歡迎參加第十三屆產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會 11月29-30日 天津

    0 前言

    船用中速柴油機主要用作中小型船舶主機或大型船舶發(fā)電機，在軍用艦艇、海洋工程和航運業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。由于長期依賴許可證生產(chǎn)，國內(nèi)中速機企業(yè)自主研發(fā)能力普遍較弱。近年來，世界船用中速機行業(yè)掀起了雙燃料發(fā)動機研發(fā)熱潮，這一空白產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)⒔o國內(nèi)企業(yè)帶來難得的追趕契機，借助先進(jìn)制造技術(shù)彌補產(chǎn)品創(chuàng)新能力短板勢在必行。裝配工藝問題是柴油機研制中的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，有關(guān)企業(yè)已經(jīng)使用三維CAD開展工程設(shè)計，生產(chǎn)管理階段也在逐步推行管理信息化，但在裝配工藝環(huán)節(jié)依然沿用二維手工設(shè)計管理模式，成為實施先進(jìn)制造戰(zhàn)略的明顯制約，采用數(shù)字化技術(shù)提高裝配工藝設(shè)計管理水平已成為企業(yè)技術(shù)升級改造的緊迫任務(wù)。

    數(shù)字化裝配工藝是計算機輔助裝配工藝設(shè)計的最新形式，與傳統(tǒng)CAPP相比具有集成、結(jié)構(gòu)化、可視化的突出優(yōu)點，能極大提高工藝設(shè)計管理效率，實現(xiàn)與裝配相關(guān)的所有業(yè)務(wù)活動集成優(yōu)化。然而數(shù)字化裝配工藝產(chǎn)生于計算機集成制造、虛擬制造、并行工程薈聚融合的背景，目標(biāo)結(jié)構(gòu)更加多元，技術(shù)內(nèi)涵更加豐富，實施過程本身也是一項知識密集型工作，必須具體企業(yè)具體分析。為探索數(shù)字化裝配工藝在中速柴油機制造企業(yè)的應(yīng)用路徑，首先要正確認(rèn)識這項技術(shù)與傳統(tǒng)CAPP的區(qū)別，得到數(shù)字化裝配工藝軟件核心功能，明確目標(biāo)需求之后，針對核心功能開展典型工藝原型實驗，獲得可行技術(shù)路線。

    1 數(shù)字化裝配工藝技術(shù)內(nèi)涵

    包含機加工藝設(shè)計在內(nèi)的CAPP比CAD和數(shù)控加工技術(shù)出現(xiàn)得都要晚，世界上第一個CAPP誕生于1970年，在此后20多年CAPP一直追求軟件推理能力提高，最終目標(biāo)是要達(dá)到工藝設(shè)計自動化，從早期的檢索式、派生式發(fā)展到創(chuàng)成式、工藝設(shè)計專家系統(tǒng)，相繼取得成組技術(shù)編碼、裝配信息模型、工藝知識庫、推理機等重要成果，解決了一些簡單相似零部件工藝知識重用問題，但由于工藝過程的復(fù)雜性，現(xiàn)有人工智能方法在工藝知識獲取、表示、應(yīng)用方面仍有很多不足，特別是裝配工藝設(shè)計需要考慮多個零部件的幾何工藝特征和相互關(guān)系，大型機電產(chǎn)品手工裝配涉及更多資源要素結(jié)構(gòu)與動態(tài)相互作用，帶來決策模型難以建立、方案組合爆炸等問題，與機加工藝單一零件幾何外形求解相比，系統(tǒng)的復(fù)雜性顯而易見，目前僅有個別軟件提供裝配路徑自動規(guī)劃功能，起到非常有限的輔助作用，其他一些實驗室原型帶有很多簡化假設(shè)、單獨針對某一產(chǎn)品零部件或工藝求解中的局部問題，距離實際工程應(yīng)用非常遙遠(yuǎn)，工藝設(shè)計自動化逐漸走到盡頭。

    由于自動化裝配工藝設(shè)計暫時難以實現(xiàn)，即使創(chuàng)成式CAPP能求解出工藝方案，也還需要人來思考判斷解的可行性與優(yōu)劣性，超出知識庫內(nèi)容的問題系統(tǒng)就變得無能為力，而且客戶定制已成為制造業(yè)發(fā)展主流，產(chǎn)品個性化、非標(biāo)準(zhǔn)化特征越來越明顯，人在裝配工藝設(shè)計中的支配地位依然不可動搖。20世紀(jì)90年代中期，隨著并行工程、計算機集成制造、敏捷制造、虛擬制造等先進(jìn)制造技術(shù)出現(xiàn)，裝配工藝CAPP開始朝著結(jié)構(gòu)化、集成、可視化、仿真、工藝管理與工藝設(shè)計并重的方向發(fā)展，使軟件程序處理和數(shù)據(jù)庫技術(shù)優(yōu)勢能夠發(fā)揮在更多方面，具體包括：

    1)盡可能將事務(wù)性工作交給計算機來做；

    2)通過全三維可視化的人機交互來突出、提升設(shè)計人員的智力貢獻(xiàn)；

    3)借助計算機仿真驗證工藝創(chuàng)新；

    4)通過不同粒度工藝重用實現(xiàn)工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化；

    5)通過過程集成、過程重組來對生產(chǎn)管理問題提前考慮；

    以此來提高工藝設(shè)計效率、促進(jìn)工藝創(chuàng)新、優(yōu)化工藝設(shè)計對現(xiàn)場操作和生產(chǎn)管理的支持。以上變化促成了數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)的出現(xiàn)，數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)能完成傳統(tǒng)CAPP的一切工作，基于幾何、過程、數(shù)據(jù)模型保證了其無與倫比的靈活性、可視化和集成能力，數(shù)字化裝配工藝系統(tǒng)不再是一個大而全的孤立應(yīng)用，而是與PLM、CAD、ERP、工藝仿真等軟件靈活集成，不同企業(yè)可以根據(jù)自身需要采用不同實現(xiàn)方式，與一個統(tǒng)一的共享數(shù)據(jù)庫連接是其共同標(biāo)志。圖1是裝配工藝CAPP發(fā)展歷史。

    圖1 裝配工藝CAPP發(fā)展歷史

    2 中速柴油機數(shù)字化裝配工藝軟件功能

    分析中速柴油機裝配工藝設(shè)計現(xiàn)狀、與其它業(yè)務(wù)之間的關(guān)系，可以得到企業(yè)對數(shù)字化裝配工藝軟件的功能需求，進(jìn)而提出符合主流技術(shù)趨勢的軟件功能結(jié)構(gòu)。從總體情況來看，船用中速柴油機屬于多品種、小批量的按定單制造（MTO）模式，產(chǎn)品最大尺寸達(dá)到8m×2.5m×4m（長×寬×高），重量在20-90噸之間變化，圖2是船用中速柴油機，每份客戶定單都有單獨的技術(shù)規(guī)格，根據(jù)技術(shù)規(guī)格修改基型產(chǎn)品工程設(shè)計與裝配工藝，裝配工藝包含結(jié)構(gòu)、管路、電氣三個專業(yè)，工藝總數(shù)在60個左右，現(xiàn)場裝配全部依靠手工完成，裝配車間生產(chǎn)要素結(jié)構(gòu)與行為過程非常復(fù)雜，導(dǎo)致裝配工藝設(shè)計與人的經(jīng)驗知識關(guān)系密切，重大新工藝決策和相似產(chǎn)品工藝設(shè)計都涉及大量知識重用，也給這項工作帶來繁瑣的圖文編制、審核校對工作，目前行業(yè)內(nèi)依然使用只具有圖文編輯功能的二維CAPP進(jìn)行裝配工藝設(shè)計，暴露出依賴人員經(jīng)驗、事務(wù)性工作多、重復(fù)勞動大、易出錯等缺點。

    識別出裝配工藝設(shè)計自身問題之后，還要進(jìn)一步分析裝配工藝設(shè)計在企業(yè)中所處的業(yè)務(wù)環(huán)境，根據(jù)系統(tǒng)與環(huán)境的輸入輸出關(guān)系完善軟件功能需求。與柴油機裝配工藝設(shè)計直接相關(guān)的企業(yè)功能有產(chǎn)品工程設(shè)計、生產(chǎn)管理和現(xiàn)場裝配。工程設(shè)計完成柴油機三維模型、工程物料清單和質(zhì)量技術(shù)要求，這些信息是裝配工藝設(shè)計的輸入，在三維標(biāo)注尚未應(yīng)用的情況下，二維工程圖仍與三維模型并存，數(shù)字化裝配工藝軟件應(yīng)能直接接收利用三維數(shù)據(jù)，基于設(shè)計模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配結(jié)構(gòu)調(diào)整；生產(chǎn)管理是裝配工藝設(shè)計服務(wù)的下游“客戶”，主要功能是完成客戶定單處理，制定物資采購供應(yīng)和各級生產(chǎn)計劃，需要裝配工藝設(shè)計提供裝配物料清單、工藝路線和工作中心信息；現(xiàn)場裝配也是裝配工藝設(shè)計服務(wù)的下游“客戶”，須為工人裝配操作、完工質(zhì)量檢驗提供作業(yè)指導(dǎo)，對應(yīng)現(xiàn)有工藝規(guī)程或工藝卡片內(nèi)容。根據(jù)以上分析，結(jié)合數(shù)字化制造技術(shù)潮流，提出了中速機企業(yè)數(shù)字化裝配工藝軟件功能，如表1所示，分為“裝配工藝設(shè)計”和“裝配工藝管理”兩類功能，每類包含若干具體功能。

    表1 中速柴油機數(shù)字化裝配工藝軟件功能

    3 中速柴油機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計

    裝配工藝設(shè)計是數(shù)字化裝配工藝軟件的核心功能，是其它功能實現(xiàn)基礎(chǔ)，也最能體現(xiàn)不同行業(yè)差異，以中速柴油機曲軸總成裝配工藝為對象，采用達(dá)索DELMIA軟件進(jìn)行這項功能驗證。首先需要建立軟件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境，數(shù)字化制造強調(diào)“三分技術(shù)、七分管理、十二分?jǐn)?shù)據(jù)”，對裝配工藝而言主要是標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)和裝配資源數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)工藝數(shù)據(jù)是由工藝類型、工序方法和操作單元組成的三層結(jié)構(gòu)，代表柴油機裝配車間工作分解，DELMIA提供專門的工藝庫文件來建立上述內(nèi)容，可供裝配工藝設(shè)計調(diào)用。裝配資源是完成裝配動作的物理實體，分為“人員”、“設(shè)備”、“工裝”、“工具”、“裝配材料”五種類型，這種分類既取決于它們在工藝中的作用，也考慮了資源的不同成本特性，人員、設(shè)備是主動資源，通過消耗能量實現(xiàn)某種功能操作，另外三種都是被動資源，必須借助設(shè)備或人員才能發(fā)揮作用；非消耗性的工裝與工具只產(chǎn)生固定成本，大小取決于資源的擁有量而與使用程度無關(guān)，人員、設(shè)備、裝配材料產(chǎn)生直接變動成本，大小取決于資源使用量，人員、設(shè)備也對固定成本產(chǎn)生貢獻(xiàn)，除了分類屬性和成本管理屬性，資源對象的其它屬性包括狀態(tài)、可共享性、功能、性能、供應(yīng)商等，DELMIA提供專門的資源庫文件關(guān)聯(lián)資源三維模型與屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)二者管理維護(hù)的分離，但在工藝設(shè)計時二者整體調(diào)用，圖2是從資源庫中調(diào)用資源模型，圖3是將資源模型從資源庫中導(dǎo)入后，調(diào)整位置關(guān)系得到的裝配車間三維模型。

    圖2 從資源庫中調(diào)用資源模型

    圖3 裝配車間資源模型

    中速柴油機裝配工藝設(shè)計分為面向生產(chǎn)管理的裝配工藝規(guī)劃和面向作業(yè)指導(dǎo)的詳細(xì)工藝設(shè)計兩部分，裝配工藝規(guī)劃將柴油機EBOM調(diào)整為MBOM、規(guī)劃裝配工藝路線、為工藝路線中的裝配單元分配工作中心資源，從宏觀上建立產(chǎn)品、工藝、資源三者之間的聯(lián)系。詳細(xì)工藝設(shè)計決定裝配單元內(nèi)的詳細(xì)操作，進(jìn)行工序流程設(shè)計、工序內(nèi)容設(shè)計，確定管理、技術(shù)參數(shù)要求。詳細(xì)工藝設(shè)計的核心是操作，裝配操作可以抽象為“人的動作、設(shè)備的動作、產(chǎn)品物料的空間位姿變換”三種動作要素的組合，三維工藝相比二維工藝的一大突破就是能建立、表達(dá)實體動作的動態(tài)過程，并記錄操作中實體之間相互作用，使三維工藝具備仿真分析和動態(tài)作業(yè)指導(dǎo)能力，即使不對操作建模，三維工藝采用三維模型配合三維標(biāo)注的方式仍比二維工藝的平面文字附圖方式更具表現(xiàn)力，完全結(jié)構(gòu)化的設(shè)計過程和設(shè)計數(shù)據(jù)也是二維工藝不能相比的，圖7是詳細(xì)工藝設(shè)計過程，圖8是工藝三維標(biāo)注。

    圖4 詳細(xì)工藝設(shè)計過程

    4 中速柴油機數(shù)字化裝配工藝仿真

    盡管DELMIA能模擬任意復(fù)雜的裝配操作，但操作建模遠(yuǎn)比三維標(biāo)注更加費時，對每個操作詳細(xì)建模根本沒有必要，因此只對工序中需要仿真的操作建摸，這類操作通常有以下特點：多人員設(shè)備聯(lián)合、參裝件有較大的空間位姿變換、流程較長的高價值操作、失敗風(fēng)險高等，是詳細(xì)工藝設(shè)計難點，DELMIA融為一體的建模仿真能力可以將操作建模結(jié)果實時仿真，通過仿真輸出驗證操作的可行性與經(jīng)濟(jì)性、研究操作改進(jìn)，達(dá)到提高工藝方案可裝配性的目的。對于大量常規(guī)操作和一些單人手工操作，則不需要建模仿真，這部分操作的重點是標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)工藝中的文字描述或使用三維標(biāo)注即可。

    DELMIA提供截面圖、透視圖、運動物體掃略體積等觀察工具，能以非常直觀的方式進(jìn)行可裝配性定性評價。除此之外，DELMIA還能輸出豐富的仿真統(tǒng)計信息，用于可裝配性定量分析，包括時間信息和空間信息兩種類型，時間信息關(guān)系工藝操作的經(jīng)濟(jì)性，空間信息決定工藝操作的可行性。空間可行性是重大新工藝設(shè)計面臨的主要問題之一，對于曲軸總裝工藝，將連桿大端預(yù)先裝到曲軸上是否妨礙曲軸總成裝入，就取決于裝配路徑上是否有干涉，DELMIA在仿真中實時監(jiān)測曲軸總成滾入機身的最小間隙，一旦曲軸總成與機身碰撞，就會高亮顯示碰撞區(qū)域并暫停仿真，圖9為裝配仿真中出現(xiàn)的干涉情況，圖中橙色部分是平衡重塊螺栓與平衡重塊間的配合連接，屬于正�，F(xiàn)象，黃色圓圈中的紅色區(qū)域顯示連桿大端碰到了機身上邊緣，放大后如圖10所示，需要對此問題研究解決，通過將連桿大端旋轉(zhuǎn)一定角度，然后重新模擬，新的仿真顯示干涉問題得到消除，如圖8所示，使用三維標(biāo)注提示工人需要手動旋轉(zhuǎn)連桿大端。

    圖9 裝配過程中的干涉

    圖10 干涉部位放大顯示

    5 結(jié)束語

    計算機輔助裝配工藝設(shè)計經(jīng)歷了電子化、半結(jié)構(gòu)化、結(jié)構(gòu)化，一直到今天數(shù)字化的發(fā)展階段，使產(chǎn)品裝配工藝設(shè)計達(dá)到前所未有的精細(xì)化水平，并成為企業(yè)內(nèi)部集成的關(guān)鍵子系統(tǒng)。但對于以手工裝配為主的船用中速柴油機制造企業(yè)而言，從二維工藝模式向數(shù)字化裝配工藝轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的事情，主要原因在于先進(jìn)制造戰(zhàn)略和周圍業(yè)務(wù)環(huán)境對這項技術(shù)提出了新的復(fù)雜要求，使實施工作本身成為一項知識密集型工作，稍有不慎就會造成企業(yè)信息孤島甚至高技術(shù)擺設(shè)，在對有關(guān)問題分析研究之后，得出工程應(yīng)用中需要注意的三個要點：第一是要做到裝配工藝結(jié)構(gòu)化，充分發(fā)揮裝配工藝設(shè)計在企業(yè)集成中的橋梁紐帶作用，為與裝配相關(guān)的其它業(yè)務(wù)提供一致數(shù)據(jù)源；第二是要重視挖掘可視化，增強人在裝配工藝決策中的主體地位，不盲目追求自動化；第三是正確使用仿真，結(jié)合工業(yè)工程、DFA方法找準(zhǔn)仿真應(yīng)用場景，避免對這項技術(shù)過度使用。按照以上要點，采用達(dá)索DELMIA進(jìn)行中速柴油機曲軸總裝工藝設(shè)計仿真，驗證了核心功能技術(shù)路線的可行性，對大型機電產(chǎn)品制造業(yè)具有普遍借鑒意義。

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本文標(biāo)題：船用中速柴油機數(shù)字化裝配工藝設(shè)計仿真

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