通過多年的信息化建設，我國飛機制造企業在CAD、CAPP、CAM、PDM、ERP等系統的建設方面已取得了實質性的成果，如建立或實施了相應的應用系統或管理平臺，進行了較為深入的集成應用，基本實現了產品、工藝、工裝的數字化設計及其過程和數據的數字化管理，在飛機型號研制和生產方面發揮了重要作用。
部分飛機制造企業在飛機裝配工藝的數字化設計與管理方面，逐步實現了從以二維為主向二維/三維相結合的模式轉變[1]，如PBOM/MBOM構建、裝配順序規劃、裝配路徑規劃[2]和裝配工藝文件生成[3]等過程的三維化。目前三維數字化裝配工藝設計主要在一些飛機型號的數字化制造方面得到了一定的試應用，但是還沒有得到大規模的推廣應用，如沒有將數字化裝配工藝設計和仿真結果作為指導生產的依據，數字化工藝設計結果的規范性以及現場發放方式仍然有待完善，與已有的協同平臺集成度也不高[4-5]等。這些是進一步提高飛機三維數字化裝配工藝設計與管理的質量和效率，并將其推廣所必須解決的問題。隨著制造部門生產數字化的逐步開展和深入，以及三維產品模型的廣泛應用，迅速提高飛機三維數字化裝配工藝設計、仿真及管理的水平、質量和效率是目前必須面對的當務之急。
飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系
裝配工藝設計與管理是連接飛機設計和制造的關鍵環節，它為飛機的研制和批量生產提供工藝準備，并貫穿于飛機組件、部件和總裝配生產的全過程。如圖1所示，飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系主要包括工程數據集成管理技術、產品數字化工藝定義技術、三維數字化工藝設計與管理應用模式、三維數字化工藝技術規范等研究內容。
飛機三維數字化裝配工藝設計與管理關鍵技術
1 工程數據的集成管理
工程數據的集成是通過業務流程驅動，實現飛機單架次EBOM、PBOM、MBOM、產品數模、工裝數模、AO和仿真驗證結果數據等信息在系統之間的傳遞，其主要實現方式如下所述。
（1）EBOM、PBOM、產品數模、工裝數模的集成。
從工程數據集成管理平臺導出整機或指定部件單架次的EBOM結構和產品數模及相應工裝信息，數據格式包括zip包、Excel等。導出的EBOM和產品數模將導入數字化裝配工藝設計與管理系統進行使用。
（2）MBOM數據的集成。
MBOM分為頂層MBOM和底層MBOM。三維數字化裝配工藝設計與管理系統提供頂層MBOM結構導出功能，將三維工藝設計與管理系統完成的頂層MBOM結構文件以XML/Excel格式輸出，并導入工程數據集成管理平臺，在平臺上生成頂層MBOM結構。在工程數據集成管理平臺上對頂層MBOM結構進行管理，當發生更改后在工程數據集成管理平臺的MBOM編輯器中進行維護。底層MBOM結構在AO中的零組件配套表完成審簽后由系統自動解析生成。
（3）AO和仿真驗證結果數據的集成。
通過三維數字化裝配工藝設計與管理系統和工程數據集成管理平臺的集成，使數字化裝配工藝設計與管理系統新增三維AO輸出功能。把通過工藝設計和仿真驗證后的AO數據以zip包（包含工程數據集成管理平臺現有AO編輯器定義XML格式文件、具有工藝指導性的視圖及Process、SMG、AVI文件等）形式輸出。
2 頂層工藝規劃與管理
在三維數字化裝配工藝設計與管理系統中進行頂層工藝規劃與管理的主要工作包括PBOM的構建、頂層MBOM的構建。
（1）PBOM的構建。
PBOM是在EBOM的基礎上，根據產品的特征和企業的制造能力，對產品的結構進行重組，使之符合企業的生產能力，為生產組織、布局、車間分工提供依據，保證生產的可行性、均衡性和經濟性。
飛機裝配頂層工藝規劃過程首先是對產品設計產生的EBOM進行重新組織形成PBOM，主要完成新建工藝組合件和劃分工藝路線。PBOM在繼承EBOM所有屬性（產品結構、三維模型屬性信息、3D鏈接路徑信息）的基礎上，增加了工藝路線、工藝組合件及備注等屬性。首先利用制造資源庫中每個單位所屬的設備了解單位的生產能力，并在三維環境中查看企業生產單元布局，綜合工藝專業類型和制造經濟性構建工藝組合件；然后根據零部件類型，確定裝配流程，結合各車間的業務分工和現有的任務量確定零部件需要流轉的車間，進行工藝路線的劃分。
（2）頂層MBOM的構建。
頂層MBOM由多層次的裝配單元和AO編號構成。裝配單元是裝配件的總稱，指在飛機裝配過程中，可以獨立組裝達到工程設計尺寸與技術要求，并作為進一步裝配的獨立組件、部件或最終整機的一組構件。
頂層MBOM構建的主要任務是根據產品的裝配約束關系進行裝配單元的劃分，采用從大部件劃分到小組件劃分的順序，將產品劃分為若干個裝配單元。裝配單元是工序劃分的基礎。在PBOM的基礎上，利用三維交互方式查看設計模型，分析裝配約束關系，劃分工藝分離面，將產品劃分為幾個大的裝配單元，即大部件劃分；再對大部件進行裝配約束關系分析，在每個裝配單元下確定并建立子裝配單元；劃分子裝配體，完成頂層MBOM的構建。
3 三維裝配工藝設計與仿真
三維裝配工藝設計與仿真主要包括底層MBOM構建、裝配順序規劃、工裝關聯以及裝配路徑規劃，并對工藝設計結果進行仿真和優化，將工藝設計結果形成的工藝數據（XML/Excel格式）和仿真文件等發送到工程數據集成管理平臺進行統一管理。
（1）裝配工藝設計。
利用數字化裝配工藝設計與管理系統的三維可視化環境，針對具體裝配單元包含的工序中零組件之間的裝配約束關系，進行裝配順序調整，并對裝配順序規劃的結果進行爆炸圖仿真，及時發現不正確或不合理的工藝過程，進而進行裝配順序調整和優化，圖2為某部件的裝配工藝設計實例。然后以裝配單元為基礎建立AO件，并根據工位數量建立多個AO，定義AO代號和名稱，確定AO對應裝配單元在裝配過程中所需要的裝配工序，完善裝配工序的基本信息，形成裝配工藝，并關聯各個裝配工序的配套零組件、實現的裝配約束、配套裝配資源等信息。
飛機零部件尺寸大，精度要求高，裝配過程需要協調的部位多，返工困難，為了避免在裝配過程中因重點部位的誤差疊加而導致裝配精度問題的出現，需要在裝配工藝準備階段對裝配精度進行預測，并對導致裝配精度超差的工藝過程進行優化。直接影響產品裝配精度的主要因素包括零件加工誤差和產品裝配工藝，現有飛機裝配精度保證一般是通過測量和協調實現，不能在產品裝配生產前實現對產品精度的控制。在MBD技術和數字化裝配技術日趨成熟的情況下，為了縮短飛機研制周期，需要將精度控制技術融入裝配工藝準備過程，實現基于精度控制的飛機裝配工藝優化，確保裝配工藝的可靠性。
在裝配工藝正式發布前，對產品進行整體裝配精度預測（見圖3），提前評估各關鍵特性的工藝能力。由于整體裝配精度預測是在零件還未加工的情況下進行的，所以用位置公差（將尺寸公差轉化為參考某基準的位置公差）作為輸入。基于產品精度MBD模型，利用多維方向偏差搜索算法得出偏差傳遞路徑，用蒙特卡洛算法將輸入的位置公差轉化為相應的偏差值（偏差值呈正態分布），利用上述的偏差值、傳遞路徑、敏感度等信息來預測關鍵特性是否超差。
為了避免飛機裝配生產線生產瓶頸的出現，在裝配工藝設計與仿真階段，通過工序生產力平衡仿真，可以提前預測生產瓶頸和影響因素。通過對裝配工序進行優化，可以在飛機裝配生產前實現裝配工序生產力平衡。對每個工序進行生產時間估算，評估每條工序任務鏈的生產時間，并進行生產力平衡，防止因部分工序任務鏈過長或過短導致生產瓶頸的出現，從而避免生產延誤或等待的情況發生。
4 三維裝配工藝指令的生成與管理
裝配工藝指令（AO）是用于規定生產管理單元的完整工藝流程和流程各環節的控制要求及記載生產過程中質量數據的工藝文件。在工程數據集成管理平臺中，可獲取完整的AO信息以及工藝模板，并自動創建AO。當AO完成審簽流程后，系統將自動提取AO中的零組件配套表，將其關聯到頂層MBOM結構中形成底層MBOM結構。
（1）裝配工藝文件編制。
每個AO對應一道工序，將工藝組件關聯至AO。在AO節點下創建工步，并添加工步屬性和描述信息。將工藝組件中的零組件劃分至工步，并根據要求將標準件和資源劃分至工步。
（2）三維工藝信息標注。
根據三維信息標注規則，將工藝信息標注在三維仿真動畫中，形成具有指導意義的工藝仿真文件。這些工藝信息描述關鍵的裝配尺寸與公差范圍、工裝和精度要求等生產必需的工藝約束信息，以及在裝配動畫中無法表達的指導信息。三維工藝信息標注的主要方式包括：顏色、可見性、文本、局部放大等。
（3）工藝指令發布。
通過數字化裝配工藝設計與管理系統生成AO數據包（Process、SMG、AVI、圖片、XML格式的工藝文件等），將AO數據包傳到工程數據集成管理平臺，利用工程數據集成管理平臺的AO編輯器將XML格式的工藝文件生成為AO文件，其余數據作為附件關聯到AO，AO實例如圖4所示。
飛機裝配工藝準備所涉及的專業范圍廣，包含的信息量大，是一種經驗性非常強的知識密集型工作。在裝配工藝準備過程中，為了實現裝配工藝知識的共享和重用，提高設計質量，縮短準備周期和避免設計資源的浪費，需要對裝配工藝知識進行建模并構建知識庫。飛機裝配工藝知識是指在飛機裝配工藝準備和實際裝配生產過程中形成的，能夠用于指導飛機裝配工藝規劃與仿真的抽象的數據表達。
作為飛機三維工藝設計與管理系統的基礎數據庫，裝配工藝知識庫主要是存儲和管理裝配工藝實例、典型工藝模板和制造資源。首先構建3個庫的分類結構，定義相應的屬性，再將裝配工藝實例、典型工藝模板和制造資源等分別放入對應的分類中。將裝配工藝實例劃分為典型工藝、典型工序和典型工步，并存入裝配工藝實例庫。典型工藝模版庫存儲已結構化、參數化的針對典型工藝特點的工藝知識，例如，根據工藝特點不同，將產品分為框類、壁板組件類、地板組件類、管路類和鍛件類等，并按照不同類型的裝配流程構建裝配工藝模板，用于固化裝配過程、組織典型裝配模板數據。將飛機制造企業的生產資源以裝配環境模型、虛擬人體模型、設備模型、工裝模型、工具模型等形式進行三維建模，并賦予相應的參數信息，形成飛機制造資源知識。
結束語
數字化裝配工藝設計與管理是飛機數字化裝配過程的主要環節，也是飛機制造企業當前乃至未來一段時間之內實現數字化制造的主要工作之一。通過對飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系和關鍵技術的闡述，構建了飛機三維數字化裝配工藝設計與管理系統，并與PDM系統進行了有效集成，實現了飛機裝配工藝的三維可視化AO編制和數據集成管理，為進一步提高飛機三維數字化裝配工藝設計與管理的水平、質量和效率，實現工程應用提供了一種可行的思路。
部分飛機制造企業在飛機裝配工藝的數字化設計與管理方面，逐步實現了從以二維為主向二維/三維相結合的模式轉變[1]，如PBOM/MBOM構建、裝配順序規劃、裝配路徑規劃[2]和裝配工藝文件生成[3]等過程的三維化。目前三維數字化裝配工藝設計主要在一些飛機型號的數字化制造方面得到了一定的試應用，但是還沒有得到大規模的推廣應用，如沒有將數字化裝配工藝設計和仿真結果作為指導生產的依據，數字化工藝設計結果的規范性以及現場發放方式仍然有待完善，與已有的協同平臺集成度也不高[4-5]等。這些是進一步提高飛機三維數字化裝配工藝設計與管理的質量和效率，并將其推廣所必須解決的問題。隨著制造部門生產數字化的逐步開展和深入，以及三維產品模型的廣泛應用，迅速提高飛機三維數字化裝配工藝設計、仿真及管理的水平、質量和效率是目前必須面對的當務之急。
飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系
裝配工藝設計與管理是連接飛機設計和制造的關鍵環節，它為飛機的研制和批量生產提供工藝準備，并貫穿于飛機組件、部件和總裝配生產的全過程。如圖1所示，飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系主要包括工程數據集成管理技術、產品數字化工藝定義技術、三維數字化工藝設計與管理應用模式、三維數字化工藝技術規范等研究內容。
圖1 飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系
飛機三維數字化裝配工藝設計與管理關鍵技術
1 工程數據的集成管理
工程數據的集成是通過業務流程驅動，實現飛機單架次EBOM、PBOM、MBOM、產品數模、工裝數模、AO和仿真驗證結果數據等信息在系統之間的傳遞，其主要實現方式如下所述。
（1）EBOM、PBOM、產品數模、工裝數模的集成。
從工程數據集成管理平臺導出整機或指定部件單架次的EBOM結構和產品數模及相應工裝信息，數據格式包括zip包、Excel等。導出的EBOM和產品數模將導入數字化裝配工藝設計與管理系統進行使用。
（2）MBOM數據的集成。
MBOM分為頂層MBOM和底層MBOM。三維數字化裝配工藝設計與管理系統提供頂層MBOM結構導出功能，將三維工藝設計與管理系統完成的頂層MBOM結構文件以XML/Excel格式輸出，并導入工程數據集成管理平臺，在平臺上生成頂層MBOM結構。在工程數據集成管理平臺上對頂層MBOM結構進行管理，當發生更改后在工程數據集成管理平臺的MBOM編輯器中進行維護。底層MBOM結構在AO中的零組件配套表完成審簽后由系統自動解析生成。
（3）AO和仿真驗證結果數據的集成。
通過三維數字化裝配工藝設計與管理系統和工程數據集成管理平臺的集成，使數字化裝配工藝設計與管理系統新增三維AO輸出功能。把通過工藝設計和仿真驗證后的AO數據以zip包（包含工程數據集成管理平臺現有AO編輯器定義XML格式文件、具有工藝指導性的視圖及Process、SMG、AVI文件等）形式輸出。
2 頂層工藝規劃與管理
在三維數字化裝配工藝設計與管理系統中進行頂層工藝規劃與管理的主要工作包括PBOM的構建、頂層MBOM的構建。
（1）PBOM的構建。
PBOM是在EBOM的基礎上，根據產品的特征和企業的制造能力，對產品的結構進行重組，使之符合企業的生產能力，為生產組織、布局、車間分工提供依據，保證生產的可行性、均衡性和經濟性。
飛機裝配頂層工藝規劃過程首先是對產品設計產生的EBOM進行重新組織形成PBOM，主要完成新建工藝組合件和劃分工藝路線。PBOM在繼承EBOM所有屬性（產品結構、三維模型屬性信息、3D鏈接路徑信息）的基礎上，增加了工藝路線、工藝組合件及備注等屬性。首先利用制造資源庫中每個單位所屬的設備了解單位的生產能力，并在三維環境中查看企業生產單元布局，綜合工藝專業類型和制造經濟性構建工藝組合件；然后根據零部件類型，確定裝配流程，結合各車間的業務分工和現有的任務量確定零部件需要流轉的車間，進行工藝路線的劃分。
（2）頂層MBOM的構建。
頂層MBOM由多層次的裝配單元和AO編號構成。裝配單元是裝配件的總稱，指在飛機裝配過程中，可以獨立組裝達到工程設計尺寸與技術要求，并作為進一步裝配的獨立組件、部件或最終整機的一組構件。
頂層MBOM構建的主要任務是根據產品的裝配約束關系進行裝配單元的劃分，采用從大部件劃分到小組件劃分的順序，將產品劃分為若干個裝配單元。裝配單元是工序劃分的基礎。在PBOM的基礎上，利用三維交互方式查看設計模型，分析裝配約束關系，劃分工藝分離面，將產品劃分為幾個大的裝配單元，即大部件劃分；再對大部件進行裝配約束關系分析，在每個裝配單元下確定并建立子裝配單元；劃分子裝配體，完成頂層MBOM的構建。
3 三維裝配工藝設計與仿真
三維裝配工藝設計與仿真主要包括底層MBOM構建、裝配順序規劃、工裝關聯以及裝配路徑規劃，并對工藝設計結果進行仿真和優化，將工藝設計結果形成的工藝數據（XML/Excel格式）和仿真文件等發送到工程數據集成管理平臺進行統一管理。
（1）裝配工藝設計。
利用數字化裝配工藝設計與管理系統的三維可視化環境，針對具體裝配單元包含的工序中零組件之間的裝配約束關系，進行裝配順序調整，并對裝配順序規劃的結果進行爆炸圖仿真，及時發現不正確或不合理的工藝過程，進而進行裝配順序調整和優化，圖2為某部件的裝配工藝設計實例。然后以裝配單元為基礎建立AO件，并根據工位數量建立多個AO，定義AO代號和名稱，確定AO對應裝配單元在裝配過程中所需要的裝配工序，完善裝配工序的基本信息，形成裝配工藝，并關聯各個裝配工序的配套零組件、實現的裝配約束、配套裝配資源等信息。
圖2 飛機某部件裝配順序規劃實例
飛機零部件尺寸大，精度要求高，裝配過程需要協調的部位多，返工困難，為了避免在裝配過程中因重點部位的誤差疊加而導致裝配精度問題的出現，需要在裝配工藝準備階段對裝配精度進行預測，并對導致裝配精度超差的工藝過程進行優化。直接影響產品裝配精度的主要因素包括零件加工誤差和產品裝配工藝，現有飛機裝配精度保證一般是通過測量和協調實現，不能在產品裝配生產前實現對產品精度的控制。在MBD技術和數字化裝配技術日趨成熟的情況下，為了縮短飛機研制周期，需要將精度控制技術融入裝配工藝準備過程，實現基于精度控制的飛機裝配工藝優化，確保裝配工藝的可靠性。
在裝配工藝正式發布前，對產品進行整體裝配精度預測（見圖3），提前評估各關鍵特性的工藝能力。由于整體裝配精度預測是在零件還未加工的情況下進行的，所以用位置公差（將尺寸公差轉化為參考某基準的位置公差）作為輸入。基于產品精度MBD模型，利用多維方向偏差搜索算法得出偏差傳遞路徑，用蒙特卡洛算法將輸入的位置公差轉化為相應的偏差值（偏差值呈正態分布），利用上述的偏差值、傳遞路徑、敏感度等信息來預測關鍵特性是否超差。
圖3 飛機某部件關鍵特性精度預測結果
為了避免飛機裝配生產線生產瓶頸的出現，在裝配工藝設計與仿真階段，通過工序生產力平衡仿真，可以提前預測生產瓶頸和影響因素。通過對裝配工序進行優化，可以在飛機裝配生產前實現裝配工序生產力平衡。對每個工序進行生產時間估算，評估每條工序任務鏈的生產時間，并進行生產力平衡，防止因部分工序任務鏈過長或過短導致生產瓶頸的出現，從而避免生產延誤或等待的情況發生。
4 三維裝配工藝指令的生成與管理
裝配工藝指令（AO）是用于規定生產管理單元的完整工藝流程和流程各環節的控制要求及記載生產過程中質量數據的工藝文件。在工程數據集成管理平臺中，可獲取完整的AO信息以及工藝模板，并自動創建AO。當AO完成審簽流程后，系統將自動提取AO中的零組件配套表，將其關聯到頂層MBOM結構中形成底層MBOM結構。
（1）裝配工藝文件編制。
每個AO對應一道工序，將工藝組件關聯至AO。在AO節點下創建工步，并添加工步屬性和描述信息。將工藝組件中的零組件劃分至工步，并根據要求將標準件和資源劃分至工步。
（2）三維工藝信息標注。
根據三維信息標注規則，將工藝信息標注在三維仿真動畫中，形成具有指導意義的工藝仿真文件。這些工藝信息描述關鍵的裝配尺寸與公差范圍、工裝和精度要求等生產必需的工藝約束信息，以及在裝配動畫中無法表達的指導信息。三維工藝信息標注的主要方式包括：顏色、可見性、文本、局部放大等。
（3）工藝指令發布。
通過數字化裝配工藝設計與管理系統生成AO數據包（Process、SMG、AVI、圖片、XML格式的工藝文件等），將AO數據包傳到工程數據集成管理平臺，利用工程數據集成管理平臺的AO編輯器將XML格式的工藝文件生成為AO文件，其余數據作為附件關聯到AO，AO實例如圖4所示。
圖4 AO實例
飛機裝配工藝準備所涉及的專業范圍廣，包含的信息量大，是一種經驗性非常強的知識密集型工作。在裝配工藝準備過程中，為了實現裝配工藝知識的共享和重用，提高設計質量，縮短準備周期和避免設計資源的浪費，需要對裝配工藝知識進行建模并構建知識庫。飛機裝配工藝知識是指在飛機裝配工藝準備和實際裝配生產過程中形成的，能夠用于指導飛機裝配工藝規劃與仿真的抽象的數據表達。
作為飛機三維工藝設計與管理系統的基礎數據庫，裝配工藝知識庫主要是存儲和管理裝配工藝實例、典型工藝模板和制造資源。首先構建3個庫的分類結構，定義相應的屬性，再將裝配工藝實例、典型工藝模板和制造資源等分別放入對應的分類中。將裝配工藝實例劃分為典型工藝、典型工序和典型工步，并存入裝配工藝實例庫。典型工藝模版庫存儲已結構化、參數化的針對典型工藝特點的工藝知識，例如，根據工藝特點不同，將產品分為框類、壁板組件類、地板組件類、管路類和鍛件類等，并按照不同類型的裝配流程構建裝配工藝模板，用于固化裝配過程、組織典型裝配模板數據。將飛機制造企業的生產資源以裝配環境模型、虛擬人體模型、設備模型、工裝模型、工具模型等形式進行三維建模，并賦予相應的參數信息，形成飛機制造資源知識。
結束語
數字化裝配工藝設計與管理是飛機數字化裝配過程的主要環節，也是飛機制造企業當前乃至未來一段時間之內實現數字化制造的主要工作之一。通過對飛機三維數字化裝配工藝設計與管理技術體系和關鍵技術的闡述，構建了飛機三維數字化裝配工藝設計與管理系統，并與PDM系統進行了有效集成，實現了飛機裝配工藝的三維可視化AO編制和數據集成管理，為進一步提高飛機三維數字化裝配工藝設計與管理的水平、質量和效率，實現工程應用提供了一種可行的思路。
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