航空復雜產品具有客戶需求、產品組成、產品技術、涉及學科專業、制造流程、試驗維護、項目管理、工作環境等特點，并且產品生命周期長、技術含量高、生產和質量要求嚴格。裝配是航空復雜產品設計過程中的重要環節，其結果直接關系到產品的質量、性能、壽命和可維護性。在制造過程中，裝配時間約占總生產時間的20%～50%，裝配費用占制造總費用的20%～30%。為了縮短產品裝配周期，降低裝配成本，提高裝配質量，航空產品的裝配工藝規劃、設計必須從基于二維圖紙的傳統模式向基于三維模型面向產品全生命周期的新模式轉變。
三維CAD軟件在國內的推廣和應用極大提高了機械產品的設計效率，一些大型航空企業已經開始推廣基于MBD的產品三維模型設計，不再繪制二維圖紙，但是當今主流三維CAD系統只能實現裝配體結構設計和簡單的干涉關系檢驗等功能，不能實現裝配工藝設計，不能檢驗產品和工藝裝備在裝配過程中是否存在干涉關系。國外比較著名的數字化裝配軟件主要包括Visualization Mockup、Tecnomatix和DELMIA，這些系統提供了裝配仿真功能，卻不能實現設計、工藝和制造部門的信息集成以及產品數據的全生命周期管理。
面向PLM(Product Lifecycle Management)的航空復雜產品裝配工藝規劃、設計與仿真(Computer Aided Assembly Process Planning，CAAPP)系統是把三維模型貫穿產品全生命周期，通過計算機對產品的可裝配性、裝配工藝的合理性、工藝裝備的適用性等進行分析、仿真，評價和優化產品裝配模型，以達到縮短產品開發周期、提高裝配質量和效率、降低生產成本以及優化產品性能等目的。本文對CAAPP系統進行了關鍵技術研究和系統開發，并討論了該系統的應用模式。
面向PLM的三維裝配工藝需求分析
航空復雜產品形狀復雜、批量小、零件規格差異大、可靠性要求高；產品的定型是一個復雜而精密的過程，往往需要多次的設計、測試和改進，耗資大、耗時長。航空復雜產品的裝配工藝特點如下：
(1)航空產品的裝配過程復雜，一般將其分解為總裝、組裝和部裝；各組、部件裝配過程一般由清洗、裝配公差計算、機械部分裝配、電子元器件裝配、布線、測試等部分組成，產品的裝配是一個機裝、電裝、布裝混合的過程。
(2)航空產品結構布局一般較為緊湊，裝配空間狹小，不便于使用工裝、儀器設備，裝配過程中經常出現工裝、夾具設計不合理造成無法裝配的情況。因此，工裝、夾具的返修率高、研發周期長、研發費用高。
(3)產品生產批量較小，如果對所有型號產品進行試制、試裝配，將會進一步提高產品的生產成本，延長產品生命周期。
(4)產品形狀結構復雜，零件裝配路徑曲折，僅僅依靠工藝員的空間想象力難以體現真實裝配情況，裝配工藝的編制難度較大。
(5)零部件數量較多，尺寸差別很大，經常出現零件錯裝、漏裝的情況，僅僅依靠二維裝配工藝很難理解裝配過程，需要裝配工藝人員在裝配現場指導工人進行裝配。
傳統的裝配工藝規劃模式存在大量的問題，主要包括：裝配工藝人員要從二維圖紙中提取出大量的裝配工藝信息，工作量很大；裝配工藝以文字說明為主，并通過工藝附圖輔助工人理解復雜工裝、關鍵工序，裝配工人對產品的整體結構沒有直觀理解，裝配工藝中的工藝裝備與裝配現場的裝配資源難以一一對應起來；裝配現場的工裝、夾具、儀器設備數量較大、種類繁多，工藝人員依靠二維圖紙設計出的工藝裝備往往不太合理，甚至在裝配過程中與產品發生干涉，導致無法裝配；由于缺乏可靠的仿真驗證手段，只能在裝配現場發現裝配問題，再對工藝裝備進行重新設計，整個過程非常繁瑣，延長了產品的研發周期。
面向PLM的航空復雜產品裝配工藝規劃、設計與仿真業務流程如圖1所示。
圖1 面向PLM的裝配工藝規劃、設計與仿真業務流程
裝配工藝人員根據產品的三維模型和裝配工藝標準規范完成工藝分工和任務分工；獲取組、部件三維模型并進行裝配序列規劃，設計裝配工藝路線；進行裝配工序的詳細設計，確定各裝配工步的工步內容，并進行工裝、夾具的設計，分配裝配工藝裝備；進行裝配路徑規劃，并進行裝配仿真及干涉檢查，如果發生干涉則對裝配路徑進行調整；輸出裝配仿真圖片、視頻、裝配工藝PDF文件以支持裝配現場可視化瀏覽。
CAAPP系統開發
我國某航空企業產品布局緊湊，形狀結構復雜，零部件數量多，尺寸差異較大，生產批量小，產品升級較快；裝配工藝復雜，裝配現場工裝、夾具數量很多，經常出現錯裝、漏裝情況。目前該企業的產品數據管理(Product Data Management，PDM)系統為西門子公司的Teamcenter 8.3，計算機輔助工藝規劃(Computer Aided Process Planning，CAPP)系統為西北工業大學的CAPPFramework 2007，三維CAD系統為NX 6.0。作者針對該企業生產實際，利用Visual Basic 6.0開發了面向PLM的航空復雜產品裝配工藝規劃、設計與仿真系統，系統軟件平臺為西門子公司的Tecnomatix軟件，數據庫為Oracle 10g。
1 系統的功能架構
CAAPP系統由裝配工藝規劃、設計和裝配工藝仿真、裝配工藝文件生成模塊以及數據庫系統、CAPP系統、PDM系統、三維CAD系統組成，系統的功能架構如圖2所示。
圖2 CAAPP系統功能架構
系統各主要組成部分功能如下：
(1)三維CAD系統：設計產品、工藝裝備的三維模型（全格式三維模型，以“*.PRT”表示）。
(2)PDM系統：工藝分工、任務分工，工藝人員權限管理，裝配工藝的審批、發布。
(3)裝配工藝規劃、設計模塊：裝配序列規劃、裝配工藝路線設計、裝配工序詳細設計。
(4)裝配工藝仿真模塊：規劃裝配路徑并進行裝配過程仿真和干涉檢查，生成包含工藝標注的裝配仿真圖片（JPG格式，以“*.JPG”表示）、仿真視頻（AVI格式，以“*.AVI”表示）、仿真動畫（通用三維圖形格式，以“*.U3D”表示）。
(5)裝配工藝文件生成模塊：生成裝配工藝（Excel文件，以“*.XLS”表示）以支持工藝人員預覽，并將仿真動畫轉換為3D PDF文件。
(6)CAPP系統：根據工藝信息和仿真文件，形成裝配工藝規程。
該系統與PDM系統集成，通過Tecnomatix軟件與PDM系統的集成接口獲取三維模型，通過預定義的XML文件對零部件的基本屬性信息進行映射以獲取相關信息。
該系統與CAPP系統集成，根據裝配工藝規劃、設計和仿真的結果在裝配工藝規劃、設計模塊中生成裝配工藝信息文件(Extensible Markup Language文件，以“*.XML”表示)，其中包含裝配仿真文件的保存路徑信息，CAPP系統解析該文件并獲取裝配仿真文件，形成裝配工藝規程。
2 工藝分工和任務分工
航空企業的工藝部門一般分為企業級工藝部門和車間級工藝部門，企業級工藝部門可以對產品進行裝配工藝性審查，設計PBOM(工藝BOM)；在PDM系統中確定各組部件的裝配車間及總裝車間，并生成分單位目錄報表以完成工藝分工；車間級工藝部門根據工藝分工的結果，在PDM系統中指定工藝設計人員進行裝配工藝編制，以實現任務分工。
3 產品三維模型的獲取
為了進行裝配工藝編制，系統需要從PDM系統中獲取產品的三維模型和名稱、代號等基本屬性信息。由于PDM系統與裝配工藝規劃、設計模塊的差異性，對同一屬性的定義可能不同，導致零部件的基本屬性信息無法直接從PDM系統中獲取，需要通過XML文件定義屬性之間的映射關系。圖3為通過集成接口獲取產品的三維模型。
圖3 產品三維模型的獲取
4 裝配工藝規劃
系統支持產品三維模型瀏覽，可以顯示產品的裝配結構，調整各零組件在裝配結構中的位置可以完成裝配序列規劃。產品裝配工藝節點下可以建立裝配工序，完善各工序屬性信息并通過Pert圖分配零組件，可以設計出裝配工藝路線。圖4為在CAAPP系統中進行裝配工藝規劃。
圖4 裝配工藝規劃
5 裝配工藝設計
裝配工序節點下可以建立裝配工步并完善各工步屬性信息，裝配工藝裝備可以導入系統裝配資源庫并進行分配。系統能自動統計裝配工藝信息，并顯示在工藝、工序、工步的屬性界面中，便于工藝人員查看并進行修改、完善。圖5為在系統中進行裝配工藝設計。
圖5 裝配工藝設計
6 裝配工藝仿真
系統的運動導航工具可以將零組件拖動、轉動，將其從裝配體拆卸下來，利用“求逆”工具可以將拆卸路徑轉化為裝配路徑，系統能夠進行裝配路徑自動規劃。在裝配過程仿真時可以進行動態干涉檢查，以驗證裝配路徑及裝配工藝裝備設計的合理性。圖6為在系統中進行裝配工藝仿真。
圖6 裝配工藝仿真
7 裝配工藝文件生成和裝配現場可視化瀏覽
該航空企業裝配工藝的編制、審批、發布都是在PDM與CAPP的集成系統完成的，裝配工藝中的特殊符號需要在CAPP中進行填寫完善在裝配仿真完成后，可以在三維模型中標注出工藝要求和注釋，截取裝配仿真圖片，錄制仿真視頻，制作出裝配仿真U3D文件。CAAPP系統可以自動將U3D文件轉為3D PDF文件，并將裝配工藝信息、仿真文件保存路徑進行統計并以工藝XML文件的形式輸出；CAPP系統可以解析裝配工藝XML文件并生成裝配工藝文件，根據仿真文件保存路徑獲取仿真文件，以支持裝配現場可視化瀏覽，如圖7所示。由于3D PDF文件被關聯到工藝卡片中，所以不需要包含文字性工藝信息。
圖7 裝配現場可視化瀏覽
結束語
通過對航空復雜產品及其裝配工藝的特點的研究，說明了傳統的裝配工藝規劃、設計模式存在的問題，并提出了面向PLM的航空復雜產品裝配工藝規劃、設計與仿真系統的功能架構及一般流程，討論了裝配現場應用模式。根據某航空企業的生產實際開發了一個基于Tecnomatix軟件的裝配工藝規劃、設計與仿真系統，目前該系統在該航空企業中運行一年多的時間，完成了30多個組部件酌裝配工藝規劃、設計與仿真，并能夠支持裝配現場瀏覽裝配仿真圖片、視頻、3D PDF動面，有效指導了裝配現場進行裝配工作，提高了生產效率，縮短了產品預研周期。但是目前該系統不能對線纜、電子元器件進行建模和裝配仿真，這些將是下一步要集中研究的方向。
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