1 概述
飛機裝配技術因其復雜度高、涉及學科多、意義重大而成為飛機研制的龍頭環節。隨著MBD技術的發展，飛機裝配迎來了新的機遇和挑戰，通過采用數字化裝配技術，將改變傳統的飛機設計與制造模式，降低飛機研制周期與生產成本，提高飛機生產質量。
2 MBD的內涵
1997年波音公司協助美國機械工程師協會進行有關MBD標準的研究和制定，于2003年制定了美國MBD國家標準。其主導思想不只是簡單地將二維圖紙信息反映到三維數模中，而是充分利用三維模型所具備的表現力，去探索便于用戶理解且更具效率的設計信息表達方法。它用集成的三維數模完整地表達了產品定義信息的方法，詳細規定了三維數模中產品尺寸、公差的標注規則和工藝信息的表達方法。
MBD技術的出現帶來了生產模式的巨大變革，它改變了傳統的以工程圖紙為主、以三維數模為輔的制造方法，使用三維數模作為生產制造過程中的唯一依據。MBD數據集的內容包含設計、工藝、制造、檢驗等各部門的信息，不論從數據管理還是職能管理角度出發，各職能人員都可以在一個產品模型上協同工作，這種單源定義的方式提高了設計效率的同時也提高了制造的可靠性。
3 基于MBD的飛機三維數字化裝配應用架構
MBD技術的出現為三維數字化裝配的應用奠定了基礎，飛機產品制造過程中的工藝規劃、工藝仿真及工藝信息的傳遞隨著MBD技術的引入發生了巨大變化。基于MBD的飛機三維裝配應用架構如圖1所示。
圖1 基于MBD的飛機三維裝配應用架構
設計系統依據產品MBD數據集和通過程序提取產品信息生成的產品EBOM表，工藝部門對EBOM添加工藝組合件和工藝路線從而產生PBOM，根據PBOM形成的產品結構樹制定裝配協調方案并建立頂層MBOM，工藝員按照頂層MBOM中裝配單元的劃分在三維環境下進行裝配工藝模型設計與仿真，根據仿真結果編制三維AO。三維AO在PDM系統中通過審簽后發布，PDM系統自動解析三維AO中的配套表以形成MBOM的底層，從而形成完整的MBOM。MBOM以及三維AO會發送至ERP系統進行裝配現場可視化應用。
4 三維裝配工藝設計系統
在實現基于MBD的工藝規劃與仿真過程中，需要借助制造仿真、分析、輔助設計工具以及數據共享管理工具，現航空制造企業多使用達索的DELMIA軟件。DELMIA軟件仿真性能優異，在虛擬樣機設計及虛擬制造交互仿真、三維自動化設備應用仿真及離線編程、虛擬工廠等方面處于世界領先地位。使用三維裝配工藝設計系統的重點就是通過上游CAD系統的設計數據結合裝配現場的資源，通過3D圖形仿真引擎對整個裝配過程進行仿真和分析，得到可達性、可操作性、可裝配性以及最佳性能等方面的最優化數據。企業需要在DELMIA軟件的基礎上進行定制開發，系統功能開發主要包括工藝規劃、裝配仿真、三維工藝信息標注、三維工藝指令編制、裝配工藝知識庫等。
4.1 工藝規劃
(1)工藝數據管理框架定制
根據企業工藝設計狀況對DELMIA軟件DPE中默認的工藝數據管理框架進行重新定義，建立具有充分適應企業實際生產要求與工藝設計習慣的層次關系樹，以滿足專業裝配工程技術人員對裝配工藝設計的功能要求。
(2)PBOM構建和管理
在工藝視圖中，建立PBOM結構樹，確定零件、部組件、成品件等工藝分工路線，劃分建立工藝組件，并對其進行管理。
(3)頂層MBOM構建和管理
在工藝視圖中，劃分裝配單元，確定裝配順序，建立頂層MBOM結構樹，并對其進行管理。
4.2 裝配仿真
(1)裝配工藝規劃和設計完成后，能夠在三維環境下，實現對裝配干涉檢查、裝配工具可達性、人機交互的安全性進行驗證。
(2)在裝配仿真過程中，能夠根據人的觀察習慣，通過程序的自動處理，對當前裝配過程的觀察角度進行調整。
4.3 三維工藝信息標注
(1)支持描述裝配工藝信息的標注，包含：定位方式及尺寸、定位基準、公差、夾緊方式、工藝孔（裝配孔、定位孔、銷釘孔、工具孔及導孔）、連接定義（標準件連接層次、數量及牌號，螺栓安裝方向、夾層）、涂膠區域等的標注。
(2)能夠根據裝配過程，對裝配標注進行相應的顯示和隱藏控制。
4.4 指令編制
實現三維裝配指令的生成、發布、組織與管理，在三維裝配工藝設計系統中，利用文字、仿真動畫、輕量化模型、圖片等多種數據格式進行裝配指令的編制。
4.5 工藝數據有效性管理
三維裝配工藝設計系統中的BOM和AO等數據按狀態（版次和批架次）進行控制管理，其狀態定義應保證與企業PDM系統一致。
4.6 裝配工藝知識庫
建立裝配工藝知識庫，便于裝配工藝知識的重用、操作經驗的累積，縮短裝配工藝設計周期，提高裝配工藝設計的準確性及規范性。采用語義驅動的方式搜索知識庫中對應的知識，實現裝配知識的分類管理、審批、知識統計、用戶管理及提取重用。裝配知識庫包括裝配工藝知識類和制造資源知識類兩大類。
裝配工藝知識類面向特定產品，主要包括：框類，壁板組件類、地板組件類、管路類、段件類等組件類別。具體要求如下：
(a)在裝配工藝知識庫中建立組件裝配工藝節點，節點下包含框類，壁板組件類、地板組件類、管路類、段件類等典型部件；
(b)每個組件裝配工藝節點下包含裝配指令級、裝配工序級和裝配工步級三個節點；
(c)實現裝配指令級、裝配工序級和裝配工步級三個節點之間數據的邏輯關聯；
(d)實現面向特定產品的裝配工藝知識類中的具體操作與通用操作類知識之間數據的邏輯關聯。
制造資源類知識，包括：裝配工裝、工具、人體模型等。具體要求如下：
(a)能夠保存裝配工裝、工具、人體模型的三維模型、屬性參數等；
(b)在裝配工裝類下建立制造工藝裝備（型架、托架、吊裝等）和輔助工藝裝備（工作梯、零件架等）。
(c)根據飛機裝配生產實際需要，建立人體姿態資源。
基于達索DELMIA軟件構建的三維裝配工藝設計系統（以下簡稱DELMIA系統）與原有二維裝配工藝設計系統相比有許多優勢，實現了許多技術上的跨越。一是通過三維裝配仿真進行裝配工藝規劃，避免許多實際裝配才能發現的干涉問題；二是通過利用輕量化三維模型編制的三維裝配工藝指令在動態描述裝配過程時直觀、清晰明了；三是三維AO編制中的配套表采用直接在BOM結構上進行拖拽的方式實現零部件的關聯和分配，避免了二維中由于工藝員手工填寫大量工藝信息、配套表、材料清單等帶來的人為差錯，編制效率高；四是三維裝配工藝直接利用產品設計模型進行標準件的分配和管理，實現了標準件的精確管理，解決了二維工藝標準件難以管理的難題。
5 DELMIA系統與PDM、ERP系統的集成
DELMIA系統的應用豐富了工藝規劃和仿真驗證的手段，但要其真正的發揮效用，就必須要讓它有效地傳遞到研制鏈的下游，將三維AO在生產現場進行展示，并且能收集生產現場的開工信息，為工藝指令編制提供必要的參考。企業一般都已經建立起了從設計平臺到PDM系統再到ERP系統的數據鏈，三維裝配工藝系統作為PDM系統的一部分應有機的和現有的系統進行集成。
5.1 集成總體業務框架
DELMIA系統作為工具級應用，負責頂層MBOM構建、工藝規劃、仿真驗證和AO的編制等工作。DELMIA系統從PDM系統中接收的EBOM及產品數模、PBOM、工裝數據做為輸入項，DELMIA系統向PDM系統輸出頂層MBOM、三維AO及仿真驗證結果，PDM系統負責管理這些數據并向下游ERP系統進行傳遞，ERP系統負責進行三維AO的展示，指導現場作業。各系統之間通過Webservices，數據庫中間表、FTP等技術進行數據交互，PDM系統和生產管控系統都需要開發基于三維AO的管理模塊，并進行相應的接口程序的開發。DELMIA系統與其他系統集成數據流如圖2所示。
圖2 總體集成架構
5.2 DELMIA系統與PDM系統的集成
5.2.1 EBOM和產品數模集成
PDM系統開發基于架次的EBOM和產品模型數據導出功能，通過輸入“零組件”編號和“架次”的信息，可導出該架次下部件EBOM結構清冊和產品數模，實現EBOM和產品模型數據基于架次的導出。DELMIA系統將導出的EBOM和產品模型數據導入系統進行后續工藝規劃，系統集成支持自動導入方式，其流程圖如圖3。
圖3 EBOM與產品模型數據自動導入DELMIA系統流程
DELMIA通過調用PDM系統相應的WebService接口函數將架次和零組件編號傳給PDM系統，PDM系統收到DELMIA的WebService請求后，根據架次和零組件編號將bom和模型打包并上傳到FTP服務器，并將ZIP包名稱通過XML文件返回DELMIA系統，DELMIA系統根據ZIP包名稱從FTP服務器下載ZIP包，然后解析ZIP包里的數據，并存入DEMIA系統中。
新機研制中EO（工程更改指令）會頻繁產生，EO數據包由設計平臺發出，以壓縮包的形式傳遞，內容主要包括PDF格式的EO指令、XML格式的EMBOM清冊、產品數模、零件清單等，PDM系統從設計平臺接收EO數據包，在系統內部進行業務流轉之外，同時也將該EO數據包完整的傳遞給DELMIA系統，使數據進行三維AO方面的貫徹。其流程圖如下：
圖4 EO數據包自動導入DELMIA系統流程
PDM系統調用DEIJMIA系統WebService接口函數，將EO包名稱發送給DELMIA系統，DELMIA系統根據包名稱在預先約定的FTP服務器上下載EO包，解析EO包并存入DELMIA系統。
5.2.2 PBOM數據集成
PBOM數據集成主要是實現將PDM系統中的PBOM導入DFLMIA系統，PBOM導入條件也是“零組件”編號和“架次”信息。DELMIA以架次和零組件編號作為參數，調用PDM系統的WebService接口，PDM系統收到DELMIA的WebService請求后，根據架次和零組件編號生成xlS文件并上傳FTP服務器，PDM系統返回的XML文件告知DELMIA系統xls文件名稱和位置，DELMIA系統下載該文件并載入到系統。
5.2.3 MBOM數據集成
頂層MBOM在DELMIA系統中設計，一次性導入PDM系統，MBOM后續的更改在PDM系統中走更改流程，MBOM審批通過后同步到DELMIA系統，信息的傳遞方式也是通過WebService方式，文件格式為Excel格式。
5.2.4 工裝數據集成
DELMIA仿真需要使用PDM系統中工裝數模，工裝數模的下載與產品數模類似。DELMIA系統以工裝圖號為參數調用PDM系統的WcbService，PDM系統接受請求后打包數模上傳至FTP，并將文件名和地址告知DELMIA，DFLMIA下載數模到本系統中。
5.2.5 AO數據集成
按總體集成構架定義，三維AO在DELMIA系統生成并導入PDM系統中管理，管理主要包括簽審流程、版本管理、向ERP系統的發放。集成應保證與原有二維AO的兼容。PDM系統可以使用同一個文檔軟類型，在原有軟類型的基礎上添加一個軟屬性(is3D)，AO數據的傳遞使用XML格式文件，需要在原有二維AO的XML格式文件中增加三維AO中使用的j維仿真動畫文件、圖片的相對路徑。另外簽審流程需要在PDM系統中瀏覽三維AO，PDM系統需要引入3DVIA插件以實現3D裝配動畫的展示。簽審流程和向ERP系統的發放可與二維相同，這里不再介紹。
三維AO的版本管理分3中情況。初次導入時，PDM系統自動創建三維AO對象的A.1版。再次導人三維AO時，PDM系統需要判斷對應的AO文檔是否存在，保證存在時，檢測該對象所處的生命周期狀態，如果該對象處于“正在工作”和“重新工作”狀態，則導入的同時，系統自動生小版，如由A.1升到A.2，由B.2升到B.3等。當PDM系統中三維AO對象狀態已定版時，系統自動按新建修訂版本升大版本，如A.3升到B.1。
三維AO數據傳遞流程如下。首先DELMIA系統將編制好的三維A0數據打包并上傳到FTP上，同時系統調用PDM系統的WebService接口，將ZIP包名稱傳遞給PDM系統，PDM系統按照該對象的狀態進行版本定義，然后系統通過AO簽審流程完成三維AO的審簽，審簽完成后將版本信息、簽審結果通過WebService返回給DELMIA。PDM系統再將三維AO通過FTP傳給ERP系統。（圖5）
圖5 三維AO數據傳遞流程
5.3 DELMIA系統與ERP系統的集成
DELMIA系統與ERP系統的集成主要涉及三維AO更改管理，DELMIA系統需要讀取ERP系統的開工狀態和工步完成信息以決定更改的形式和內容。AO更改（包括升版和更改單）應在DELMIA系統發起，在PDM系統完成審簽，再傳遞到裝配現場即ERP系統。企業制訂相關的標準化文件規定更改的發起形式，一般對于未開工的工序采用升版的方式進行更改，對于已經開工的工序采用更改單的形式進行更改。三維AO更改業務流程如圖6所示。
圖6 三維AO更改業務流程
AO升版與新建AO流程相同，按架次區間進行有效性控制。流程是在三維裝配工藝系統中新建AO，導入PDM平臺審簽和管理，審簽通過后，PDM系統通過中間表將AO傳入ERP系統，ERP系統通過計劃下發進行現場展示。
AO更改單均按單架次進行編制和貫徹，在DELMIA系統中新建AO更改單，新建同時鎖定ERP系統中的開工AO，并讀取工步完成情況再進行AO更改單編制，系統需鎖定已完工的工步，保證更改單只對未完工的工步進行更改，ERP系統需要對DELMIA系統提供鎖定AO以及讀取AO工步完成情況的接口。編制過程中如需取消該更改需解除AO鎖定，編制完成的AO更改單導入PDM平臺，通過創建變更通知的形式提交審簽，審簽結果分為通過、駁回、取消三種情況。通過審簽，PDM系統通過中間表和FTP等形式將AO更改單傳入生產管控系統，生產管控系統收到更改單會自動解除開工AO的鎖定狀態并貫徹更改單到該AO。如果駁回，駁回狀態和意見返回給DELMIA系統，工藝員根據意見對更改單進行修訂再提交。如果取消該更改單，取消狀態返回給DELMIA系統，工藝員在DELMIA系統中對該鎖定AO進行解鎖。
5 結束語
基于MBD技術的飛機數字化裝配工藝設計系統以及與PDM、ERP系統的集成實現無二維圖紙、無紙質裝配指令的三維數字化集成裝配。基于MBD技術使得產品設計信息、工藝信息等能夠有效地傳遞到飛機裝配的各個環節，大大縮短了裝配工藝規劃和設計的時間，無紙化的裝配指令極大的改善了裝配現場的環境，三維AO更加直觀、清晰、明了，實現了裝配現場質的飛躍。
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本文標題：三維裝配工藝設計系統與PDM、ERP系統的集成應用
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