡片，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的工藝數據，以便制造車間工作人員可以方便的查看，如圖12所示。

圖12 現場可視化瀏覽

4 結論

采用DELMIA數字化裝配工藝平臺，結合三維數字化設計系統(tǒng)環(huán)境構建了裝配工藝三維數字化設計系統(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)現了裝配工藝缺陷。

2)通過飛機裝配工藝知識與經驗的積累與重用，實現了飛機裝配工藝數據交互與共享，裝配工藝流程得以重新規(guī)劃；裝配工藝數字化三維設計對產品設計、工裝設計以及工藝設計的錯誤發(fā)現提早，產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)直觀顯示三維數據，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)三維數字化裝配工藝設計及仿真的質量和效率。