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.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.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.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.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.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.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.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.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.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。