歡迎參加第十三屆產品創新數字化國際峰會 11月29-30日 天津

    0 前言

    船用中速柴油機主要用作中小型船舶主機或大型船舶發電機，在軍用艦艇、海洋工程和航運業的應用非常廣泛。由于長期依賴許可證生產，國內中速機企業自主研發能力普遍較弱。近年來，世界船用中速機行業掀起了雙燃料發動機研發熱潮，這一空白產品領域將給國內企業帶來難得的追趕契機，借助先進制造技術彌補產品創新能力短板勢在必行。裝配工藝問題是柴油機研制中的關鍵技術問題之一，有關企業已經使用三維CAD開展工程設計，生產管理階段也在逐步推行管理信息化，但在裝配工藝環節依然沿用二維手工設計管理模式，成為實施先進制造戰略的明顯制約，采用數字化技術提高裝配工藝設計管理水平已成為企業技術升級改造的緊迫任務。

    數字化裝配工藝是計算機輔助裝配工藝設計的最新形式，與傳統CAPP相比具有集成、結構化、可視化的突出優點，能極大提高工藝設計管理效率，實現與裝配相關的所有業務活動集成優化。然而數字化裝配工藝產生于計算機集成制造、虛擬制造、并行工程薈聚融合的背景，目標結構更加多元，技術內涵更加豐富，實施過程本身也是一項知識密集型工作，必須具體企業具體分析。為探索數字化裝配工藝在中速柴油機制造企業的應用路徑，首先要正確認識這項技術與傳統CAPP的區別，得到數字化裝配工藝軟件核心功能，明確目標需求之后，針對核心功能開展典型工藝原型實驗，獲得可行技術路線。

    1 數字化裝配工藝技術內涵

    包含機加工藝設計在內的CAPP比CAD和數控加工技術出現得都要晚，世界上第一個CAPP誕生于1970年，在此后20多年CAPP一直追求軟件推理能力提高，最終目標是要達到工藝設計自動化，從早期的檢索式、派生式發展到創成式、工藝設計專家系統，相繼取得成組技術編碼、裝配信息模型、工藝知識庫、推理機等重要成果，解決了一些簡單相似零部件工藝知識重用問題，但由于工藝過程的復雜性，現有人工智能方法在工藝知識獲取、表示、應用方面仍有很多不足，特別是裝配工藝設計需要考慮多個零部件的幾何工藝特征和相互關系，大型機電產品手工裝配涉及更多資源要素結構與動態相互作用，帶來決策模型難以建立、方案組合爆炸等問題，與機加工藝單一零件幾何外形求解相比，系統的復雜性顯而易見，目前僅有個別軟件提供裝配路徑自動規劃功能，起到非常有限的輔助作用，其他一些實驗室原型帶有很多簡化假設、單獨針對某一產品零部件或工藝求解中的局部問題，距離實際工程應用非常遙遠，工藝設計自動化逐漸走到盡頭。

    由于自動化裝配工藝設計暫時難以實現，即使創成式CAPP能求解出工藝方案，也還需要人來思考判斷解的可行性與優劣性，超出知識庫內容的問題系統就變得無能為力，而且客戶定制已成為制造業發展主流，產品個性化、非標準化特征越來越明顯，人在裝配工藝設計中的支配地位依然不可動搖。20世紀90年代中期，隨著并行工程、計算機集成制造、敏捷制造、虛擬制造等先進制造技術出現，裝配工藝CAPP開始朝著結構化、集成、可視化、仿真、工藝管理與工藝設計并重的方向發展，使軟件程序處理和數據庫技術優勢能夠發揮在更多方面，具體包括：

    1)盡可能將事務性工作交給計算機來做；

    2)通過全三維可視化的人機交互來突出、提升設計人員的智力貢獻；

    3)借助計算機仿真驗證工藝創新；

    4)通過不同粒度工藝重用實現工藝設計標準化；

    5)通過過程集成、過程重組來對生產管理問題提前考慮；

    以此來提高工藝設計效率、促進工藝創新、優化工藝設計對現場操作和生產管理的支持。以上變化促成了數字化裝配工藝系統的出現，數字化裝配工藝系統能完成傳統CAPP的一切工作，基于幾何、過程、數據模型保證了其無與倫比的靈活性、可視化和集成能力，數字化裝配工藝系統不再是一個大而全的孤立應用，而是與PLM、CAD、ERP、工藝仿真等軟件靈活集成，不同企業可以根據自身需要采用不同實現方式，與一個統一的共享數據庫連接是其共同標志。圖1是裝配工藝CAPP發展歷史。

    圖1 裝配工藝CAPP發展歷史

    2 中速柴油機數字化裝配工藝軟件功能

    分析中速柴油機裝配工藝設計現狀、與其它業務之間的關系，可以得到企業對數字化裝配工藝軟件的功能需求，進而提出符合主流技術趨勢的軟件功能結構。從總體情況來看，船用中速柴油機屬于多品種、小批量的按定單制造（MTO）模式，產品最大尺寸達到8m×2.5m×4m（長×寬×高），重量在20-90噸之間變化，圖2是船用中速柴油機，每份客戶定單都有單獨的技術規格，根據技術規格修改基型產品工程設計與裝配工藝，裝配工藝包含結構、管路、電氣三個專業，工藝總數在60個左右，現場裝配全部依靠手工完成，裝配車間生產要素結構與行為過程非常復雜，導致裝配工藝設計與人的經驗知識關系密切，重大新工藝決策和相似產品工藝設計都涉及大量知識重用，也給這項工作帶來繁瑣的圖文編制、審核校對工作，目前行業內依然使用只具有圖文編輯功能的二維CAPP進行裝配工藝設計，暴露出依賴人員經驗、事務性工作多、重復勞動大、易出錯等缺點。

    識別出裝配工藝設計自身問題之后，還要進一步分析裝配工藝設計在企業中所處的業務環境，根據系統與環境的輸入輸出關系完善軟件功能需求。與柴油機裝配工藝設計直接相關的企業功能有產品工程設計、生產管理和現場裝配。工程設計完成柴油機三維模型、工程物料清單和質量技術要求，這些信息是裝配工藝設計的輸入，在三維標注尚未應用的情況下，二維工程圖仍與三維模型并存，數字化裝配工藝軟件應能直接接收利用三維數據，基于設計模型結構進行裝配結構調整；生產管理是裝配工藝設計服務的下游“客戶”，主要功能是完成客戶定單處理，制定物資采購供應和各級生產計劃，需要裝配工藝設計提供裝配物料清單、工藝路線和工作中心信息；現場裝配也是裝配工藝設計服務的下游“客戶”，須為工人裝配操作、完工質量檢驗提供作業指導，對應現有工藝規程或工藝卡片內容。根據以上分析，結合數字化制造技術潮流，提出了中速機企業數字化裝配工藝軟件功能，如表1所示，分為“裝配工藝設計”和“裝配工藝管理”兩類功能，每類包含若干具體功能。

    表1 中速柴油機數字化裝配工藝軟件功能

    3 中速柴油機數字化裝配工藝設計

    裝配工藝設計是數字化裝配工藝軟件的核心功能，是其它功能實現基礎，也最能體現不同行業差異，以中速柴油機曲軸總成裝配工藝為對象，采用達索DELMIA軟件進行這項功能驗證。首先需要建立軟件基礎數據環境，數字化制造強調“三分技術、七分管理、十二分數據”，對裝配工藝而言主要是標準工藝數據和裝配資源數據。標準工藝數據是由工藝類型、工序方法和操作單元組成的三層結構，代表柴油機裝配車間工作分解，DELMIA提供專門的工藝庫文件來建立上述內容，可供裝配工藝設計調用。裝配資源是完成裝配動作的物理實體，分為“人員”、“設備”、“工裝”、“工具”、“裝配材料”五種類型，這種分類既取決于它們在工藝中的作用，也考慮了資源的不同成本特性，人員、設備是主動資源，通過消耗能量實現某種功能操作，另外三種都是被動資源，必須借助設備或人員才能發揮作用；非消耗性的工裝與工具只產生固定成本，大小取決于資源的擁有量而與使用程度無關，人員、設備、裝配材料產生直接變動成本，大小取決于資源使用量，人員、設備也對固定成本產生貢獻，除了分類屬性和成本管理屬性，資源對象的其它屬性包括狀態、可共享性、功能、性能、供應商等，DELMIA提供專門的資源庫文件關聯資源三維模型與屬性數據，實現二者管理維護的分離，但在工藝設計時二者整體調用，圖2是從資源庫中調用資源模型，圖3是將資源模型從資源庫中導入后，調整位置關系得到的裝配車間三維模型。

    圖2 從資源庫中調用資源模型

    圖3 裝配車間資源模型

    中速柴油機裝配工藝設計分為面向生產管理的裝配工藝規劃和面向作業指導的詳細工藝設計兩部分，裝配工藝規劃將柴油機EBOM調整為MBOM、規劃裝配工藝路線、為工藝路線中的裝配單元分配工作中心資源，從宏觀上建立產品、工藝、資源三者之間的聯系。詳細工藝設計決定裝配單元內的詳細操作，進行工序流程設計、工序內容設計，確定管理、技術參數要求。詳細工藝設計的核心是操作，裝配操作可以抽象為“人的動作、設備的動作、產品物料的空間位姿變換”三種動作要素的組合，三維工藝相比二維工藝的一大突破就是能建立、表達實體動作的動態過程，并記錄操作中實體之間相互作用，使三維工藝具備仿真分析和動態作業指導能力，即使不對操作建模，三維工藝采用三維模型配合三維標注的方式仍比二維工藝的平面文字附圖方式更具表現力，完全結構化的設計過程和設計數據也是二維工藝不能相比的，圖7是詳細工藝設計過程，圖8是工藝三維標注。

    圖4 詳細工藝設計過程

    4 中速柴油機數字化裝配工藝仿真

    盡管DELMIA能模擬任意復雜的裝配操作，但操作建模遠比三維標注更加費時，對每個操作詳細建模根本沒有必要，因此只對工序中需要仿真的操作建摸，這類操作通常有以下特點：多人員設備聯合、參裝件有較大的空間位姿變換、流程較長的高價值操作、失敗風險高等，是詳細工藝設計難點，DELMIA融為一體的建模仿真能力可以將操作建模結果實時仿真，通過仿真輸出驗證操作的可行性與經濟性、研究操作改進，達到提高工藝方案可裝配性的目的。對于大量常規操作和一些單人手工操作，則不需要建模仿真，這部分操作的重點是標準化、精細化，調用標準工藝中的文字描述或使用三維標注即可。

    DELMIA提供截面圖、透視圖、運動物體掃略體積等觀察工具，能以非常直觀的方式進行可裝配性定性評價。除此之外，DELMIA還能輸出豐富的仿真統計信息，用于可裝配性定量分析，包括時間信息和空間信息兩種類型，時間信息關系工藝操作的經濟性，空間信息決定工藝操作的可行性。空間可行性是重大新工藝設計面臨的主要問題之一，對于曲軸總裝工藝，將連桿大端預先裝到曲軸上是否妨礙曲軸總成裝入，就取決于裝配路徑上是否有干涉，DELMIA在仿真中實時監測曲軸總成滾入機身的最小間隙，一旦曲軸總成與機身碰撞，就會高亮顯示碰撞區域并暫停仿真，圖9為裝配仿真中出現的干涉情況，圖中橙色部分是平衡重塊螺栓與平衡重塊間的配合連接，屬于正常現象，黃色圓圈中的紅色區域顯示連桿大端碰到了機身上邊緣，放大后如圖10所示，需要對此問題研究解決，通過將連桿大端旋轉一定角度，然后重新模擬，新的仿真顯示干涉問題得到消除，如圖8所示，使用三維標注提示工人需要手動旋轉連桿大端。

    圖9 裝配過程中的干涉

    圖10 干涉部位放大顯示

    5 結束語

    計算機輔助裝配工藝設計經歷了電子化、半結構化、結構化，一直到今天數字化的發展階段，使產品裝配工藝設計達到前所未有的精細化水平，并成為企業內部集成的關鍵子系統。但對于以手工裝配為主的船用中速柴油機制造企業而言，從二維工藝模式向數字化裝配工藝轉型不是一蹴而就的事情，主要原因在于先進制造戰略和周圍業務環境對這項技術提出了新的復雜要求，使實施工作本身成為一項知識密集型工作，稍有不慎就會造成企業信息孤島甚至高技術擺設，在對有關問題分析研究之后，得出工程應用中需要注意的三個要點：第一是要做到裝配工藝結構化，充分發揮裝配工藝設計在企業集成中的橋梁紐帶作用，為與裝配相關的其它業務提供一致數據源；第二是要重視挖掘可視化，增強人在裝配工藝決策中的主體地位，不盲目追求自動化；第三是正確使用仿真，結合工業工程、DFA方法找準仿真應用場景，避免對這項技術過度使用。按照以上要點，采用達索DELMIA進行中速柴油機曲軸總裝工藝設計仿真，驗證了核心功能技術路線的可行性，對大型機電產品制造業具有普遍借鑒意義。

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本文標題：船用中速柴油機數字化裝配工藝設計仿真

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