【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 維模型完全取代了傳統(tǒng)的工程圖紙，實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)制造。 在飛機(jī)機(jī)體裝配設(shè)計(jì) /制造過程中，需要定義及使用大量的標(biāo)準(zhǔn)件，通常標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)量占全機(jī)零件數(shù)量的 80%左右，為了提高效率，航空企業(yè)普遍采用了Catia 或 VPM 提供的標(biāo)準(zhǔn)件庫功能，利用知識(shí)工程（ KnowledgeWare）模塊中的Formular 命令 、 Design Table 命令以及 Catalog 命令功能進(jìn)行參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件建航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 9 模。在建模時(shí)首先利用 Formular 命令建立參數(shù)，并為這些參數(shù)合理地命名，在建立模型時(shí)把這些參數(shù)同模型的主要尺寸關(guān)聯(lián)起來，之后利用 Design Table 的命令把這些模型參數(shù)存儲(chǔ)到表格中，最后將數(shù)據(jù)表格與模型同時(shí)入庫，也就是Catalog 功能，在使用時(shí)實(shí)時(shí)利用表格之中的參數(shù)進(jìn)行模型的驅(qū)動(dòng)，生成新的模型，從而形成標(biāo)準(zhǔn)件的系列化和組合化，一次建模、重復(fù)引用 。這樣標(biāo)準(zhǔn)件簡(jiǎn)化表達(dá)，方便檢修飛機(jī)的各部位。 第三章 數(shù)字化車 間 為降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)規(guī)劃與制造之間的不確定性，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，構(gòu)建了而向數(shù)宇化車間的布局與生產(chǎn)仿真框架；針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)零散，不能保證各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性的缺陷，提出了基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的制造資源庫模型，對(duì)制造過程中的所有資源進(jìn)行有效管理。引用而向?qū)ο蠹夹g(shù)，對(duì)車間進(jìn)行三維布局設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于產(chǎn)品、工藝、規(guī)劃、資源組成的復(fù)雜離散生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真模型。最后，以某軍工制造企業(yè)的數(shù)控加工車間為例，對(duì)車間的生產(chǎn)線布局進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，證明了模型的有效性 。 車間布局與仿真框架模型 先 進(jìn)制造系統(tǒng)首先是一個(gè)集成化的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)隨著產(chǎn)品的制造過程在各個(gè)系統(tǒng)中創(chuàng)建、存儲(chǔ)、傳輸和轉(zhuǎn)換，如產(chǎn)品、工藝、生產(chǎn)計(jì)劃與控制和生產(chǎn)資源等。數(shù)字化車間是數(shù)字化工廠技術(shù)在車間層的具體應(yīng)用，本文構(gòu)建的數(shù)字化車間布局仿真的框架如圖 31 所示。產(chǎn)品的信息以物料清單 (Bill of Material， BOM)的形式存儲(chǔ)在 PDM 系統(tǒng)中，三維制造工藝可以在工藝設(shè)計(jì)系 統(tǒng)CAPP中進(jìn)行規(guī)劃并通過系統(tǒng)間的集成保存在 PDM系統(tǒng)中 。生產(chǎn)計(jì)劃與控制數(shù)據(jù)可以通過 ERP 系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng) ( Manufacturing Execution System ， MES)系統(tǒng)進(jìn)行創(chuàng)建和執(zhí)行。制造資源管理庫 (Manufacturing Resource Library ， MRL)是構(gòu)建數(shù)字化車間的基礎(chǔ)，為整個(gè)生產(chǎn)過程提供數(shù)據(jù)支撐 。通過可視化技術(shù)和智能終端從分布式數(shù)控 (Distributed Numerical Control， DNC)系統(tǒng)和 MES 獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息對(duì)制造資源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 10 圖 3 1 數(shù)字化車間布局與生產(chǎn)仿真框架 現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)需要根據(jù)主導(dǎo)產(chǎn)品的類型、產(chǎn)量、加工工藝等系統(tǒng)特性選擇加工設(shè)備、物流設(shè)備以及各種輔助設(shè)備，結(jié)合車間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行空間配置，并充分考慮設(shè)備之間在空間位置上的協(xié)調(diào)性和控制的連續(xù)性，以確保整個(gè)系統(tǒng)的暢通和自動(dòng)化，因此需要考慮的因素很多。如果采用傳統(tǒng)方法，利用簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)輔助二維平面設(shè)計(jì)，或采用現(xiàn)場(chǎng)布置的方法，由于無法實(shí)現(xiàn)預(yù)估未知因素，缺少對(duì)各種設(shè)計(jì)方案的分析比較，將很難得到最優(yōu)方案，而且一旦需要調(diào)整方案，其過程會(huì)非常繁瑣。制造系統(tǒng)的車間布局包括制造單元布局和物流路徑布局。傳統(tǒng)的布局方法通常將兩者分割開來，作為兩個(gè)單獨(dú)的問題進(jìn)行求解，即先進(jìn)行單元布 局，再進(jìn)行物流路徑布局。這種方法的缺點(diǎn)在于：當(dāng)單元布局完成后，很難在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步導(dǎo)出合理的物流路徑；或者在導(dǎo)出合理的物流路徑之后卻發(fā)現(xiàn)原先的單元布局并不如預(yù)期的好，存在很多問題。數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用能夠解決車間布局設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)化提取及其系統(tǒng)集成，虛擬車間布局可以生成最優(yōu)化車間布局方案。 車間生產(chǎn)線仿真模型 生產(chǎn)仿真可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃和生產(chǎn)控制構(gòu)建一個(gè)數(shù)字化驗(yàn)證平臺(tái)，為分析和優(yōu)化生產(chǎn)過程提供依據(jù)。生產(chǎn)仿真預(yù)防了設(shè)計(jì)規(guī)劃中存在的問題，降低了設(shè)計(jì)規(guī)劃與生產(chǎn)之間的不確定性，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性 和產(chǎn)品的成功率。 生產(chǎn)仿真是數(shù)字化工廠系統(tǒng)的主要組成部分，需要 MRL、 PDM 、 CAPP 、MES 、 ERP 系統(tǒng)和車間布局的支持，如圖 32 所示。首先，將運(yùn)用 PERT 技術(shù)將航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 11 P3R 集成在設(shè)備數(shù)字模型中，以確定設(shè)備之間的相互關(guān)系，通過生產(chǎn)線仿真，輸出運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)。 圖 3 2 數(shù)字化車間生產(chǎn)優(yōu)化模型 飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì) 飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)是為飛機(jī)裝配提供工藝技術(shù)上的準(zhǔn)備，是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段開始的，并經(jīng)歷了研制試制前的工藝準(zhǔn)備、研制試制生產(chǎn)、小批生產(chǎn)和大批生產(chǎn) 的全過程。主要內(nèi)容如下： （ i） 劃分裝配單元和確定裝配順序。根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)工藝特征，合理進(jìn)行工藝分解，將部件劃分為裝配單元。裝配順序是指裝配單元中各構(gòu)造元素的先后安裝次序。 （ ii） 確定裝配基準(zhǔn)和裝配定位方法。裝配基準(zhǔn)是指保證飛機(jī)外形準(zhǔn)確度所采用的零件的定位基準(zhǔn)，是在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定的。裝配工藝設(shè)計(jì)的任務(wù)是采用合理的工藝方法和工藝裝備來保證裝配基準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。裝配定位方法是指確定裝配單元中各組成元素相互位置的方法。常用的裝配定位方法包括劃線定位法、基準(zhǔn)件定位法、裝配孔定位法、裝配型架定位法以及結(jié)合數(shù)字化測(cè)量的定位方法。選擇保證裝配準(zhǔn)確度、互換、協(xié)調(diào)的理論和方法，主要內(nèi)容包括制定裝配協(xié)調(diào)方案，確定協(xié)調(diào)路線，明確協(xié)調(diào)要素、協(xié)調(diào)容差與協(xié)調(diào)控制環(huán)節(jié)，關(guān)鍵和重要協(xié)調(diào)部位的檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)容差，選擇標(biāo) 準(zhǔn)工藝裝備和主要生產(chǎn)裝備，確定工裝與工裝以及工裝與結(jié)構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，合理利用設(shè)計(jì)和工藝補(bǔ)償?shù)取? （ iii） 確定主要裝配元素的交接和供應(yīng)技術(shù)狀態(tài)。交付和供應(yīng)技術(shù)狀態(tài)是對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件提出的工藝狀態(tài)要求，工藝狀態(tài)可分為指令性狀態(tài)和交接狀態(tài)。指航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 12 令性狀態(tài) （ iv） 包括部件對(duì)接時(shí)的技術(shù)狀態(tài)，各工藝環(huán)節(jié)的容差分配，重要協(xié)調(diào)部位在裝配過程中的定位基準(zhǔn)、定位方法以及有協(xié)調(diào)要求的主要零件的制造依據(jù)及檢驗(yàn)要求等。 （ v） 進(jìn)行詳細(xì)工藝規(guī)劃，確定裝配過程中的工序、工步組成。主要內(nèi)容包括裝配前的準(zhǔn)備工作；零組件的定位、夾緊、連接；系統(tǒng)、成品安裝；互換部位的 精加工；各種調(diào)整、試驗(yàn)、檢查；清洗、稱重和移交，以及工序檢驗(yàn)和總檢等。 （ vi） 選定所需的工具、設(shè)備和工藝裝備。主要工作內(nèi)容包括編制通用工具清單；選擇通用設(shè)備和專用設(shè)備的型號(hào)、結(jié)構(gòu)、數(shù)量；申請(qǐng)工藝裝備的項(xiàng)目和數(shù)量，并對(duì)工裝的功用、結(jié)構(gòu)和性能等提出設(shè)計(jì)技術(shù)要求。 （ vii） 零組件、標(biāo)準(zhǔn)件、材料的配套。包括按工序?qū)α慵蜆?biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行配套、計(jì)算材料定額以及按部件匯總標(biāo)準(zhǔn)件和材料。 工藝設(shè)計(jì)是收到正式文件開始設(shè)計(jì)，首先，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、生產(chǎn)要求以及企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)狀況，進(jìn)行裝配單元?jiǎng)澐?，給出裝配順序，建立裝配工藝樹；然后進(jìn)行詳細(xì)的工藝 規(guī)劃，包括確定裝配基準(zhǔn)，制定裝配協(xié)調(diào)方案，進(jìn)行工藝容差分配，明確工序、工步組成、選擇或設(shè)計(jì)工藝裝備等內(nèi)容；然后根據(jù)裝配工藝規(guī)程或裝配指令進(jìn)行裝配仿真驗(yàn)證，修正工藝規(guī)劃方案，直到得到滿意的仿真結(jié)果。最后，正式發(fā)放工藝模型和工藝指令，用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)的一般流程如圖 33 所示： 圖 3 3 飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)過程 數(shù)字化產(chǎn)品裝配 飛機(jī)裝配技術(shù)經(jīng)歷了從傳統(tǒng)手工裝配、半機(jī)械半自動(dòng)化裝配、機(jī)械自動(dòng)化裝配到柔性裝配的發(fā)展過程。近二十年來，國(guó)外飛機(jī)裝配技術(shù)發(fā)展迅速，以 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 13 B77 A3 A380、 F2 F35 等為代表的新型軍用和民用飛機(jī)集中反映了飛機(jī)裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下方面：采用基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的數(shù)字量尺寸協(xié)調(diào)體系，實(shí)施數(shù)字化尺寸工程技術(shù)，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和裝配仿真實(shí)現(xiàn)裝配過程優(yōu)化，應(yīng)用柔性模塊化的工裝技術(shù)、加工和檢測(cè)單元并集成應(yīng)用為一系列的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化裝配，大量采用了長(zhǎng)壽命連接技術(shù) ，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、高效率和低成本裝配，以滿足現(xiàn)代飛機(jī)長(zhǎng)壽命、高靠性、高效率和低成本的制造要求。 在飛機(jī)的裝配工作中，國(guó)外知名的航空企業(yè)，如波音、空客等，都采用了先進(jìn)的裝配理念和方法，主要包括決定性裝配方法、基于柔性工裝的裝配方法、無型架裝配方法、自動(dòng)鉆鉚技術(shù)以及數(shù)字化檢測(cè)和測(cè)量技術(shù)等。裝配理念和方法具體如下： （ i） 決定性裝配方法 決定性裝配 （ Determinant Assembly， DA）是將零件設(shè)計(jì)成按預(yù)先定義的接合面進(jìn)行裝配，在裝配過程中不需要定位工具或復(fù)雜的測(cè)量與調(diào)整。按照波音公司的定義，決定性 裝配方法特點(diǎn)：是一種面向裝配的設(shè)計(jì)方法，要求零件具有高的制造準(zhǔn)確度，采用高精度數(shù)控機(jī)床完成關(guān)鍵特征的加工，零件加工直接依據(jù)工程設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行，不需要借助工裝，在裝配過程中，充分利用裝配件的關(guān)鍵特征之間的空間位置關(guān)系定義一系列的坐標(biāo)孔來定位相關(guān)裝配對(duì)象，取消了復(fù)雜的專用工裝，保證裝配件的一致性和高裝配質(zhì)量。 （ ii） 柔性工裝技術(shù) 工藝裝備是飛機(jī)制造中必備的一種設(shè)備或工具，具有保證飛機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率和降低制造成本等作用。工裝的設(shè)計(jì)和制造周期直接影響產(chǎn)品的研制效率，因此有必要縮短工裝研制周期。柔性工 裝是基于產(chǎn)品數(shù)字量尺寸體系的，可重組的模塊化、自動(dòng)化工裝系統(tǒng)，能夠通過快速調(diào)整和重組，滿足對(duì)不同機(jī)型的相似結(jié)構(gòu)的定位和夾緊等制造需求，應(yīng)用柔性工裝減少傳統(tǒng)的專用工裝和夾具，這樣減少工裝成本，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期提高生產(chǎn)效率。柔性裝配工裝在國(guó)外飛機(jī)制造中得到了廣泛應(yīng)用，典型的應(yīng)用包括飛機(jī)壁板柔性裝配工裝、水平安定面升降舵柔性裝配工裝、機(jī)身柔性裝配工裝、翼梁柔性裝配工裝和總裝用的柔性對(duì)接工裝系統(tǒng)等。 （ iii） 自動(dòng)化制孔技術(shù) 飛機(jī)結(jié)構(gòu)件形狀復(fù)雜、多為薄壁件，傳統(tǒng)的制孔工藝效率低，精度和質(zhì)量難以保證為了滿足現(xiàn)代飛機(jī)長(zhǎng)壽命、高效 率和高質(zhì)量等需求，采用柔性、低成本的自動(dòng)化設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行精密制孔。自動(dòng)化制孔設(shè)備主要包括龍門式自動(dòng)制孔系統(tǒng)、機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)、柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔系統(tǒng)、自主移動(dòng)式自動(dòng)化制航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 14 孔系統(tǒng)和便攜式自動(dòng)制孔系統(tǒng)等。 （ iv） 數(shù)字化測(cè)量技術(shù) 傳統(tǒng)的飛機(jī)制造主要采用模擬量傳遞的互換協(xié)調(diào)體系，測(cè)量和檢驗(yàn)的主要工具為模線樣板、標(biāo)準(zhǔn)樣件等實(shí)物標(biāo)工。因數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展，先進(jìn)的數(shù)字化測(cè)量、定位和檢驗(yàn)技術(shù)開始應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)制造中，常用的數(shù)字化測(cè)量設(shè)備包括激光跟蹤儀、激光雷達(dá)和局域 GPS 等，這些設(shè)備應(yīng)用于工裝安裝定位、部件裝配定位、部件對(duì)接裝 配以及裝配質(zhì)量檢測(cè)等環(huán)節(jié)。數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：具有動(dòng)態(tài)測(cè)量能力，數(shù)據(jù)處理并行度高，高精度測(cè)量復(fù)雜結(jié)構(gòu)；通過網(wǎng)絡(luò)工作，測(cè)量數(shù)據(jù)可以共享；數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)與機(jī)電控制系統(tǒng)、機(jī)械隨動(dòng)裝置等由計(jì)算機(jī)組成一套完整的數(shù)字化裝配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和指令傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)代飛機(jī)裝配技術(shù)正在向自動(dòng)化、柔性化和全數(shù)字化的方向發(fā)展，對(duì)飛機(jī)裝配工藝設(shè)計(jì)提出了新的要求。 因裝配序列方案隨零件數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)，擴(kuò)大并行工作面，提高裝配效率，所以復(fù)雜產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配單元?jiǎng)澐?，裝配單元是指在其包含的零件之間的裝配約束下，能夠滿足 規(guī)劃要求、并且作為整體進(jìn)行規(guī)劃不被其他裝配單元干涉的的獨(dú)立子結(jié)構(gòu)。在一定的裝配約束條件下，劃分滿足規(guī)劃要求的裝配單元集合，裝配單元?jiǎng)澐值幕驹瓌t主