基于數(shù)字模型的工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用

宋洋sy 2021-09-20

展開全文

自 1799 年法國學(xué)者蒙日發(fā)表《畫法幾何》以來，工程師們一直使用二維平面工程視圖來表達(dá)產(chǎn)品，然而受制于紙制二維工程圖的表現(xiàn)力，在從實(shí)物向抽象的二維視圖表達(dá)方式上浪費(fèi)了設(shè)計(jì)師 / 工程師大量的精力去定義和識(shí)別，很難避免出現(xiàn)歧義和偏差。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第 2 代工程語言，即在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域逐漸采用三維數(shù)字化實(shí)體設(shè)計(jì)加電子化二維投影工程圖的表達(dá)方法，大幅度提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，使得設(shè)計(jì)及制造技術(shù)人員可以在有三維實(shí)體模型參考的情況下進(jìn)行二維工程圖的判讀，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程語言領(lǐng)域的革命性進(jìn)步。近幾年，隨著大型三維協(xié)同設(shè)計(jì)軟件以及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)研究的進(jìn)步和成熟，在航空制造領(lǐng)域逐漸采用基于全三維數(shù)字化模型的協(xié)同設(shè)計(jì)并逐步成為第3 代工程語言。

基于模型的定義（Model Based Definition，MBD），是美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)及波音公司等經(jīng)過 10 多年的基礎(chǔ)研究，并在波音 787 飛機(jī)上正式全面推行的新一代產(chǎn)品定義方法。在基于 MBD 技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用一個(gè)集成的三維數(shù)字化實(shí)體模型完整地表達(dá)產(chǎn)品信息，即將制造信息和設(shè)計(jì)信息（三維尺寸標(biāo)注及各種制造信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息）共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，同時(shí)融入知識(shí)工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì) / 制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，從而取消二維工程圖，保證了設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的唯一性。MBD 不是簡單的三維標(biāo)注 + 三維模型，它不僅描述產(chǎn)品幾何信息，而且定義了三維產(chǎn)品幾何信息和非幾何的管理信息（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品制造要求、BOM 等），使用人員僅需數(shù)模即可獲取全部信息，減少了對(duì)其他信息系統(tǒng)的過度依賴。

近些年，MBD 技術(shù)在國內(nèi)外均處于深入發(fā)展的完善階段。波音和空客在此方面起步較早，基礎(chǔ)研究積累較好，應(yīng)用較為成熟。國內(nèi)新飛機(jī)型號(hào)也采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)并推廣了基于MBD的設(shè)計(jì)方法，但在MBD 定義和使用基礎(chǔ)技術(shù)研究方面還處于跟蹤摸索階段，尤其是基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范研究領(lǐng)域差距較大，缺乏設(shè)計(jì)制造一體化思維，基于 MBD 的工藝設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)管理方面也處于應(yīng)用探索階段，深度和廣度有待進(jìn)一步提升。近幾年智能制造受到廣泛關(guān)注并越發(fā)受到制造業(yè)的重視，但成功實(shí)施智能制造的前提是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的數(shù)字化、制造技術(shù)的自動(dòng)化以及信息系統(tǒng)與物理硬件集成化。產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字化是智能制造最根本的要求，先進(jìn)高效的工藝設(shè)計(jì)則是數(shù)字化的產(chǎn)品與自動(dòng)化制造系統(tǒng)之間的橋梁，是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

在飛機(jī)型號(hào)研制過程中，整個(gè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)金字塔模式。產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門主要進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)定義，其側(cè)重于產(chǎn)品功能的完整性和技術(shù)可行性，其數(shù)據(jù)處于金字塔頂端；制造工藝系統(tǒng)則需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品的可制造性、零部件裝配協(xié)調(diào)、供應(yīng)商產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義和控制、生產(chǎn)線工藝布局規(guī)劃、工藝裝備設(shè)計(jì)、制造構(gòu)型、裝配流程設(shè)計(jì)等進(jìn)行全面分析和規(guī)劃，其數(shù)據(jù)量大且邏輯復(fù)雜，處于金字塔中低端。以前受產(chǎn)品采用二維圖樣設(shè)計(jì)方法的限制，制造工藝系統(tǒng)大部分工作只能采用串行模式開展，因此制造單位一般需要制造昂貴的物理樣機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)和工藝協(xié)調(diào)，效率低、協(xié)調(diào)精度差、返工多、損失大。

隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，特別是產(chǎn)品采用 MBD 設(shè)計(jì)后，為制造工藝系統(tǒng)全面采用數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)和技術(shù)保障，制造工藝系統(tǒng)可以直接利用產(chǎn)品數(shù)字模型并行開展工藝性審查、裝配方案設(shè)計(jì)、生產(chǎn)線規(guī)劃、制造構(gòu)型策劃、工裝設(shè)計(jì)、物料采購等工作，大幅度提升了工作質(zhì)量和效率，產(chǎn)品數(shù)字模型已經(jīng)成為開展并行工程的信息載體和技術(shù)保障。當(dāng)前，制造工藝系統(tǒng)以產(chǎn)品數(shù)字模型為基礎(chǔ)，在以下幾個(gè)工藝設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)行了有效的探索和應(yīng)用。

1 基于數(shù)字模型的裝配協(xié)調(diào)

與產(chǎn)品設(shè)計(jì)側(cè)重于不同專業(yè)間的布置協(xié)調(diào)不同，產(chǎn)品制造是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、分階段的、不斷變化的過程。在零件加工、部件裝配、總裝測試等不同階段，產(chǎn)品與工藝裝備之間以及各級(jí)供應(yīng)商之間均需要對(duì)其協(xié)調(diào)界面進(jìn)行分離面劃分、控制要素識(shí)別、容差分配等裝配協(xié)調(diào)工作。以前裝配協(xié)調(diào)大都采用紙質(zhì)文檔、圖表、實(shí)體標(biāo)工、樣件等，其流程過長、數(shù)據(jù)分散，使用和存儲(chǔ)要求高，標(biāo)工及對(duì)應(yīng)工裝需要定期檢查維護(hù)，成本高、管理難度大。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件技術(shù)、數(shù)字化制造及測量技術(shù)不斷成熟，為飛機(jī)裝配工藝開展數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)提供了技術(shù)保障，工藝系統(tǒng)可以在產(chǎn)品數(shù)字模型基礎(chǔ)上對(duì)飛機(jī)裝配過程中所需控制的協(xié)調(diào)要素采用數(shù)字量進(jìn)行表達(dá)和協(xié)調(diào)。通常，此類模型稱為制造協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)上通過數(shù)字量的形式進(jìn)一步分解和描述零組件、裝配件以及工藝裝備的容差分配、測量要求、制造狀態(tài)等工藝控制要求，如圖 1 所示。

圖1 協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集的主要功能

協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集減少了實(shí)體標(biāo)工的使用，提升了制造協(xié)調(diào)精度，大幅度降低了研制成本，同時(shí)采用基于模型的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集后，全機(jī)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)可以與產(chǎn)品數(shù)據(jù)協(xié)同設(shè)計(jì)、統(tǒng)一管理，并作為唯一的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)源（圖 2），保證了裝配協(xié)調(diào)技術(shù)要求的準(zhǔn)確性和完整性，提高了使用靈活性，降低了管理難度。

圖2 某型號(hào)全機(jī)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集

2 基于數(shù)字模型的生產(chǎn)線三維工藝規(guī)劃

2.1生產(chǎn)線工藝規(guī)劃分類及存在問題

生產(chǎn)線規(guī)劃有多種類型，按階段可劃分為前期規(guī)劃及后期規(guī)劃，前期規(guī)劃重點(diǎn)在于總體需求和總體目標(biāo)的決策，后者側(cè)重于詳細(xì)需求的設(shè)計(jì)和布置。相對(duì)來說，前期規(guī)劃更加重要，尤其是涉及廠房等固定設(shè)施的生產(chǎn)線，前期需求決策失誤會(huì)造成資金和時(shí)間上的重大損失，比如廠房尺寸不滿足飛機(jī)通過條件，吊車選型不當(dāng)，桁架承載能力不足等。按新建和改建來分一般有兩種，一種是全新設(shè)計(jì)建設(shè)，本類型可能是應(yīng)對(duì)全新的產(chǎn)品也可能是原有生產(chǎn)線的擴(kuò)建；另一種是基于現(xiàn)有廠房等設(shè)施的改進(jìn)改造，此種類型可能是更換產(chǎn)品也可能是為了原有產(chǎn)品的產(chǎn)能改造等。前者由于沒有歷史負(fù)擔(dān)，可以按照產(chǎn)品及其產(chǎn)能最新要求進(jìn)行全新規(guī)劃設(shè)計(jì)，而后者則較為復(fù)雜，一般廠房等技術(shù)設(shè)施改造注意事項(xiàng)太多，需要從成本控制、原有設(shè)施布局可利用性、可通過性等多方面綜合考慮。

飛機(jī)生產(chǎn)線作為航空制造企業(yè)最重要的生產(chǎn)設(shè)施之一，如何充分利用有限的生產(chǎn)面積進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃是保證生產(chǎn)線高效運(yùn)行的重要課題。不管是新建飛機(jī)裝配廠房還是對(duì)現(xiàn)有廠房或生產(chǎn)線進(jìn)行改造，其建設(shè)周期一般較長，需要提前開展規(guī)劃，且飛機(jī)的裝配工藝流程復(fù)雜，裝配型架及生產(chǎn)輔助設(shè)備眾多，特別是很多飛機(jī)部件價(jià)值高、裝配周期長，廠房內(nèi)很多設(shè)施如吊車、機(jī)床、大型裝配型架等一次安裝后很難進(jìn)行布局更改。如果正式投產(chǎn)之后再進(jìn)行較大規(guī)模的工藝優(yōu)化很可能導(dǎo)致風(fēng)水電氣等布局的重構(gòu)，不但改造費(fèi)用昂貴甚至?xí)?dǎo)致生產(chǎn)線的長期停產(chǎn)，因此提前對(duì)飛機(jī)生產(chǎn)線進(jìn)行全方位的工藝規(guī)劃，理順裝配流程和空間分布，保證飛機(jī)部件安全順利地生產(chǎn)和運(yùn)輸，盡可能地優(yōu)化廠房生產(chǎn)設(shè)施的布局是一項(xiàng)重要工作。

以前生產(chǎn)線工藝規(guī)劃主要采用平面縮比模型和繪制平面簡化工程圖的方法進(jìn)行。前者是按比例制作不同的小模板來模擬飛機(jī)部件，在空地上或桌子上大致模擬廠房工藝布局，如圖 3 所示；后者則是手繪圖紙或者借助二維繪圖軟件繪制框圖替代飛機(jī)部件進(jìn)行生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃，如圖 4 所示。

圖3 采用平面縮比模型進(jìn)行生產(chǎn)線工藝規(guī)劃

上述兩種方法都只能在二維的角度上籠統(tǒng)地進(jìn)行規(guī)劃，無法從三維空間的角度評(píng)價(jià)工藝流程和設(shè)施布局的合理性，如吊車的空間布置和部件吊裝、運(yùn)輸路徑分析等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維設(shè)計(jì)軟件的進(jìn)步，采用三維數(shù)字模型開展生產(chǎn)線工藝規(guī)劃成為可能，也只有采用基于數(shù)字模型的三維可視化技術(shù)才能全方位地進(jìn)行生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃。

圖4 采用平面簡化電子工程圖進(jìn)行生產(chǎn)線工藝規(guī)劃

2.2基于數(shù)字模型的生產(chǎn)線三維工藝規(guī)劃

在不同類型的生產(chǎn)線規(guī)劃建設(shè)中，面向全新產(chǎn)品的生產(chǎn)線設(shè)計(jì)或生產(chǎn)線改造屬于最為復(fù)雜的類型，本文就此類生產(chǎn)線在不同階段下的三維工藝規(guī)劃流程及方法進(jìn)行闡述。

（1）生產(chǎn)線前期三維工藝規(guī)劃。前期工藝規(guī)劃雖不像后期詳細(xì)規(guī)劃那樣要求細(xì)致，但必須保證整體規(guī)劃和布局的科學(xué)和合理性，避免后期出現(xiàn)顛覆性更改，是對(duì)后期詳細(xì)規(guī)劃的頂層設(shè)計(jì)。采用三維可視化的技術(shù)能夠更為直觀有效地實(shí)現(xiàn)廠房前期規(guī)劃的要求，但此階段飛機(jī)還處于總體設(shè)計(jì)階段，細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)等屬于初步設(shè)計(jì)甚至未開始，因此缺少飛機(jī)部件詳細(xì)參數(shù)，不過隨著雙方工作的不斷推進(jìn)，必要參數(shù)一般可及時(shí)獲取。制造工藝系統(tǒng)的裝配方案處于總體論證階段，沒有確定的工裝設(shè)計(jì)三維模型，需要規(guī)劃技術(shù)人員依據(jù)飛機(jī)研制總方案和現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工裝簡化模型的設(shè)計(jì)。生產(chǎn)線改造還需要進(jìn)行現(xiàn)有廠房設(shè)施測量和建模，對(duì)規(guī)劃人員經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平要求較高。另外，還需選擇適于模型快速設(shè)計(jì)迭代的三維規(guī)劃軟件，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換且利于方案展示，比較適于此階段工作的軟件建議選擇CATIA、DELMIA 以及3DS MAX 等。此階段主要在于生產(chǎn)線流程的梳理、主要工藝裝備及廠房主體設(shè)施的建模、生產(chǎn)線三維總體布置及模擬分析等，如圖 5 所示。

圖5 廠房及工藝裝備等的建模與布置

（2）生產(chǎn)線后期三維工藝規(guī)劃。隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度的不斷提升以及工藝系統(tǒng)的各類制造方案業(yè)已成熟，生產(chǎn)線經(jīng)過前期方案的規(guī)劃已基本確定主要參數(shù)。此時(shí)要逐步開展生產(chǎn)線詳細(xì)且全面的規(guī)劃，此階段所需的工藝裝備數(shù)據(jù)已經(jīng)較為完善，可在規(guī)劃時(shí)直接使用，生產(chǎn)線中各類工裝的布置、氣源、電源等的管線均采用數(shù)字模型進(jìn)行定義。在全面分析產(chǎn)品生產(chǎn)流程基礎(chǔ)上，從三維立體空間的視角合理設(shè)計(jì)并對(duì)物流通道以及主體工藝流程開展三維數(shù)字化虛擬仿真模擬，避免物流瓶頸、運(yùn)動(dòng)干涉以及生產(chǎn)線運(yùn)行不暢等問題，此階段盡量選擇與產(chǎn)品設(shè)計(jì)相同的軟件開展工作，保證數(shù)據(jù)的無縫銜接，提高工作效率。當(dāng)前國內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)一般采用 CATIA 軟件，因此生產(chǎn)線后期工藝規(guī)劃可采用 CATIA 進(jìn)行布局規(guī)劃，采用 DELMIA 系統(tǒng)開展生產(chǎn)線制造工藝過程仿真驗(yàn)證。

圖6 基于DELMIA系統(tǒng)開展的生產(chǎn)線功能虛擬仿真

圖6 為基于 DELMIA 系統(tǒng)開展的生產(chǎn)線產(chǎn)能虛擬仿真驗(yàn)證。通過對(duì)生產(chǎn)線詳細(xì)分析和優(yōu)化，可進(jìn)一步完善和細(xì)化生產(chǎn)線數(shù)字模型，最終實(shí)現(xiàn)工廠完整的數(shù)字化規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并與實(shí)際工廠統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字孿生，作為生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維的技術(shù)支撐，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠打好基礎(chǔ)。

3 基于數(shù)字模型的制造構(gòu)型設(shè)計(jì)

3.1產(chǎn)品制造構(gòu)型設(shè)計(jì)存在的問題

隨著研制模式的變革和市場發(fā)展的需要，飛機(jī)研制逐步采用主供模式。供應(yīng)商負(fù)責(zé)零部件制造，主制造商負(fù)責(zé)大部件和系統(tǒng)的總裝集成，這要求主制造商不但要對(duì)全機(jī)涉及的所有零部件供應(yīng)商在廠際之間進(jìn)行高效的協(xié)調(diào)，同時(shí)主制造商需對(duì)供應(yīng)商所負(fù)責(zé)的零部件交付狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述，以便供應(yīng)商按照主制造商要求的狀態(tài)進(jìn)行交付，滿足飛機(jī)不同供應(yīng)商提供的部件之間的軟硬件交付要求。當(dāng)前國內(nèi)主制造商一般通過交付規(guī)范書明確供應(yīng)商零部件交付要求，采用紙質(zhì)版或二維電子說明文檔形式進(jìn)行交付狀態(tài)定義，即通過大量文字并附部分圖片的形式描述飛機(jī)交付狀態(tài)。此種方法編制過程以文字為主，工藝技術(shù)人員需耗費(fèi)很大精力將飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求和特殊工藝要求轉(zhuǎn)換到文字描述中，供應(yīng)商在閱讀過程中需要重新還原設(shè)計(jì)要求和主制造商的特殊工藝要求，容易出現(xiàn)識(shí)別偏差，不利于工藝信息快速準(zhǔn)確的傳遞，同樣也不利于主制造商檢驗(yàn)技術(shù)部門快速識(shí)別供應(yīng)商交付零部件的實(shí)際狀態(tài)。因此，在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)成熟的背景下，采用基于數(shù)字模型的供應(yīng)商零部件三維數(shù)字化交付規(guī)范，即在三維環(huán)境下定義供應(yīng)商零部件制造技術(shù)狀態(tài)要求，是完全可行且必要的。

3.2基于數(shù)字模型的供應(yīng)商產(chǎn)品制造構(gòu)型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要考慮功能設(shè)計(jì)，其構(gòu)型設(shè)計(jì)一般按專業(yè)劃分，不同專業(yè)設(shè)計(jì)在總體部門的協(xié)調(diào)下完成各自專業(yè)的零部件設(shè)計(jì)。工藝部門需按照供應(yīng)商現(xiàn)狀進(jìn)行廠際技術(shù)狀態(tài)策劃，明確供應(yīng)商制造構(gòu)型，因此需要將設(shè)計(jì)構(gòu)型按照實(shí)際情況轉(zhuǎn)化為制造構(gòu)型，對(duì)于如何定義供應(yīng)商零部件的構(gòu)型狀態(tài)，要考慮供應(yīng)商和主制造商各自技術(shù)和管理要求，提升管理效率。在主供模式下，主制造商只開展總裝及試飛工作，零部件均由相關(guān)供應(yīng)商提供，因此供應(yīng)商交付的零部件作為總裝階段的零部件，也是開展總裝工藝指令編制的配套輸入，故需按總裝工藝流程要求明確供應(yīng)商需制造的零部件狀態(tài)，例如部件的制造細(xì)節(jié)要求，如余量、留位、導(dǎo)孔等。另外還要考慮零部件質(zhì)量控制、裝配協(xié)調(diào)、工藝裝備以及入廠驗(yàn)收等要求。對(duì)于主制造商，供應(yīng)商制造構(gòu)型應(yīng)盡可能集成工藝設(shè)計(jì)部門、質(zhì)量部門、采購部門以及車間裝配工藝要求，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)供應(yīng)商零部件制造和交付狀態(tài)統(tǒng)一、完整、準(zhǔn)確的表達(dá)和控制，使其作為供應(yīng)商構(gòu)型狀態(tài)控制的唯一數(shù)據(jù)源。

（1）基于數(shù)字模型的供應(yīng)商產(chǎn)品制造工作包定義。

綜合設(shè)計(jì)構(gòu)型特點(diǎn)、主供模式管理要求、總裝階段工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入要求、產(chǎn)品入廠檢驗(yàn)驗(yàn)收要求，供應(yīng)商制造構(gòu)型可采用工作包形式進(jìn)行劃分，即將設(shè)計(jì)構(gòu)型按照實(shí)際制造分工進(jìn)行分解重組為以供應(yīng)商為單元的工作包，每個(gè)工作包中劃分為部組件和散件狀態(tài)。對(duì)于部組件或散件工藝技術(shù)細(xì)節(jié)要求以及其他相關(guān)要求，通過單獨(dú)的數(shù)字模型（描述制造交付要求的模型 , 簡稱交付 R 模型）進(jìn)行表達(dá)。所有供應(yīng)商的工作包統(tǒng)一規(guī)劃，即為全機(jī)制造構(gòu)型（可簡化理解為 PBOM）。

從國內(nèi)外主供模式分析，供應(yīng)商主要分為兩種類型，第 1 種是僅負(fù)責(zé)單一結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的制造，此類稱之為專業(yè)化供應(yīng)商；第 2 種可提供多種系統(tǒng)件的制造，此類稱之為集成供應(yīng)商?？湛凸镜墓?yīng)商主要是集成供應(yīng)商，波音公司的主要供應(yīng)商既有集成供應(yīng)商也有專業(yè)化供應(yīng)商。針對(duì)不同類型的工作包分工，可采用兩種不同的構(gòu)型劃分方式，具體如圖 7和 8 所示。

上述工作包中所述的部組件狀態(tài)、散件狀態(tài)以及交付 R 模型分別描述供應(yīng)商零部件的制造過程及交付時(shí)的構(gòu)型和細(xì)節(jié)技術(shù)狀態(tài)要求，兩者統(tǒng)一組成供應(yīng)商產(chǎn)品制造構(gòu)型。

針對(duì)某一型號(hào)主要供應(yīng)商均只負(fù)責(zé)專業(yè)化零部件制造的特點(diǎn)，供應(yīng)商制造構(gòu)型可按圖 7 模式進(jìn)行定義。采用上述劃分方案可以將供應(yīng)商交付的零組件構(gòu)型與總裝階段消耗的配套進(jìn)行有效銜接，保證供應(yīng)商交付的零部件狀態(tài)與總裝物料需求的一致性，圖 9 所示為供應(yīng)商交付構(gòu)型與總裝工藝設(shè)計(jì)配套輸入的關(guān)系。

主制造商完成總裝階段裝配工藝指令設(shè)計(jì)后可形成總裝階段的詳細(xì)物料清單和需求拉動(dòng)計(jì)劃用于供應(yīng)鏈部門制定全機(jī)采購計(jì)劃。

（2）基于數(shù)字模型的供應(yīng)商零部件三維數(shù)字化交付規(guī)范設(shè)計(jì)。

在主供模式下，供應(yīng)商需要主制造商明確其零部件交付時(shí)的具體狀態(tài)，如零部件數(shù)量、導(dǎo)孔位置及數(shù)量、裝配孔位置及數(shù)量、余量的位置及參數(shù)、臨時(shí)連接的部位等實(shí)物狀態(tài)；需要明確其負(fù)責(zé)零部件的相關(guān)工藝測試要求，如部件測量數(shù)據(jù)以及相關(guān)系統(tǒng)試驗(yàn)性能等；同時(shí)還需要明確相關(guān)軟件材料，如實(shí)物構(gòu)型、測量報(bào)告、試驗(yàn)報(bào)告以及質(zhì)量報(bào)告等。通過采用基于模型的三維數(shù)字化交付規(guī)范，可以保證供應(yīng)商制造零部件時(shí)所需工藝信息的完整性、準(zhǔn)確性和可讀性。三維數(shù)字化交付規(guī)范由部組件構(gòu)型、散件構(gòu)型以及交付 R 模型組成（架構(gòu)形式見圖 7 和 8），部組件及散件為設(shè)計(jì)構(gòu)型的分解和重組，底層零件與產(chǎn)品設(shè)計(jì)一致。

圖7 面向?qū)I(yè)化供應(yīng)商的制造構(gòu)型定義

部組件構(gòu)型中 ICI（CI 為構(gòu)型項(xiàng)，ICI 為不變構(gòu)型項(xiàng)，無版次控制；VCI 與 LCI 為可變構(gòu)型項(xiàng) , 有版次和有效性控制）構(gòu)型項(xiàng)全部清除，僅保留設(shè)計(jì)構(gòu)型中的VCI 和 LCI 及以下層級(jí)。針對(duì)部分 VCI 和 LCI 項(xiàng)會(huì)出現(xiàn)跨供應(yīng)商的情況，需要進(jìn)行拆分，同時(shí)要與原有 VCI 和 LCI 關(guān)聯(lián)，以便同步跟蹤設(shè)計(jì)更改，不過此類情況會(huì)導(dǎo)致制造構(gòu)型管理變得復(fù)雜，因此應(yīng)在設(shè)計(jì)構(gòu)型策劃階段與相關(guān)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，細(xì)化構(gòu)型分離面，避免 VCI 和 LCI 項(xiàng)跨供應(yīng)商的情況出現(xiàn)，盡可能地保證設(shè)計(jì)模塊劃分與制造模塊劃分一致。

圖8 面向集成供應(yīng)商制造構(gòu)型定義

散件項(xiàng)即供應(yīng)商以散件形式交付的零件和小組件，與部組件相同，存在拆分設(shè)計(jì)構(gòu)型項(xiàng)的情況，故工藝技術(shù)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)構(gòu)型策劃階段協(xié)調(diào)，將單個(gè)工作包的散件置入單個(gè)VCI 或 LCI 中，便于設(shè)計(jì)更改跟蹤和實(shí)物構(gòu)型控制，簡化管理流程。

圖9 供應(yīng)商交付零部件與主制造商MBOM關(guān)系

交付 R 模型用于描述供應(yīng)商零部件制造的細(xì)節(jié)要求以及質(zhì)量、試驗(yàn)等管理要求，同時(shí)還需要明確數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)信息。交付 R 模型采用 MBD 形式表達(dá)，采用飛機(jī)坐標(biāo)系進(jìn)行相關(guān)模型定義，以 MR（Manufacturing Requirement）進(jìn)行命名，其主體架構(gòu)如圖 10 所示。編制人員或供應(yīng)商使用人員將交付 R 模型與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品同時(shí)加載即可在三維可視化的環(huán)境下進(jìn)行編制或讀取。圖 11 所示為某飛機(jī)部件交付R 模型集的使用示意圖。

圖10 交付R模型總體架構(gòu)

圖11 某飛機(jī)部件交付R模型使用示意圖

采用 MBD 形式表達(dá)零部件制造技術(shù)狀態(tài)時(shí)，可充分利用其信息量承載大的特點(diǎn)，將工藝狀態(tài)要求、管理要求等盡可能多的信息采用標(biāo)準(zhǔn)化的描述定義到模型中，按照某型號(hào)對(duì)供應(yīng)商的管理要求，交付 R 模型詳細(xì)設(shè)計(jì)說明見表 1。

表1 交付R模型詳細(xì)設(shè)計(jì)說明

4 裝配工藝規(guī)劃和指令編制

當(dāng)前，國內(nèi)大部分裝配工藝設(shè)計(jì)部門依然按照傳統(tǒng)方式進(jìn)行裝配工藝的規(guī)劃和指令編制，導(dǎo)致三維數(shù)字化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)在裝配工藝設(shè)計(jì)階段出現(xiàn)斷層，使得三維數(shù)字化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確完整傳遞給工藝設(shè)計(jì)部門，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、連續(xù)性被割裂，手工編制裝配指令費(fèi)時(shí)費(fèi)力，工人現(xiàn)場使用時(shí)還需查閱大量設(shè)計(jì)技術(shù)文件以及各類工藝性文件，可讀性和操作性極差，一線操作者理解困難，現(xiàn)場指導(dǎo)作用較差。

因此，裝配工藝設(shè)計(jì)部門需要適應(yīng)全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的新形勢，開發(fā)三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，基于產(chǎn)品數(shù)字模型進(jìn)行裝配工藝的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。

圖12 基于DELMIA系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)典型架構(gòu)

圖 12 為基于 DELMIA 系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)典型架構(gòu)。工藝人員利用設(shè)計(jì)部門在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)并發(fā)放產(chǎn)品的三維數(shù)模，通過數(shù)據(jù)接口將產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并將產(chǎn)品的三維數(shù)模關(guān)聯(lián)到每個(gè)工序上，在三維可視環(huán)境下進(jìn)行工藝規(guī)劃和零組件劃分，直觀地反映裝配狀態(tài)和工藝過程，最后生成現(xiàn)場使用的三維可視化裝配指令來指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)。

基于數(shù)字模型的三維數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)不僅是編制三維裝配指令，而是貫穿裝配工藝設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，不同階段有不同的側(cè)重點(diǎn)，這個(gè)過程主要包含以下 3 個(gè)階段。

第 1 階段：工藝系統(tǒng)接收產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)模型，分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與設(shè)計(jì)人員協(xié)商初步確定工藝分離面并制定初步的裝配方案；然后在三維仿真軟件內(nèi)進(jìn)行裝配方案可行性的初步分析，制定總體裝配方案，分析可能的裝配難點(diǎn)和重點(diǎn)，本階段也稱之為前期工藝性審查。

第 2 階段：工藝系統(tǒng)接收較高成熟度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，在三維仿真軟件內(nèi)對(duì)重點(diǎn)部位（必要時(shí)對(duì)全部）結(jié)構(gòu)件、管路、自動(dòng)化裝配設(shè)備等進(jìn)行裝配過程和人機(jī)功效的詳細(xì)仿真分析，發(fā)現(xiàn)并解決產(chǎn)品、工裝以及工藝方面的問題，如圖 13 所示。

圖13 人機(jī)功效及自動(dòng)化裝配虛擬仿真

第 3 階段：按照設(shè)計(jì)部門發(fā)布的最終三維 MBD 設(shè)計(jì)模型，創(chuàng)建PBOM，其架構(gòu)參照?qǐng)D 7 和 8。在數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中進(jìn)行裝配工藝的詳細(xì)規(guī)劃和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及資源庫的創(chuàng)建，在三維可視化的環(huán)境下進(jìn)行零組件以及標(biāo)準(zhǔn)件的劃分，在全三維的環(huán)境下對(duì)裝配指令進(jìn)行工步級(jí)的細(xì)節(jié)編輯及工時(shí)定義，編制從工步級(jí)到站位級(jí)的裝配工藝流程，最終生成現(xiàn)場使用的標(biāo)準(zhǔn)格式的三維可視化裝配工藝指令（也可定制輸出二維工藝指令）、零組件物料需求清單和物料拉動(dòng)計(jì)劃等，如圖14~17 所示。

圖14 裝配工藝規(guī)劃及零組件劃分

圖15 裝配工藝流程規(guī)劃

圖16 裝配工藝指令工時(shí)定義

圖17 標(biāo)準(zhǔn)格式的三維可視化裝配工藝指令

基于模型的三維裝配工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)可按照相關(guān)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理及審簽控制，其通過數(shù)據(jù)接口可以與 ERP 以及 MES 系統(tǒng)進(jìn)行集成，給相關(guān)系統(tǒng)提供物料采購信息以及現(xiàn)場執(zhí)行所需的工藝數(shù)據(jù)信息。同時(shí)針對(duì)民機(jī)研制過程中適航審查要求所需輸出的 6 大類報(bào)表等均可自動(dòng)創(chuàng)建和輸出，提高了工作效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性。

結(jié)論

本文通過對(duì)當(dāng)前數(shù)字化設(shè)計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀的分析，闡述了基于數(shù)字模型開展工藝設(shè)計(jì)的必要性和可行性，經(jīng)過近幾年數(shù)字化裝配技術(shù)、協(xié)調(diào)技術(shù)的研究，開展了基于數(shù)字模型的工藝設(shè)計(jì)應(yīng)用的探索，在裝配協(xié)調(diào)、生產(chǎn)線規(guī)劃、供應(yīng)商制造構(gòu)型定義、三維數(shù)字化交付規(guī)范設(shè)計(jì)以及裝配工藝規(guī)劃和指令編制等領(lǐng)域進(jìn)行了有益探索并取得了較好的應(yīng)用效果。后續(xù)將在工程實(shí)踐基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善技術(shù)路徑，同時(shí)也需要設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)進(jìn)一步融合，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一體化，為實(shí)施智能制造提供技術(shù)和組織保障。

本站是提供個(gè)人知識(shí)管理的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)空間，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，不代表本站觀點(diǎn)。請(qǐng)注意甄別內(nèi)容中的聯(lián)系方式、誘導(dǎo)購買等信息，謹(jǐn)防詐騙。如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)點(diǎn)擊一鍵舉報(bào)。

轉(zhuǎn)藏 分享

QQ空間 QQ好友新浪微博微信

獻(xiàn)花（0） +1

來自：宋洋sy > 《73-數(shù)字化技術(shù)及工藝信息化》

舉報(bào)/認(rèn)領(lǐng)