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摘要：通过具体实例，介绍数字化装配工艺设计、优化与装配过程仿真方法。在装配工艺设计过程，利用计算机图形学技术构建真实的物理装配环境，引入飞机装配环境中的人/机器人、装配设备、装配工具等装配环境信息，对装配过程进行实时分析，修改、完善工艺设计方案，最终形成最优装配方案。
主题词：数字化制造 工艺设计优化 装配仿真 人机工程
1 引言
数字化技术的应用从根本上改变了传统的飞机设计和制造方式，大幅度提高了设计水平，最大限度地减少了设计返工。近年来，国外飞机数字化装配技术的研究主要集中在装配分析与仿真、装配数据管理、装配工装夹具设计制造以及自动化装配等方面。装配过程仿真与优化技术的使用使波音、 空客取得了显著的效益，如空客典型部件装配周期缩短了60％，装配工艺设计周期缩短了30％～50％，装配成本减少了20％～30％。
国内的飞机数字化装配技术研究和应用目前尚处于探索和预研阶段，以西飞为代表的飞机制造业仍然沿用传统的装配方法和手段，传统装配设计方法存在如下问题：
1) 装配工艺设计仍然使用传统的二维方式
传统二维工艺设计由工艺设计人员在头脑中抽象三维装配空间、设计装配顺序，最终用平面（二维）方式表述。其设计质量完全取决于工艺设计人员的技术水平和工作经验，操作人员需要根据工艺设计人员编发的文件及二维工程图纸在大脑中再次构建三维装配空间，理解装配顺序、装配要求，这样非常容易产生理解的二异性，造成装配错误。
2) 不能满足三维数字化条件下装配工艺设计要求
现有工艺设计中制造资源的传统二维描述导致了工艺设计过程对细节设计淡化，对制造资源及装配工艺知识描述比较弱，不能充分利用上游三维CAD数据，不能完全消除工艺设计转换造成与产品设计数据的不一致性，难以实现工艺设计的继承性、规范性、标准化和最优化。
3) 缺少科学的工艺设计优化手段
由于传统工艺设计以二维表述为主要方式，工艺设计更改、优化周期长，方案优劣依赖个人经验，缺乏定性定量分析手段，造成工艺设计水平因人而异，增加了制造周期和制造成本。
4) 无法进行三维工艺设计验证
工艺设计环境不具备三维工艺验证能力，致使装配中是否干涉、装配顺序是否合理、工艺装备是否满足需要、操作空间是否开敞等一系列问题在生产试制阶段才能暴露出来。任何一个环节出现问题，都会影响飞机研制的进度和质量。
5) 缺少典型示教的三维动态装配过程，不便于操作者使用及理解。
为了解决上述工艺设计问题，我们选用ARJ21飞机中央翼组件装配进行三维数字化装配工艺设计与装配仿真、优化分析技术应用研究，为建立飞机数字化制造体系积累技术经验。
2 数字化装配工艺设计和仿真
2.1 产品对象（ARJ21中央翼组件）装配特点
ARJ21中央翼组件是飞机中机身与外翼对接部位，是全机对接基准件。该组件装配具有协调部位多，定位精度要求高，工装定位器多，工人操作困难等特点，使得工艺设计过程细致、复杂。如果按照传统工艺设计模式，不但无法在规定时间内完成中央翼工艺准备，而可能因为考虑不周、经验不足等原因造成试制过程停工、返修等问题。
2.2 工艺设计
2.2.1 工艺设计流程
数字化装配工艺设计流程见图1。 （图片） 2.2.2 工艺设计方法
作为预研项目，我们尝试采用Dassault Systemes公司开发的DELMIA软件，根据我们制定的数字化装配工艺设计方案和预先规划的工作流程，以ARJ21中央翼为产品对象，完成了组件级数字化装配工艺设计。
2.2.2.1 工艺规划设计
在DELMIA的数字化工艺设计模块支持下，将产品数据（CATIA文件）导入数字化工艺设计环境（DPE），直接使用产品数字化定义数据实施工艺设计，有效提高设计效率，保证产品数据准确性、唯一性。工艺规划设计用两种方式完成。
方法1：
1) 在数字化工艺设计模块（二维环境），以设计树（EMBOM）为基础，构建工艺树；
2) 在数字化工艺仿真模块（DPM，三维环境），浏览三维装配顺序；
3) 依据三维模拟效果，在仿真模块下，直接修改工艺组件定义、装配顺序；
4) 也可依据三维显示状态，在数字化工艺设计模块修改，直接修改工艺组件定义。重复1，2，3操作步骤，直到获得满意规划设计，记录装配工艺设计模型。
方法2：
1) 在数字化工艺设计模块，命名工艺装配件；
2) 在仿真模块，拆分设计装配模型，获得装配顺序；
3) 在仿真模块，浏览三维动态装配顺序，修改完善工艺组件定义，直到获得满意规划设计，记录装配工艺设计模型。
2.2.2.2 工艺详细设计
在数字化工艺设计环境下，利用三维制造资源数据库（包括工装、零件架、运输车、托架以及风钻、铆枪的装配工具）和工艺知识数据（典型装配件工艺设计方案），实施工艺装配工艺详细设计。
1) 以典型装配方案为基础，完成组件AO划分和详细装配操作设计；
2) 建立每个AO/装配操作与制造资源数据关系；
3) 浏览详细装配操作顺序图（PERT图）。修改、完善1、2步设计，记录二维设计结果。
2.3 装配工艺过程仿真
在数字化工艺设计模块对装配过程进行实时仿真与分析，优化飞机零部件的装配顺序与装配路径、装配操作姿态、零部件装配所需要的工装、工具使用方案，检验装配工具的可达性、装配操作空间的开敞性，为产品设计、工装设计、工艺设计提供可靠依据。
1) 在仿真模块调入工艺详细设计结果，补充装配过程人、机操作定义；
2) 装配过程仿真，检查、验证装配过程设计；
3) 按需修改装配操作顺序图（PERT图）；
4) 重复1，2，3操作步骤，直到获得满意工艺设计，记录设计结果。
2.4 工艺设计结果输出
数字化装配工艺设计输出结果十分丰富，几乎可以实现我们想象的任何形式。可输出AVI文件，如详细装配操作AVI，三维AO等。可输出各种形式报表，例如输出包含零件三维信息/图形MBOM，零组件配套等。
3．数字化装配工艺设计特点分析
3.1 数字化装配工艺设计
与传统设计方法相比，数字化装配工艺设计有以下优点：
1) 以产品设计数据为源，在工程设计数据基础上通过增加、补充工艺设计内容的方式，建立工艺装配模型。该设计方法可以将工艺设计效率提高2-3倍，保证产品数据一致性。
2) 工艺详细设计时，工艺人员很容易获得工艺知识、制造资源详细数据，为工艺设计提供了坚强、可靠、科学支持，在很大程度上提高了工艺设计标准化、规范化程度，提高了工艺设计效率和质量，降低制造成本。
3) 二维与三维相结合的工艺设计方式，丰富的工艺设计手段，使得工艺人员可以用多种视角完成、完善工艺设计，工艺优化简单、高效、易行。
4) 丰富多彩的工艺设计输出形式，在不需要接受任何专业培训的条件下，各类人员可以方便使用工艺设计该数据。此举将节省下游工作人员工作量，很大程度提高产品数据利用率，提高工作效率。
3.2 装配过程仿真
装配过程仿真是当前先进产品设计（包含产品设计、工艺设计、维护维修设计等）验证、优化手段。DELMIA的数字化工艺仿真系统，使得工艺人员可以直观、定量、定性分析每个工艺设计细节，将以往大量再试制过程中验证、优化的设计结果，提前在计算机网络环境中模拟，不但可以提前、发现问题，而且可以通过科学测量、分析手段，设计合理的改进方案。下面是我们通过装配过程仿真发现的部分工艺设计问题及几张分析图片。
1) 中央翼下壁板距型架地板约1350mm，操作人员拿着工具很难钻进中央翼里工作，为此在工装对称两侧分别增设一个高800mm左右活动梯，方便操作人员进出（参见图2、图3）。
2) 操作人员要拿着工具钻进中央翼里工作，我们在仿真中分析得到右腿与上部躯体夹角106.532o,，接近极限113o，工作环境极为恶劣。产品设计根据仿真结构，更改连接方式，尽最大程度改善操作人员工作姿态（参见图4、图5）。（图片） 4、结论
产品数字化制造的基本前提是数字化工艺设计。Dassault Systemes、空客、波音等公司通过新机研制，已经基本实现产品数字化设计、制造、维护/维修体系，并取得了十分可观的经济效益。据报道，DS公司在其研制的新一代公务机F7X时，从产品设计、工艺设计、零件制造、部装、总装、试飞、维护等飞机寿命全过程完全数字化，每个客观存在过程均都在计算机营造的真实环境下执行过。该飞机虽然全球采购，但在制造过程中没有做过一个实物样件，没有出现过一例装配协调问题，其装配周期缩短了50%，工装费减少了66%。
我公司作为我国大型飞机生产基地，工艺设计手段、方式在不断进步，但与国际、国内先进同行比较，我们的进步速度和效果都很落后，已不能满足我们参与国内、国际民机研制、生产竞争要求，下定决心，组织足够资源发展我们的数字化工艺设计、制造体系是我们技术发展战略重中之重。
4/22/2008
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