航空復(fù)雜產(chǎn)品具有客戶需求、產(chǎn)品組成、產(chǎn)品技術(shù)、涉及學(xué)科專業(yè)、制造流程、試驗維護(hù)、項目管理、工作環(huán)境等特點，并且產(chǎn)品生命周期長、技術(shù)含量高、生產(chǎn)和質(zhì)量要求嚴(yán)格。裝配是航空復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程中的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量、性能、壽命和可維護(hù)性。在制造過程中，裝配時間約占總生產(chǎn)時間的20%～50%，裝配費用占制造總費用的20%～30%。為了縮短產(chǎn)品裝配周期，降低裝配成本，提高裝配質(zhì)量，航空產(chǎn)品的裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計必須從基于二維圖紙的傳統(tǒng)模式向基于三維模型面向產(chǎn)品全生命周期的新模式轉(zhuǎn)變。
三維CAD軟件在國內(nèi)的推廣和應(yīng)用極大提高了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計效率，一些大型航空企業(yè)已經(jīng)開始推廣基于MBD的產(chǎn)品三維模型設(shè)計，不再繪制二維圖紙，但是當(dāng)今主流三維CAD系統(tǒng)只能實現(xiàn)裝配體結(jié)構(gòu)設(shè)計和簡單的干涉關(guān)系檢驗等功能，不能實現(xiàn)裝配工藝設(shè)計，不能檢驗產(chǎn)品和工藝裝備在裝配過程中是否存在干涉關(guān)系。國外比較著名的數(shù)字化裝配軟件主要包括Visualization Mockup、Tecnomatix和DELMIA，這些系統(tǒng)提供了裝配仿真功能，卻不能實現(xiàn)設(shè)計、工藝和制造部門的信息集成以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全生命周期管理。
面向PLM(Product Lifecycle Management)的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真(Computer Aided Assembly Process Planning，CAAPP)系統(tǒng)是把三維模型貫穿產(chǎn)品全生命周期，通過計算機(jī)對產(chǎn)品的可裝配性、裝配工藝的合理性、工藝裝備的適用性等進(jìn)行分析、仿真，評價和優(yōu)化產(chǎn)品裝配模型，以達(dá)到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高裝配質(zhì)量和效率、降低生產(chǎn)成本以及優(yōu)化產(chǎn)品性能等目的。本文對CAAPP系統(tǒng)進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)研究和系統(tǒng)開發(fā)，并討論了該系統(tǒng)的應(yīng)用模式。
面向PLM的三維裝配工藝需求分析
航空復(fù)雜產(chǎn)品形狀復(fù)雜、批量小、零件規(guī)格差異大、可靠性要求高；產(chǎn)品的定型是一個復(fù)雜而精密的過程，往往需要多次的設(shè)計、測試和改進(jìn)，耗資大、耗時長。航空復(fù)雜產(chǎn)品的裝配工藝特點如下：
(1)航空產(chǎn)品的裝配過程復(fù)雜，一般將其分解為總裝、組裝和部裝；各組、部件裝配過程一般由清洗、裝配公差計算、機(jī)械部分裝配、電子元器件裝配、布線、測試等部分組成，產(chǎn)品的裝配是一個機(jī)裝、電裝、布裝混合的過程。
(2)航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)布局一般較為緊湊，裝配空間狹小，不便于使用工裝、儀器設(shè)備，裝配過程中經(jīng)常出現(xiàn)工裝、夾具設(shè)計不合理造成無法裝配的情況。因此，工裝、夾具的返修率高、研發(fā)周期長、研發(fā)費用高。
(3)產(chǎn)品生產(chǎn)批量較小，如果對所有型號產(chǎn)品進(jìn)行試制、試裝配，將會進(jìn)一步提高產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品生命周期。
(4)產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件裝配路徑曲折，僅僅依靠工藝員的空間想象力難以體現(xiàn)真實裝配情況，裝配工藝的編制難度較大。
(5)零部件數(shù)量較多，尺寸差別很大，經(jīng)常出現(xiàn)零件錯裝、漏裝的情況，僅僅依靠二維裝配工藝很難理解裝配過程，需要裝配工藝人員在裝配現(xiàn)場指導(dǎo)工人進(jìn)行裝配。
傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃模式存在大量的問題，主要包括：裝配工藝人員要從二維圖紙中提取出大量的裝配工藝信息，工作量很大；裝配工藝以文字說明為主，并通過工藝附圖輔助工人理解復(fù)雜工裝、關(guān)鍵工序，裝配工人對產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)沒有直觀理解，裝配工藝中的工藝裝備與裝配現(xiàn)場的裝配資源難以一一對應(yīng)起來；裝配現(xiàn)場的工裝、夾具、儀器設(shè)備數(shù)量較大、種類繁多，工藝人員依靠二維圖紙設(shè)計出的工藝裝備往往不太合理，甚至在裝配過程中與產(chǎn)品發(fā)生干涉，導(dǎo)致無法裝配；由于缺乏可靠的仿真驗證手段，只能在裝配現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)裝配問題，再對工藝裝備進(jìn)行重新設(shè)計，整個過程非常繁瑣，延長了產(chǎn)品的研發(fā)周期。
面向PLM的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真業(yè)務(wù)流程如圖1所示。
圖1 面向PLM的裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真業(yè)務(wù)流程
裝配工藝人員根據(jù)產(chǎn)品的三維模型和裝配工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完成工藝分工和任務(wù)分工；獲取組、部件三維模型并進(jìn)行裝配序列規(guī)劃，設(shè)計裝配工藝路線；進(jìn)行裝配工序的詳細(xì)設(shè)計，確定各裝配工步的工步內(nèi)容，并進(jìn)行工裝、夾具的設(shè)計，分配裝配工藝裝備；進(jìn)行裝配路徑規(guī)劃，并進(jìn)行裝配仿真及干涉檢查，如果發(fā)生干涉則對裝配路徑進(jìn)行調(diào)整；輸出裝配仿真圖片、視頻、裝配工藝PDF文件以支持裝配現(xiàn)場可視化瀏覽。
CAAPP系統(tǒng)開發(fā)
我國某航空企業(yè)產(chǎn)品布局緊湊，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件數(shù)量多，尺寸差異較大，生產(chǎn)批量小，產(chǎn)品升級較快；裝配工藝復(fù)雜，裝配現(xiàn)場工裝、夾具數(shù)量很多，經(jīng)常出現(xiàn)錯裝、漏裝情況。目前該企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)為西門子公司的Teamcenter 8.3，計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃(Computer Aided Process Planning，CAPP)系統(tǒng)為西北工業(yè)大學(xué)的CAPPFramework 2007，三維CAD系統(tǒng)為NX 6.0。作者針對該企業(yè)生產(chǎn)實際，利用Visual Basic 6.0開發(fā)了面向PLM的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真系統(tǒng)，系統(tǒng)軟件平臺為西門子公司的Tecnomatix軟件，數(shù)據(jù)庫為Oracle 10g。
1 系統(tǒng)的功能架構(gòu)
CAAPP系統(tǒng)由裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計和裝配工藝仿真、裝配工藝文件生成模塊以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)、三維CAD系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖2所示。
圖2 CAAPP系統(tǒng)功能架構(gòu)
系統(tǒng)各主要組成部分功能如下：
(1)三維CAD系統(tǒng)：設(shè)計產(chǎn)品、工藝裝備的三維模型（全格式三維模型，以“*.PRT”表示）。
(2)PDM系統(tǒng)：工藝分工、任務(wù)分工，工藝人員權(quán)限管理，裝配工藝的審批、發(fā)布。
(3)裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計模塊：裝配序列規(guī)劃、裝配工藝路線設(shè)計、裝配工序詳細(xì)設(shè)計。
(4)裝配工藝仿真模塊：規(guī)劃裝配路徑并進(jìn)行裝配過程仿真和干涉檢查，生成包含工藝標(biāo)注的裝配仿真圖片（JPG格式，以“*.JPG”表示）、仿真視頻（AVI格式，以“*.AVI”表示）、仿真動畫（通用三維圖形格式，以“*.U3D”表示）。
(5)裝配工藝文件生成模塊：生成裝配工藝（Excel文件，以“*.XLS”表示）以支持工藝人員預(yù)覽，并將仿真動畫轉(zhuǎn)換為3D PDF文件。
(6)CAPP系統(tǒng)：根據(jù)工藝信息和仿真文件，形成裝配工藝規(guī)程。
該系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)集成，通過Tecnomatix軟件與PDM系統(tǒng)的集成接口獲取三維模型，通過預(yù)定義的XML文件對零部件的基本屬性信息進(jìn)行映射以獲取相關(guān)信息。
該系統(tǒng)與CAPP系統(tǒng)集成，根據(jù)裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計和仿真的結(jié)果在裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計模塊中生成裝配工藝信息文件(Extensible Markup Language文件，以“*.XML”表示)，其中包含裝配仿真文件的保存路徑信息，CAPP系統(tǒng)解析該文件并獲取裝配仿真文件，形成裝配工藝規(guī)程。
2 工藝分工和任務(wù)分工
航空企業(yè)的工藝部門一般分為企業(yè)級工藝部門和車間級工藝部門，企業(yè)級工藝部門可以對產(chǎn)品進(jìn)行裝配工藝性審查，設(shè)計PBOM(工藝BOM)；在PDM系統(tǒng)中確定各組部件的裝配車間及總裝車間，并生成分單位目錄報表以完成工藝分工；車間級工藝部門根據(jù)工藝分工的結(jié)果，在PDM系統(tǒng)中指定工藝設(shè)計人員進(jìn)行裝配工藝編制，以實現(xiàn)任務(wù)分工。
3 產(chǎn)品三維模型的獲取
為了進(jìn)行裝配工藝編制，系統(tǒng)需要從PDM系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品的三維模型和名稱、代號等基本屬性信息。由于PDM系統(tǒng)與裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計模塊的差異性，對同一屬性的定義可能不同，導(dǎo)致零部件的基本屬性信息無法直接從PDM系統(tǒng)中獲取，需要通過XML文件定義屬性之間的映射關(guān)系。圖3為通過集成接口獲取產(chǎn)品的三維模型。
圖3 產(chǎn)品三維模型的獲取
4 裝配工藝規(guī)劃
系統(tǒng)支持產(chǎn)品三維模型瀏覽，可以顯示產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，調(diào)整各零組件在裝配結(jié)構(gòu)中的位置可以完成裝配序列規(guī)劃。產(chǎn)品裝配工藝節(jié)點下可以建立裝配工序，完善各工序?qū)傩孕畔⒉⑼ㄟ^Pert圖分配零組件，可以設(shè)計出裝配工藝路線。圖4為在CAAPP系統(tǒng)中進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃。
圖4 裝配工藝規(guī)劃
5 裝配工藝設(shè)計
裝配工序節(jié)點下可以建立裝配工步并完善各工步屬性信息，裝配工藝裝備可以導(dǎo)入系統(tǒng)裝配資源庫并進(jìn)行分配。系統(tǒng)能自動統(tǒng)計裝配工藝信息，并顯示在工藝、工序、工步的屬性界面中，便于工藝人員查看并進(jìn)行修改、完善。圖5為在系統(tǒng)中進(jìn)行裝配工藝設(shè)計。
圖5 裝配工藝設(shè)計
6 裝配工藝仿真
系統(tǒng)的運動導(dǎo)航工具可以將零組件拖動、轉(zhuǎn)動，將其從裝配體拆卸下來，利用“求逆”工具可以將拆卸路徑轉(zhuǎn)化為裝配路徑，系統(tǒng)能夠進(jìn)行裝配路徑自動規(guī)劃。在裝配過程仿真時可以進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，以驗證裝配路徑及裝配工藝裝備設(shè)計的合理性。圖6為在系統(tǒng)中進(jìn)行裝配工藝仿真。
圖6 裝配工藝仿真
7 裝配工藝文件生成和裝配現(xiàn)場可視化瀏覽
該航空企業(yè)裝配工藝的編制、審批、發(fā)布都是在PDM與CAPP的集成系統(tǒng)完成的，裝配工藝中的特殊符號需要在CAPP中進(jìn)行填寫完善在裝配仿真完成后，可以在三維模型中標(biāo)注出工藝要求和注釋，截取裝配仿真圖片，錄制仿真視頻，制作出裝配仿真U3D文件。CAAPP系統(tǒng)可以自動將U3D文件轉(zhuǎn)為3D PDF文件，并將裝配工藝信息、仿真文件保存路徑進(jìn)行統(tǒng)計并以工藝XML文件的形式輸出；CAPP系統(tǒng)可以解析裝配工藝XML文件并生成裝配工藝文件，根據(jù)仿真文件保存路徑獲取仿真文件，以支持裝配現(xiàn)場可視化瀏覽，如圖7所示。由于3D PDF文件被關(guān)聯(lián)到工藝卡片中，所以不需要包含文字性工藝信息。
圖7 裝配現(xiàn)場可視化瀏覽
結(jié)束語
通過對航空復(fù)雜產(chǎn)品及其裝配工藝的特點的研究，說明了傳統(tǒng)的裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計模式存在的問題，并提出了面向PLM的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真系統(tǒng)的功能架構(gòu)及一般流程，討論了裝配現(xiàn)場應(yīng)用模式。根據(jù)某航空企業(yè)的生產(chǎn)實際開發(fā)了一個基于Tecnomatix軟件的裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真系統(tǒng)，目前該系統(tǒng)在該航空企業(yè)中運行一年多的時間，完成了30多個組部件酌裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真，并能夠支持裝配現(xiàn)場瀏覽裝配仿真圖片、視頻、3D PDF動面，有效指導(dǎo)了裝配現(xiàn)場進(jìn)行裝配工作，提高了生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品預(yù)研周期。但是目前該系統(tǒng)不能對線纜、電子元器件進(jìn)行建模和裝配仿真，這些將是下一步要集中研究的方向。
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本文標(biāo)題：面向PLM的航空復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝規(guī)劃、設(shè)計與仿真技術(shù)
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