三维数字化装配设计与仿真优势
通过三维数字化虚拟装配工艺设计和装配过程仿真，发现 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）在产品实际（实物）装配之前，通过装配过程仿真， 可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。 （２）装配仿真过程产生的图片、视频录像直观地演示装配 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。 （３）装配仿真过程产生的图片、视频录像可用于对维修人 员的培训。 （４）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。 （５）通过三维数字化装配工艺设计与仿真，进行工时分析、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。 （６）可提高企业在产品开发研制方面的快速应变能力，以 适应激烈的市场竞争和不同的用户需求。 （７）提高了企业的技术创新能力。 （８）利用数字标工达到装配过程协调以数字量传递，简化 和减少了实物工装， 并且使用数字测量技术保证了装配质量。
42 ・中国制造业信息化・２０１２ 年 １ 月
陕飞公司基于 ＤＥＬＭＩＡ 的某飞机三维数字 化装配工艺流程
ＤＥＬＭＩＡ 软件是达索公司的一款可针对飞机装配中
２０１２ 年 １ 月・ｗｗｗ．ｍｉｅｃｈｉｎａ．ｃｏｍ・
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ＤＥＬＭＩＡ 技术在陕飞某飞机中具体应用的工作流程进行阐释。 第一步：Ｐ Ｂ Ｏ Ｍ 的编制及各种数据的准备 （１ ）在协同平台上根据 Ｅ Ｂ Ｏ Ｍ 进行 Ｐ Ｂ Ｏ Ｍ 的编制； （２）利用产品及资源的 ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 模型生成三维数字化装 配工艺设计 ＤＥＬＭＩＡ 软件所需用到的 ＣＧＲ 模型及 ｓｍｇｘｍｌ 模型， 并将这些格式的模型存放在指定位置，以备导入数据时读取。 第二步：Ｐ Ｂ Ｏ Ｍ 数据的导入 将来自数字化协同平台的 Ｘ Ｍ Ｌ 格式的 Ｐ Ｂ Ｏ Ｍ 通过二次开 发的接口程序导入到 Ｄ Ｅ Ｌ Ｍ Ｉ Ａ 的 Ｄ Ｐ Ｅ 软件模块中，构建产品 的结构树， 同时使得三维数模数据 （属性） 导入到产品节点下。 第三步：组件、工艺分离面的划分 完成数据导入工作后，在 ＤＥＬＭＩＡ 软件的 ＤＰＥ 模块中，根 据生产批量、装配能力进行工艺分离划面，并结合 Ｅ Ｂ Ｏ Ｍ 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。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的工艺模 型。确定装配工艺基准和装配定位方法，制定整个装配体各工 位之间的装配流程图。 第四步：Ｍ Ｂ Ｏ Ｍ 的编制 根据组件和工艺分离面的划分，完成 Ｍ Ｂ Ｏ Ｍ 的建立，并 将每个零件的三维数模（立体图）与产品的结构树相关联，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，并定义装配过程对应的 Ａ Ｏ 号。并将 Ａ Ｏ 需要装配的零组件项目及工作的内容制定反 映工位内各 Ａ Ｏ 关系的装配流程上。 第五步：详细的装配工艺规划 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，确定该装配工 艺过程零组件、标准件、辅助材料等装配顺序，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。 第六步：装配仿真验证与优化 在三维数字化虚拟装配环境下，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， 并仿真生产中的物
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流（如图 ２ ） 。在 Ｄ Ｅ Ｌ Ｍ Ｉ Ａ 的 Ｄ Ｐ Ｍ 软件模块中，依据设计好的 装配工艺流程对每个零件、成品和组件进行移动、定位、夹紧 和装配操作，在装配的过程中进行零件与零件、零件与工装的 干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并会显示干涉区 域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析。 第七步： ＷＫＣ 可视化文件编制 按照优化后的工艺规划设计结果进入 Ｄ Ｅ Ｌ Ｍ Ｉ Ａ 系统的 Ｗ Ｋ Ｃ 模块中应用Ｃｏｍｐｏｓｅｒ 软件中进行工步的视图设计， 包括装配尺寸 标注、制孔信息、定位信息和工装使用信息等装配信息备注，完 成工步级装配可视化文档编制（见图 ３） 。 第八步：Ａ Ｏ 内容及可视化文件输出与管理 通过二次开发的程序将 ＤＥＬＭＩＡ 中设计完成的 ＡＯ 内容提 取到 ＣＡＰＰ 中的相应模板中，包括 ＡＯ 内容页，辅材配套表、标 准件配套表、零件配套表等文档信息，同时输出仿真视频和工 步视图，将上述各种配套表和内容页通过协同平台进行审签发 放，并通过 Ｍ Ｅ Ｓ 系统实现现场可视化装配（见图 ４ ） 。
图 １ 数字化制造流程
并在大脑中再次构建三维装 配过程，这样易产生理解的 二异性，造成装配错误。 （２）无法满足三维数字 化条件下装配工艺设计要求 目前存在的工艺设计系 统中制造资源采取的传统二 维描述，这导致其工艺设计 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，同时不能充分利用 上游三维 ＣＡＤ 数据，难以实现工艺设计的继承性、规范 性、标准化和最优化。 （３）飞机的装配周期不易保证 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。 （４）缺少典型示教的三维动态装配过程，不便于装 配工人使用及理解。 为了解决上述工艺设计问题，我们选用某型机部件 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。
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Ｄ Ｅ Ｌ Ｍ Ｉ Ａ 数字化装配工艺设计 与过程仿真流程
■ 中航工业陕西飞机工业（集团）有限公司 冷毅勋、代正会、赵轶、徐晓伟 金航数码科技有限责任公司 沈波
数字化装配工艺设计与 过程仿真技术在现代飞机的 设计和制造中扮演的角色将 越来越重要。 目前， 国际上以 飞机和汽车为代表的大型复 杂产品研制企业都已将数字 化装配技术应用于生产中， 并取得了显著的效益。无论 是波音还是空客公司，目前 基本上已实现了数字化装配。波音公司的 ７Ｅ７ 飞机已经 采用航空制造业的装配解决方案，实现了整机的三维虚 拟装配仿真和验证。 极大的缩短了设计变更，缩短了工 艺规划时间，提高了产量并降低了生产成本。空客系列 飞机也已采用了数字化装配技术，资料显示其典型部件 装配周期缩短 ６０％，飞机装配周期缩短 １０％ 以上，装配 工艺设计周期缩短 ３０％～５０％，装配返工率减少 ５０％，装 配成本减少 ２ ０ ％ ～３ ０ ％，大大提高飞机装配质量，极大 限度满足客户要求。 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，以陕西飞机制造公司为代表的飞机制 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） 飞机装配工艺设计仍然使用传统的二维方式表达 传统的工艺设计是由工艺设计人员在头脑中首先想 象出三维装配空间、设计装配顺序，并用平面（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，其次是装配工人需要根据工艺设计人员 编发的文件及二维工程图纸理解装配顺序、装配要求，
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图 ２ 三维数字化环境下工厂布局和装配仿真 验证与优化图
图 ３ 应用 Ｄ Ｅ Ｌ Ｍ Ｉ Ａ 中 Ｗ Ｋ Ｃ 模块在 ３ Ｄ Ｖ Ｉ Ａ Ｃｏｍｐｏｓｅ 软件中实现工步视图设计
图 ４ Ａｏ 内容及可视化文件输出与管理
的工艺设计及按其设计要求进行装配仿真验证的软件， 它给工艺工程师、工装设计师提供了与产品设计师共同 的可视化交流和协同工作平台，使制造部门的工作人员 可以及早的参与到产品的研发中去，与设计人员并行的 开展工作，从而使得在设计过程中能够充分的考虑零件 的工艺特性， 部件的可装配性和产品的可维护性等因素， 帮助企业实现 “面向制造的设计” 和 “面向维护的设计” 。 陕西飞机制造公司自 ２０１０ 年开始在某型飞机上全面使 用 ＤＥＬＭＩＡ 软件进行了的产品定义、组件的划分、全三维工 艺规划、装配仿真与优化、人机工程仿真与分析、三维工作 指令的发放以及各种报表的输出等功能模块。本文主要就
基于模型的数字产品定义的数字化制造流程
国内飞机设计将采用基于模型的产品数字化定义 （ＭＢＤ， Ｍｏｄｅｌ Ｂａｓｅｄ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）技术， 其特点是：产品 设计不再发放传统的二维图纸，而是采用三维数字化模
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型作为飞机零件制造、部件装配的依据。传统的二维工 艺设计模式已经不能适应全三维设计要求。随着现代计 算机技术、网络技术、工艺设计与数字化仿真软件技术 的发展以及协同平台的建立，为三维数字化装配工艺设 计和并行工程奠定了基础。 图 １ 具体描述了飞机研制过程中基于模型的数字产 品定义的数字化制造流程： 飞机的研制必须经历产品设计、工艺设计、工装设 计、产品制造和检验检测等 ５ 个主要环节，并在产品制 造和检验检测环节中，由三维设计数模分别派生出三维 工艺数模和检验数模。 １）在工艺设计过程中，工艺部门依据设计部门按基 线预发放的三维设计数模进行工艺分析，并向设计部门 反馈工艺审查意见；依据设计部门正式发放的 ＥＢＯＭ（产 品设计结构）和三维设计数模，建立 Ｐ Ｂ Ｏ Ｍ （产品工艺 结构） ，制定装配工艺协调方案，划分工艺分离面，进行 全机装配工艺仿真，最终形成经过装配仿真验证的 Ｍ Ｂ Ｏ Ｍ （产品制造结构）顶层结构，将此 Ｍ Ｂ Ｏ Ｍ 发放到 下游的工装设计、专业制造和检验检测等部门。 ２）在工装设计过程中，工装设计制造部门依据产品 制造部门提出的工装订货单、三维工艺数模、产品制造 工艺方案和设计部门的三维产品设计数模进行工装设 计；依据三维工装设计数模进行 ＡＯ（Ａｓｓｅｍｂｌｙ Ｏｒｄｅｒ） 的编制，并进行装配工装的装配仿真和工装数控程序的 编制，最终完成工装的制造和自检。 ３）在产品制造过程中，产品制造部门依据设计部门 正式发放的 Ｅ Ｂ Ｏ Ｍ 和三维设计数模、工艺部门的 Ｐ Ｂ Ｏ Ｍ 建立三维工艺数模，进行零件的材料属性仿真和部件几 何仿真，编制 ＡＯ（装配大纲）和 ＦＯ（制造大纲） ，编制 数控程序，最终完成零件的加工、部件的装配以及自检。 ４） 在产品检验检测过程中， 检验检测部门依据设计部 门正式发放的 ＥＢＯＭ、三维设计数模，三维工装设计数模 编制检测计划，计算测量数据，完成零部件和工装的检测。 ５）工装模型、检验模型以及在数字化装配工艺模拟仿 真过程中生成的三维工艺图解和仿真视频数据， 通过网络传 输到生产现场，为现场工人施工和检验提供三维数字依据。