案例解读 | 船用中速柴油机数字化装配工艺设计仿真

原标题：案例解读 | 船用中速柴油机数字化装配工艺设计仿真导读本文介绍了数字化装配工艺技术的内涵、相关软件的功能，并以中速柴油机数字化装配工艺设计与仿真为例，阐述了采用数字化复杂装配工艺设计的必要性。作者/哈尔滨工程大学刘闽东孟梅，安庆中船柴油机有限公司朱树林张勇0引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