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面向模块化配置生产的大型飞机装配规划与仿真技术(一)

2017/11/30    来源:互联网    作者:侯卓兵  孟静晖  胡成丹      
关键字:MBD  DMU  装配仿真  并行工程  模块化  
大型飞机装配具有学科领域多、精度要求高、协调产业链广、工作量大等特点,是大型飞机研制周期、质量和成本的决定性环节。目前国内航空企业更多在单点上引入数字化产品定义MBD以及装配仿真等技术,业务仍然采用传统设计制造分离模式,未形成先进的数字化装配工程应用体系。本文对国内外航空企业的数字化装配技术应用现状进行了分析,提出了先进业务管理、数字化制造工程设计、装配仿真验证相融合的集成框架,并对其中的关键技术进行了论述。最后,基于该研究成果构建了装配规划及仿真的工程应用集成环境,并对应用于某大型飞机研制中的工程化效果进行了描述。

    大型飞机装配由于尺寸大、形状复杂、零件以及连接件数量多、供应商协调工作量大,其劳动量占飞机制造总劳动量的一半左右甚至更多,所以在整个制造过程中飞机装配技术是一项技术难度大、涉及学科领域多的综合性集成技术,它在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和周期。传统的飞机装配技术以模拟量传递为主,采用标准工装、专用工装、大量的二维图纸和工艺文件等生产制造出全尺寸实物飞机。然而,在飞机的设计制造过程中难免会有错误或设计不合理的问题,等到飞机实际装配过程中或实物飞机生产出来才发现问题,就会造成大量的返工以及设计更改,严重影响飞机的研制进度和产品质量。

    欧美先进航空企业借助先进的数字化制造技术推行并行工程的研制模式,取得了显著效果。以空中客车为例,其在A380飞机研制中大力推行设计制造并行工程,并引入MBD 和DMU 技术在工艺规划环节提前进行仿真验证。在该模式中,空中客车公司基于成熟度进行设计制造的并行,制造环节提前基于设计的DMU 开展装配工艺规划、定义及仿真验证工作,在规划、定义及仿真过程中与资源要素(工装、机器、工具、人力等)进行精确关联,并在仿真验证后生成相应的全结构化工艺指令,用以指导车间装配。

    随着空中客车公司生产管理模式的不断优化,其在最新的A320neo型号飞机研制中,提出了协同工程的理念,采用完全模块化管理的思想实现设计制造的更紧密融合,设计制造采用一个设计流程,不再使用单一的设计DMU,而是形成设计制造统一的iDMU(Industrial DMU),经过仿真验证后,直接发放给生产执行环节。

    空中客车公司在协同工程业务模式的推行中,基于完全模块化的思想实现设计、工艺、生产、供应商协同、选装选配基础管理单元的统一,在装配工艺规划过程中,按照装配单元(Constituent Assembly,CA)方式进行大制造分工,即不同的装配单元由不同的制造分包商制造,并确定不同装配单元的装配顺序。设计模块首先分配给不同的CA,在具体的工厂内则将CA 内部的设计模块分配给不同的站位进行装配,如图1 所示。

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    图1 空中客车公司基于模块化的装配规划

    随着我国飞机重大型号工程的实施,在融入国际航空产业链、数字化技术广泛深入应用等方面的不断推进,我国的飞机设计与制造技术得到了飞速发展。但是,与欧美先进航空企业相比较,国内航空企业对数字化装配等技术的应用更多地是保障飞机如何正确地装配和生产,在数字化装配仿真的规范化以及与先进管理模式的结合上尚存在较大的差距,主要体现在:

    (1)飞机设计制造仍然采用串行工作模式,工艺派生、工装、装配规划及仿真工作难以与设计并行开展,导致飞机装配问题协调困难、返工率高、周期延长。

    (2)装配规划及仿真的数据来源是MBD 设计数据,目前人工收集设计数据进行装配规划及仿真的情况较多,存在与前端数据源和后端工艺指令脱节的问题,难以形成产品设计、工艺规划、装配仿真验证、工艺指令生成的完整闭环。

    (3)装配规划及仿真过程是一个多专业集成仿真的过程,除了要应用设计数据外,还需要工装、设备、工具、人员等资源,在上述资源没有得到有效、统一管理的前提下,装配规划及仿真工作结果只能作为参考,难以作为工作依据。

    (4)随着生产管理模式的调整,装配车间的设备及其站位布局也将不断优化,目前的装配规划及仿真与实际车间布局存在大量不一致问题,由于未贯彻模块化管理机制,也难以快速进行柔性调整。

    (5)装配规划及仿真对未来实际装配环节的规划及虚拟化模拟,是一个高度综合集成的环节,涉及到供应商厂际交付、生产布局、物流配送、工装/ 工具/ 设备/ 人员等环节,并应用到干涉检查、装配过程仿真、人机工效分析、容差分析等技术,需要建立一套完善的标准体系,以实现完整型号的体系化装配规划及仿真。目前,单点进行装配规划及仿真的情况较多。

    基于上述现状,本文提出了将并行工程、模块化管理等先进管理模式与装配规划及仿真技术进行结合的总体思路,以某大型飞机研制为背景,围绕模块化管理思想,对模块化设计及管理、基于成熟度的设计工艺并行、面向全机装配单元的三维装配规划及仿真一体化、全消耗式数字化装配工艺设计、模块化配置生产发放等关键技术进行了详细论述,最后给出了工程验证的效果。

大型飞机装配规划及仿真技术与先进管理模式结合的总体思路

    大型飞机装配具有高复杂度和高精度等特点,其生产管理水平代表了企业的核心竞争力和国家高端制造业的发展水平。结合上述国内外飞机装配领域的数字化应用现状,以正确、高效地研制高质量飞机为目标,将MBD、DMU、虚拟仿真等数字化技术与模块化、并行工程相融合,构建面向模块化配置生产的飞机装配规划及仿真一体化集成体系,其业务集成框架如图2所示。

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    图2 面向模块化选配生产的飞机装配规划及仿真一体化集成框架

    该框架分为3 个逻辑层次,业务管理层、制造工程设计层、装配仿真层。

    (1)业务管理层:遵循模块化管理思想,采用基于成熟度的设计制造高度并行机制,通过业务流程整合装配规划及设计、装配仿真验证等环节,为脉动总装生产线提供精确的工艺指令、物料及资源需求,支持基于模块化的产品配置等。

    (2)制造工程设计层:该层为工程执行层,按照业务管理层流程驱动,实现基于成熟度的设计制造高度并行,在设计未正式发放前即开展装配顶层规划、长周期工装联合设计等工作。设计及装配规划都以设计模块DM 作为最小单元,设计负责细化和实现DM,装配规划则负责分配DM 至不同的CA。CA 的规划面向整机进行,既包括制造厂自制的部件,也包括制造供应商分承制的部件,总装单位要对厂际交付接口进行规划和协调。CA 规划后可以开展详细的装配工艺规程设计,并可发布装配工艺指令并传递至生产执行系统,指导生产线装配工作。

    (3)装配仿真层:该层为仿真验证层,分别从装配干涉检查、工装验证、装配过程仿真、人际工效分析、车间布局仿真等角度对制造工程设计层的规划及设计结果进行验证和持续优化。

    集成框架中的3个层次紧密融合,通过流程驱动,基于统一的数字量表达及传递体系,形成先进生产管理模式下的产品设计、装配规划、仿真验证的并行协同和完整闭环,可以大大提高协同效率,减少设计、装配规划、仿真等环节脱节带来的协调问题和现场装配质量问题。此外,该集成框架具有一定的柔性,即如果上层业务体系进行了调整,对制造工程设计层并不会产生较大的影响,制造工程执行层只需要根据优化后的流程按照规范要求开展装配规划及仿真优化工作。反之,制造工程执行层、装配仿真层的数字化工具及技术实现升级优化,也不会影响上层的业务管理流程。

    在实际应用过程中,产品设计、装配工艺、工装设计、资源管理等人员将基于统一的集成环境开展相应的工作。集成环境后台对数据的构型状态进行有效控制,并保持设计、工艺、生产等环节的关联和符合性。集成应用环境与数据构型管理是实现上述能力的基础。

责任编辑:张纯子
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