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摘要：基于数字样机的三维数字化装配工艺设计与仿真技术是现代数字化制造中的一门新兴学科，通过应用研究我们认为它解决了产品设计与加工制造之间的瓶颈问题，实现了并行工程。并且能够在产品实际装配之前找出产品、工艺与资源的缺陷，避免了资金、时间和人力方面的浪费。
关键词：数字样机、工艺设计、瓶颈、并行工程；
一、引言
在制造企业的生产流程中，工艺工作贯穿于整个流程当中。工艺设计处于产品设计和加工制造的中间环节，它是生产技术准备工作的第一步。工艺设计工作不仅涉及到企业的生产类型、产品结构、工艺装备、生产技术水平等，甚至还要受到工艺人员实际经验和生产管理体制的制约，其中的任何一个因素发生变化，都可能导致工艺设计方案的变化。工艺设计产生的工艺总方案、工艺路线和工艺规程是进行工装制造和零件加工装配的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、提高生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都有直接的影响，因此是整个生产流程中的关键性工作。但由于工艺设计技术的开发和应用远落后于产品设计技术和产品制造技术，以及制造业特有的传统的串行工作方式，使得工艺设计成为产品制造的瓶颈，并且占用了很长的产品研制周期。图.1 （图片）
图1 工艺设计成为产品制造的瓶颈随着现代计算机技术、网络技术的发展，数字化工艺设计技术逐步发展起来，典型的代表就是CAPP（计算机辅助工艺设计）。CAPP虽然部分替代了人的手工劳动，缩短了工艺设计时间，降低了劳动强度，提高工艺文件的质量，缩短生产准备周期，但它没有根本改变传统的串行工艺设计模式。工艺人员根据产品图纸、工艺标准、工装、设备等，所做的工艺设计在车间实际生产（式制）时，还是要不断的更改，不能保证其工艺设计的合理性、适用性。
二、制造业工艺设计的现状
工艺设计工作包含的内容和基本流程为：
1、设计部门给出产品设计图纸后，首先要转到工艺部门进行工艺审查，工艺审查的目的是了解设计图上有关结构形状、尺寸公差、材料及热处理方法等方面的信息对其进行工艺性分析和审查（工艺性是指所设计的产品在能满足使用要求的前提下，加工制造和维修的可行性和经济性）。经过工艺审查后，工艺部门提出修改意见返回设计部门进行设计图的修改，此时产生的工艺文件是“工艺审查记录单”。
2、设计部门在对产品设计图纸进行修改时，工艺部门同时要进行工艺总方案设计，此时的工艺文件是“工艺总方案”。
3、修改后的产品设计图纸转到工艺部门后，工艺人员要进行工艺路线的编制及工艺规程的编制，基于工艺规程，工艺人员要完成如“设备汇总”，“工装汇总”等工作。对需要进行工艺装备设计的提出工装申请，由工装设计部门进行工装的设计。
4、制造部门组织生产，物资供应部门组织物资供应。
5、在产品生产过程中，根据实际情况，部分工艺规程的内容可能会有所调整和修改，相应的工艺汇总文件必须修改相关的内容。所有的工艺文件还要经过设计、校对、批准、标准化、会签等工作流程。见图.2（图片）
图.2 产品研制流程6、产品经过试制、修改到最后定型，产品设计、工艺设计和共装设计也随之定型。
目前国内制造业在产品制造过程中处于重要地位的装配过程基本沿袭了数字量传递与模拟量传递相结合的工作模式，装配工艺的设计主要采用计算机辅助工艺过程设计系统进行，但仍然停留在二维产品设计的基础上。另外，工艺设计与产品设计存在着时间和空间上的差异，没有建立紧密的联系，无法进行协同工作。可以看到，由于受传统的设计、制造方法和工具的限制，产品的研制都是串行工作方式。工艺设计的时间大部分耗费在工艺与设计、工艺与制造的反复工作上。
目前工艺设计的不足之处：
1、产品设计的工艺性审查周期较长；
要在产品设计打佯出图后,工艺部门才能对产品设计进行工艺性审查,针对可加工性和经济性对设计提出更改意见，一般周期都较长。然后，设计针对工艺提出的意见对设计图纸进行修改，若改动较大则大大延长设计周期，这是一个反复迭代过程。
2、不能及时发现工艺方案、工艺路线以及工艺规程的设计中的错误；
工艺设计中隐藏的错误难以在设计过程中被人为的发现，装配工艺的优化基本上是凭工艺员的经验，工艺设计中存在的问题往往要在产品实际装配过程中才被发现,但此时工艺设计错误已带来了产品、周期、人力和费用的损失。
近年来，一些西方发达国家通过协同工作平台进行并行产品数字化定义，建立了全机数字样机，实现了数字化模块化设计与柔性制造，如波音777、 JSF联合攻击机、A380等，大大缩短了研制周期，减少了工装，降低了成本，取得了明显的技术、经济效益。与此同时，数字化装配工艺设计与仿真技术也随着数字化制造技术的发展取得了实质性的进步，一些著名的飞机制造公司开始应用专用软件系统如DELMIA等进行装配工艺设计与仿真，利用车间执行系统实现了生产现场可视化装配。
我国的飞机数字化装配技术现处于起步阶段，设计部门建立全机数字样机的工作已经取得实质性的成果，因此如何在数字样机基础上，结合我国的国情通过协同工作平台建立三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真环境，实现产品设计、装配工艺设计、装配工装设计的并行工作方式，是我们需要急切解决的课题。
三、三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真系统
随着现代计算机技术、网络技术的发展，以及协同平台的建立，为并行工程奠定了基础。三维数字化装配工艺设计系统，是以飞机全机数字样机为基础,工艺流程为中心，在产品的制造过程中，完全以数字量传递。
三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真工作的条件：
1、构建数字化网络协同平台；
2、产品设计、工艺设计和工装设计全数字化；
产品和工装采用三维数字化建模，
3、标准化；
产品和工装建模标准化，工艺设计标准化。
DELMIA是Dassault Systemes(达索系统公司)旗下的品牌，DELMIA是由整合Deneb，Delta和Safework三家软件公司的解决方案而组成的e-Manufacturing解决方案。DELMIA名称取自DIGITAL ENTERPRISE LEAN MANUFACTURING INTERACTIVE APPLICATION，寓意数字企业精益制造交互式应用，提供以生产工艺过程为中心的最全面的数字制造方式与解决方案。可全面满足制造业中按订单生产和精益生产等分布式敏捷制造系统的数字仿真需求。DELMIA主要包括DPE（Digital Process Engnieer）和DPM（Digital Process Manufacture）。DPE类似CAPP，但功能远远超过CAPP。DPM主要用于工艺设计的验证和仿真。
我公司于2005年初引进DELMIA，首先，建立三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真系统，使用两台Dell PowerEdge 2800服务器，分别作数据库服务器和License服务器。使用十台Dell 670工作站作为客户端。服务器和客户端安装相应的软件，服务器与客户端用百兆D-Link交换机连接。见图.3
PROCESS PLANNING是工艺人员基于产品的三维数模，在PPR（产品、工艺、资源）数字化协同工作平台的支持下，进行产品装配工艺分离面的划分，然后设置各个装配工位，安排各个工艺的顺序。结合EBOM确定各个工序需要装配的零、组件项目以及所支持的工装、夹具、工具等，进行三维数字化工艺设计。
三维数字化工艺设计是用树状结构表示，具体的树状结构特性由PTS（客户化）制定，一般由项目主干分成产品结构树、工艺结构树、资源结构树三个分支，各个分支根据自己的属性及需要可往下再分。（图片）
图.3 三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真系统将三维数模数据（属性）导入产品节点，并将三维数模数图形连接在每个零件上，在编制工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形。在工艺分离面划分的基础上，对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位，确定在每个工位上装配的零组件项目，在三维数字化设计环境下构建各装配工位的段件装配工艺模型，并制定出产品各工位之间关系的装配流程图，形成装配PBOM。
在工位划分的基础上，依据段件装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内的段件装配工艺模型零组件的装配顺序，以及需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的AO号。
在DPM中利用已编制好的装配工艺流程，在定义好每个零件的装配路径的基础上，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。以及在对装配顺序仿真过程中对每件零件、成品等进行干涉检查，当系统发现零件之间存在干涉情况时应予以报警，并示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。
在协同平台上设计部门的全机数字样机按基线（成熟度）发放到PDM后，工艺部门就开始工艺设计，在设计的同时完成工艺性评审和工装订货。与此同时，工装部门开始工装设计。此时设计、工艺、工装三部门并行完成自己的工作,见图.4。待工装设计和工艺设计完成的时候进行装配工艺仿真，在仿真中发现的产品设计、工装设计的问题通过协同平台及时反馈到设计部门和工装部门。在做工艺仿真的时候，新一轮产品三维数模又发出，那么对应新的一轮工艺设计和工装设计又开始了。就这样反反复复，直到产品设计冻结。可以看到与传统的串行模式不同，产品设计、工装设计和工艺设计都是并行作业，。由于工艺设计和工装设计工作的提前进行，产品的研制周期大大缩短。真正实现了为制造而设计DFM （Design for Manufacturing）或设计制造一体化的最佳运作方式。由于在定制工装、购买设备工具和开始实际生产之前，就已经分辨和解决了大部分潜在的设计、工艺变更，因此为变更所产生的花费大幅度的降低。（图片）
图.4 设计、工艺、工装三部门并行工作四、三维数字化装配工艺设计
装配工艺设计是在对飞机产品结构分析的前提下,在现有制造能力(车间、设备、工艺方法、标准、人力)的基础上，制定装配流程，确定装配方法，并定义各装配环节所需要的制造资源。在数字样机基础上进行的装配工艺设计过程主要任务如下：
1、全机设计分离面与工艺分离面的划分。在数字化协同工作平台的支持下，根据数字样机在三维数字化环境下进行全机工艺分离面的划分，结合EBOM确定各工艺装配部件、段件需要装配的零、组件项目，构建工艺大部件模型。（图片）
图.5工艺分离面的划分2、装配工位的划分与装配流程设计。在工艺分离面划分的基础上，对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位，确定在每个工位上装配的零组件项目，在三维数字化设计环境下构建各装配工位组件装配的工艺模型。确定装配工艺基准和装配定位方法，并制定出全机各工位之间关系的装配流程图，见图.5。
3、将产品三维数模的数据EBOM按工艺分工导入三维数字化装配工艺设计环境中，构建产品装配结构树PBOM。并且把每个零件的三维数模（立体图）与结构树相关联，见图.6。（图片）
图.6构建产品装配结构树4、段件装配方案的设计。在工位划分的基础上，依据段件装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内的段件装配工艺模型零组件的装配顺序，以及需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的AO号、每本AO需要装配的零组件项目及工作的内容制定反映工位内各AO关系的AO的装配流程，提出装配工装、夹具的订货技术要求。
5、根据装配工装、夹具的订货技术要求，工装部门以三维数模的形式设计以下资源：
·装配型架、对合型架、精加工型架、补铆夹具等；
·工作平台、托架、吊挂、工作梯、推车等；
·专用工具等；
6、制造资源的定义。在环境中对车间、装配工位、装配工装、夹具、工作平台、托架、工具等制造资源，依据工艺划分和装配流程进行设计，构建资源结构树。并且把每个工装、工具的三维数模（立体图）与结构树相关联，见图.７。（图片）
图.7 构建资源结构树7、详细装配工艺设计。在AO划分基础上，依据段件装配工艺模型进行详细的装配工艺过程设计，定义该过程所需要的标准件，在三维数字化环境下确定该装配工艺过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，并选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等一系列的制造资源，形成用于指导生产的AO。在这里将零件和工步关联，将工装与工位关联，见图.８。（图片）
图.8 详细装配工艺设计8、装配生产线三维工艺布局设计。在数字化环境下，建立厂房、地面、起吊设备等三维制造资源模型，将已经建立的各装配工艺模型和装配型架、工作平台、夹具等制造资源三维模型放入厂房中，按照确定的装配流程进行全面的工艺布局设计，见图.9。三维工艺布局比传统的二维工艺布局更直观，充分体现了三维空间的状况。并且在数字环境下可以仿真生产流程。（图片）
图.9 三维工艺布局设计在上述数字化工艺设计过程中，可以借用过去已经建立的装配工艺模型、典型装配工艺流程、制造资源模型等，实现基于工艺知识和典型制造资源快速数字化装配工艺过程设计，有利于提高资源的继承性和通用性。
五、三维数字化装配工艺装配过程仿真
由于飞机结构零件数量多，装配关系极其复杂，又需要有大量的制造资源支持，致使装配工艺设计难度很大，仅凭工艺工程师的个人的经验，在数字化装配工艺过程设计中就难免会有各种工艺设计错误或工艺设计不合理的情况，如果这些错误在产品实际装配过程才发现的话，就会造成大量的产品、资源返工和工艺修改，甚至整个工艺布局和装配流程的调整，给制造周期、生产成本等都将带来不可估量的损失。所以三维数字化装配过程仿真是产品实物在实施装配以前对装配工艺进行验证的最佳方法，它时间短、费用低。
在DPM 环境中，通过调用数据库中存储的工艺设计信息，进行装配仿真验证。
1、装配干涉的仿真。
在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，通过对每个零件、成品和组件的移动、定位、夹紧和装配过程等进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并示给出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否与周边环境有碰撞。在三维环境中，检查过程非常直观，如图.10 所示。（图片）
图.10 装配干涉的仿真2、装配顺序的仿真。
在虚拟环境中，依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。虽然配顺序设计是按先里后外的原则设计的，但实际装配时候就发现有零件装不上去，无奈只有拆除别的零件，来先装这个零件，如图.11 所示。（图片）
图.11 装配顺序的仿真3、人机工程的仿真。
产品装配的过程，少不了人的参与，产品移动的过程也就是人动作的过程。在产品结构和工装结构环境中，按照工艺流程进行装配工人可视性、可达性、可操作性、舒适性以及安全性的仿真。将标准人体的三维模型放入虚拟装配环境中，针对零件的装配，对工人以下工作特性进行分析，如图.12 所示。
·可视性；是否看得见，看多大范围。
·可达性；工人的身体或肢体是否能到达装配位置。
·可操作性；空间大小或零件重量是否便于工人操作。
·舒适性；工人承受的负荷以及操作时间（次数）是否使工人容易疲劳。
·安全性；工人在较高的位置操作等。（图片）
图.12 人机工程的仿真4、可视化装配与人员培训。
以上装配过程的三维数字化仿真文件（或制作成AVI 文件），可以在生产现场指导工人对飞机进行装配，帮助工人直观了解装配全过程，实现可视化装配。也可用于维护人员的上岗前培训。
5、虚拟数字化工厂仿真。
在工厂三维工艺布局中，放入产品、工人，按照已经设计好的装配工艺流程进行产品、资源、流程及操作者之间溶为一体的三维动态仿真。通过仿真功能使车间布局更加符合工艺布局原则：
1）遵循工艺规程原则；
2）最短路线原则；
保证各个工位之间、各个设备之间，物料和人员流动的距离最短，采用最优的工艺流程，使物流过程合理，不发生交错和混乱。从而做到物流畅通、物流时间少，费用低。
3）生产力均衡的原则；
4）充分利用空间和场地的原则；
5）方便运输的原则；
6）安全和环保的原则；
7）快速重组的原则；
六、工艺设计优化
前面谈到的三维数字化装配工艺设计与仿真工作只能验证该工艺方案的可行性，用该工艺方案是可以把产品制造出来，但没有考虑时间、成本、费用等因素。每一种工艺方案发生的时间、成本、费用都可能不一样，所以说只通过仿真验证而不关注设备、人力利用率的工艺设计方案不是一个最优的方案。
1、时间分析
在企业生产活动中，劳动定额是不可缺少的因素，是企业经营管理的一项重要基础工作。
正确制定和严格执行工时定额（劳动定额），对于企业
1）合理组织生产
2）贯彻按劳分配原则
3）完善经济责任制
4）实行经济核算、加强成本管理
有着重要的作用。但面对日新月异的市场，随着新的工艺方法应用、设备、工装改进等条件的变化，企业不可能用传统的方法费时费力地去制订一套新的工时定额。所以在做工艺设计的时候就把工时定额考虑进去。
标准工时也可称工时定额、定额时间，是指为完成某一产品（零部件）或某项生产任务的时间消耗限额。通常由作业时间、布置工作地时间、休息和生理需要时间、准备与结束时间四部分组成。在实际计算标准工时时，就是在确定了正常时间的基础上，加上各种因素限制所必须宽放的时间，即为标准工时。即：标准工时=正常作业时间+宽放时间。
DELMIA 提供MTM、UAS 、MEK 等时间分析方法，将企业标准工序分解成一系列动作,并利用MTM ,UAS 等方法给每个动作赋予时间值，创建成卡片格式，作为工时计划的依据。在DPE 中用工时数据卡为相关工序和AO 的操作指定描述和工时。 这样每个工步具有了工时定额，在AO 中合计构成AO 工时。在AO 中通过对某些工步工艺方法和工序的修改或调整，在能够完成装配的条件下使AO 工时最少，见图.13。（图片）
图.13 时间分析2、制造概念
工厂里可能每个工位都要使用地面、设备、工具、人力、电力、压缩空气、水等资源，这些资源的使用是要产生费用的，所以生产计划中希望提高、设备、工具、人力的利用率。（图片）
图.14 制造概念在DPE 中根据工艺流程图，建立了制造概念，利用LAYOUT 显示了生产系统的结构，包括整个工艺设计的每个工位。按照工艺顺序，资源可以是并行的结构、串行结构或单一的工位。每个工位连接有产品、工艺和资源，并且工人、运送装置将会和资源一起显示，见图.14。
通过对生产线上的资源进行评估，在成本和使用率上优化资源，评估的结果将对公司合理安排生产计划有很好的帮助。
七、总结
通过三维数字化虚拟装配工艺设计和装配过程仿真工作，我们认识到三维数字化装配工艺设计和装配过程仿真系统在数字化制造中有以下优势：
1、容易实现产品设计、工艺设计、工装设计的并行工程,因而降低产品研制风险、缩短产品研制周期,减少了开发成本；
2、在产品实际(实物)装配之前,通过装配过程仿真,及时地发现产品设计、工艺设计、工装设计存在的问题,有效地减少装配缺陷和产品的故障率, 减少因装配干涉等问题而进行的重新设计和工程更改。因此,保证了产品装配的质量；
3、装配仿真过程产生的图片、视频录象直观地演示装配仿真，使装配工人更容易理解装配工艺，减少了装配过程反复，减少了人为差错；
4、装配仿真过程产生的图片、视频录象可用于对维修人员的培训；
5、提高信息和资源的共享，减少资源的浪费；
6、对新产品的开发，通过三维数字化装配工艺设计与仿真,减少了技术决策风险，降低了技术协调成本；
7、通过三维数字化装配工艺设计与仿真, 进行时间工时分析、车间三维工艺布局、资源规划和评估，有利于提高生产计划的准确度；
8、可提高企业在产品开发研制方面的快速应变能力，适应激烈的市场竞争和不同的用户需求；
9、提高了产品的技术创新能力；
在应用中DELMIA 不足的地方：
1、产品的数模在仿真时形状是不可改变的，有些板金件臂如加强件和连接件在装配过程仿真时和周边环境干涉。但实际装配这些板金件时，都要通过预先产生一定的形变安装到位，软件不能模拟这一过程；
2、DELMIA 在装配过程仿真时未考虑产品自身重力的影响；
八、结束语
在虚拟制造环境下基于数字样机的数字化装配工艺设计是一门新兴的学科，相信该项技术的应用将引发制造业的一场革命，在技术和经济方面都将取得巨大的效益，同时通过Delmia 三维数字化装配工艺设计与仿真系统在新项目上全面开展应用，为建立和完善企业数字化制造体系，为企业提升核心竞争力与可持续发展打下了坚实的基础。
参考文献：
1、《现代工艺管理技术》 中国铁道出版社；
2、《航空制造工程手册》 航空工业出版社；
4/22/2008
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