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0 前言
船用中速柴油机主要用作中小型船舶主机或大型船舶发电机，在军用舰艇、海洋工程和航运业的应用非常广泛。由于长期依赖许可证生产，国内中速机企业自主研发能力普遍较弱。近年来，世界船用中速机行业掀起了双燃料发动机研发热潮，这一空白产品领域将给国内企业带来难得的追赶契机，借助先进制造技术弥补产品创新能力短板势在必行。装配工艺问题是柴油机研制中的关键技术问题之一，有关企业已经使用三维CAD开展工程设计，生产管理阶段也在逐步推行管理信息化，但在装配工艺环节依然沿用二维手工设计管理模式，成为实施先进制造战略的明显制约，采用数字化技术提高装配工艺设计管理水平已成为企业技术升级改造的紧迫任务。
数字化装配工艺是计算机辅助装配工艺设计的最新形式，与传统CAPP相比具有集成、结构化、可视化的突出优点，能极大提高工艺设计管理效率，实现与装配相关的所有业务活动集成优化。然而数字化装配工艺产生于计算机集成制造、虚拟制造、并行工程荟聚融合的背景，目标结构更加多元，技术内涵更加丰富，实施过程本身也是一项知识密集型工作，必须具体企业具体分析。为探索数字化装配工艺在中速柴油机制造企业的应用路径，首先要正确认识这项技术与传统CAPP的区别，得到数字化装配工艺软件核心功能，明确目标需求之后，针对核心功能开展典型工艺原型实验，获得可行技术路线。
1 数字化装配工艺技术内涵
包含机加工艺设计在内的CAPP比CAD和数控加工技术出现得都要晚，世界上第一个CAPP诞生于1970年，在此后20多年CAPP一直追求软件推理能力提高，最终目标是要达到工艺设计自动化，从早期的检索式、派生式发展到创成式、工艺设计专家系统，相继取得成组技术编码、装配信息模型、工艺知识库、推理机等重要成果，解决了一些简单相似零部件工艺知识重用问题，但由于工艺过程的复杂性，现有人工智能方法在工艺知识获取、表示、应用方面仍有很多不足，特别是装配工艺设计需要考虑多个零部件的几何工艺特征和相互关系，大型机电产品手工装配涉及更多资源要素结构与动态相互作用，带来决策模型难以建立、方案组合爆炸等问题，与机加工艺单一零件几何外形求解相比，系统的复杂性显而易见，目前仅有个别软件提供装配路径自动规划功能，起到非常有限的辅助作用，其他一些实验室原型带有很多简化假设、单独针对某一产品零部件或工艺求解中的局部问题，距离实际工程应用非常遥远，工艺设计自动化逐渐走到尽头。
由于自动化装配工艺设计暂时难以实现，即使创成式CAPP能求解出工艺方案，也还需要人来思考判断解的可行性与优劣性，超出知识库内容的问题系统就变得无能为力，而且客户定制已成为制造业发展主流，产品个性化、非标准化特征越来越明显，人在装配工艺设计中的支配地位依然不可动摇。20世纪90年代中期，随着并行工程、计算机集成制造、敏捷制造、虚拟制造等先进制造技术出现，装配工艺CAPP开始朝着结构化、集成、可视化、仿真、工艺管理与工艺设计并重的方向发展，使软件程序处理和数据库技术优势能够发挥在更多方面，具体包括：
1)尽可能将事务性工作交给计算机来做；
2)通过全三维可视化的人机交互来突出、提升设计人员的智力贡献；
3)借助计算机仿真验证工艺创新；
4)通过不同粒度工艺重用实现工艺设计标准化；
5)通过过程集成、过程重组来对生产管理问题提前考虑；
以此来提高工艺设计效率、促进工艺创新、优化工艺设计对现场操作和生产管理的支持。以上变化促成了数字化装配工艺系统的出现，数字化装配工艺系统能完成传统CAPP的一切工作，基于几何、过程、数据模型保证了其无与伦比的灵活性、可视化和集成能力，数字化装配工艺系统不再是一个大而全的孤立应用，而是与PLM、CAD、ERP、工艺仿真等软件灵活集成，不同企业可以根据自身需要采用不同实现方式，与一个统一的共享数据库连接是其共同标志。图1是装配工艺CAPP发展历史。
图1 装配工艺CAPP发展历史
2 中速柴油机数字化装配工艺软件功能
分析中速柴油机装配工艺设计现状、与其它业务之间的关系，可以得到企业对数字化装配工艺软件的功能需求，进而提出符合主流技术趋势的软件功能结构。从总体情况来看，船用中速柴油机属于多品种、小批量的按定单制造（MTO）模式，产品最大尺寸达到8m×2.5m×4m（长×宽×高），重量在20-90吨之间变化，图2是船用中速柴油机，每份客户定单都有单独的技术规格，根据技术规格修改基型产品工程设计与装配工艺，装配工艺包含结构、管路、电气三个专业，工艺总数在60个左右，现场装配全部依靠手工完成，装配车间生产要素结构与行为过程非常复杂，导致装配工艺设计与人的经验知识关系密切，重大新工艺决策和相似产品工艺设计都涉及大量知识重用，也给这项工作带来繁琐的图文编制、审核校对工作，目前行业内依然使用只具有图文编辑功能的二维CAPP进行装配工艺设计，暴露出依赖人员经验、事务性工作多、重复劳动大、易出错等缺点。
识别出装配工艺设计自身问题之后，还要进一步分析装配工艺设计在企业中所处的业务环境，根据系统与环境的输入输出关系完善软件功能需求。与柴油机装配工艺设计直接相关的企业功能有产品工程设计、生产管理和现场装配。工程设计完成柴油机三维模型、工程物料清单和质量技术要求，这些信息是装配工艺设计的输入，在三维标注尚未应用的情况下，二维工程图仍与三维模型并存，数字化装配工艺软件应能直接接收利用三维数据，基于设计模型结构进行装配结构调整；生产管理是装配工艺设计服务的下游“客户”，主要功能是完成客户定单处理，制定物资采购供应和各级生产计划，需要装配工艺设计提供装配物料清单、工艺路线和工作中心信息；现场装配也是装配工艺设计服务的下游“客户”，须为工人装配操作、完工质量检验提供作业指导，对应现有工艺规程或工艺卡片内容。根据以上分析，结合数字化制造技术潮流，提出了中速机企业数字化装配工艺软件功能，如表1所示，分为“装配工艺设计”和“装配工艺管理”两类功能，每类包含若干具体功能。
表1 中速柴油机数字化装配工艺软件功能
3 中速柴油机数字化装配工艺设计
装配工艺设计是数字化装配工艺软件的核心功能，是其它功能实现基础，也最能体现不同行业差异，以中速柴油机曲轴总成装配工艺为对象，采用达索DELMIA软件进行这项功能验证。首先需要建立软件基础数据环境，数字化制造强调“三分技术、七分管理、十二分数据”，对装配工艺而言主要是标准工艺数据和装配资源数据。标准工艺数据是由工艺类型、工序方法和操作单元组成的三层结构，代表柴油机装配车间工作分解，DELMIA提供专门的工艺库文件来建立上述内容，可供装配工艺设计调用。装配资源是完成装配动作的物理实体，分为“人员”、“设备”、“工装”、“工具”、“装配材料”五种类型，这种分类既取决于它们在工艺中的作用，也考虑了资源的不同成本特性，人员、设备是主动资源，通过消耗能量实现某种功能操作，另外三种都是被动资源，必须借助设备或人员才能发挥作用；非消耗性的工装与工具只产生固定成本，大小取决于资源的拥有量而与使用程度无关，人员、设备、装配材料产生直接变动成本，大小取决于资源使用量，人员、设备也对固定成本产生贡献，除了分类属性和成本管理属性，资源对象的其它属性包括状态、可共享性、功能、性能、供应商等，DELMIA提供专门的资源库文件关联资源三维模型与属性数据，实现二者管理维护的分离，但在工艺设计时二者整体调用，图2是从资源库中调用资源模型，图3是将资源模型从资源库中导入后，调整位置关系得到的装配车间三维模型。
图2 从资源库中调用资源模型
图3 装配车间资源模型
中速柴油机装配工艺设计分为面向生产管理的装配工艺规划和面向作业指导的详细工艺设计两部分，装配工艺规划将柴油机EBOM调整为MBOM、规划装配工艺路线、为工艺路线中的装配单元分配工作中心资源，从宏观上建立产品、工艺、资源三者之间的联系。详细工艺设计决定装配单元内的详细操作，进行工序流程设计、工序内容设计，确定管理、技术参数要求。详细工艺设计的核心是操作，装配操作可以抽象为“人的动作、设备的动作、产品物料的空间位姿变换”三种动作要素的组合，三维工艺相比二维工艺的一大突破就是能建立、表达实体动作的动态过程，并记录操作中实体之间相互作用，使三维工艺具备仿真分析和动态作业指导能力，即使不对操作建模，三维工艺采用三维模型配合三维标注的方式仍比二维工艺的平面文字附图方式更具表现力，完全结构化的设计过程和设计数据也是二维工艺不能相比的，图7是详细工艺设计过程，图8是工艺三维标注。
图4 详细工艺设计过程
4 中速柴油机数字化装配工艺仿真
尽管DELMIA能模拟任意复杂的装配操作，但操作建模远比三维标注更加费时，对每个操作详细建模根本没有必要，因此只对工序中需要仿真的操作建摸，这类操作通常有以下特点：多人员设备联合、参装件有较大的空间位姿变换、流程较长的高价值操作、失败风险高等，是详细工艺设计难点，DELMIA融为一体的建模仿真能力可以将操作建模结果实时仿真，通过仿真输出验证操作的可行性与经济性、研究操作改进，达到提高工艺方案可装配性的目的。对于大量常规操作和一些单人手工操作，则不需要建模仿真，这部分操作的重点是标准化、精细化，调用标准工艺中的文字描述或使用三维标注即可。
DELMIA提供截面图、透视图、运动物体扫略体积等观察工具，能以非常直观的方式进行可装配性定性评价。除此之外，DELMIA还能输出丰富的仿真统计信息，用于可装配性定量分析，包括时间信息和空间信息两种类型，时间信息关系工艺操作的经济性，空间信息决定工艺操作的可行性。空间可行性是重大新工艺设计面临的主要问题之一，对于曲轴总装工艺，将连杆大端预先装到曲轴上是否妨碍曲轴总成装入，就取决于装配路径上是否有干涉，DELMIA在仿真中实时监测曲轴总成滚入机身的最小间隙，一旦曲轴总成与机身碰撞，就会高亮显示碰撞区域并暂停仿真，图9为装配仿真中出现的干涉情况，图中橙色部分是平衡重块螺栓与平衡重块间的配合连接，属于正常现象，黄色圆圈中的红色区域显示连杆大端碰到了机身上边缘，放大后如图10所示，需要对此问题研究解决，通过将连杆大端旋转一定角度，然后重新模拟，新的仿真显示干涉问题得到消除，如图8所示，使用三维标注提示工人需要手动旋转连杆大端。
图9 装配过程中的干涉
图10 干涉部位放大显示
5 结束语
计算机辅助装配工艺设计经历了电子化、半结构化、结构化，一直到今天数字化的发展阶段，使产品装配工艺设计达到前所未有的精细化水平，并成为企业内部集成的关键子系统。但对于以手工装配为主的船用中速柴油机制造企业而言，从二维工艺模式向数字化装配工艺转型不是一蹴而就的事情，主要原因在于先进制造战略和周围业务环境对这项技术提出了新的复杂要求，使实施工作本身成为一项知识密集型工作，稍有不慎就会造成企业信息孤岛甚至高技术摆设，在对有关问题分析研究之后，得出工程应用中需要注意的三个要点：第一是要做到装配工艺结构化，充分发挥装配工艺设计在企业集成中的桥梁纽带作用，为与装配相关的其它业务提供一致数据源；第二是要重视挖掘可视化，增强人在装配工艺决策中的主体地位，不盲目追求自动化；第三是正确使用仿真，结合工业工程、DFA方法找准仿真应用场景，避免对这项技术过度使用。按照以上要点，采用达索DELMIA进行中速柴油机曲轴总装工艺设计仿真，验证了核心功能技术路线的可行性，对大型机电产品制造业具有普遍借鉴意义。
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本文标题：船用中速柴油机数字化装配工艺设计仿真
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