典型裝配工藝模塊化的應用研究

邢 帥 ，劉偉強，熊 濤

（1.國防科技大學 航天與材料工程學院，長沙 410073；2.北京衛星環境工程研究所，北京100094）

0 引言

裝配是產品生產階段的最終環節，直接影響產品質量、性能、成本及生產周期。在現代的工業制造業中，裝配工作約占整個產品生產工作量的45%，約1/3的人力從事各種與裝配有關的活動[1]。在產品裝配生產過程中，裝配工藝設計是至關重要的環節，作為指導操作人員進行操作的依據，是高效、高質量完成裝配工作的基礎。

航天器類產品結構復雜，通常以成熟型號為平臺發展出多種系列型號以適應日益更新的使用需求，大部分衍生型號與母型號間差別很小。同時由于航天器類產品使用環境、功能需求等約束條件的相似性，且不同型號間也存在著共同點，此類產品在工藝設計過程中占有很大比例重疊內容，此外在某些產品的裝配過程中，諸如轉運、產品停放姿態改變等工序需反復進行，這就造成了工藝設計重復、工作量大、工作效率較低等問題。每個型號航天器的總裝工藝文件都有10多萬字[2]，工藝編制中涉及到大量的標準、航天器結構數據、專業技術要求等內容。由于沒有專門的工程數據庫對這些內容加以規范和管理，大量的工藝基礎數據沒有得到合理、有效的利用。

本文針對以上問題提出了典型工藝模塊化的工藝設計方法，并對模塊化工藝應用過程的關鍵環節進行分析，重點介紹典型裝配單元的檢索及基于典型工藝模塊化的工藝流程規劃等內容。在“天宮一號”目標飛行器總裝中的應用實踐證明，典型裝配工藝模塊化方案可行，使用該方法可局部或全部實現工藝規程參數化設計，能夠大幅提高裝配工藝設計效率。

1 劃分裝配單元

為實現典型工藝模塊化，首先需將產品整個裝配過程劃分為若干相對獨立的裝配單元[3]。成為一個裝配單元需滿足以下兩個條件：

1）裝配單元中各零件的裝配特性相同或相似，裝配過程中相互有關聯性，能夠作為獨立子結構；

2）裝配單元可作為整體參與工藝流程規劃而不受其他裝配單元影響。

裝配單元劃分方式有兩種：一種是基于裝配過程中各階段獨有的工藝特性劃分；另一種是基于產品各部分組合關系劃分。上述兩種方式所依據的特征屬性包括固定屬性及可變屬性：其中固定屬性作為典型裝配單元的識別特征，具有方便識別、不可替代的特點；可變屬性是需要工藝技術人員修改賦值的部分，此部分不作為典型裝配單元的識別依據。例如將粘貼產品上的熱敏電阻作為一個獨立的裝配單元，可將粘貼操作規范作為固定屬性，作為本單元的主要內容，將熱敏電阻編號、粘貼位置等作為可變屬性，供工藝技術人員賦值。為實現典型裝配單元模塊工藝的快速應用，劃分裝配單元時可變屬性數量應盡量少，同時盡量將可變屬性定義為數值格式或數據量較小的文本格式。

1.1 基于裝配過程中各階段獨有的工藝特征劃分

組成產品的每個零件都可以提煉出一組描述與其裝配有關的工藝特征[4]。裝配工藝特征主要描述實現產品某部分裝配所需采取的操作方式及所需要選用的工藝裝備等信息，其中操作方式可以是不同工種，如電裝、鉗裝等，也可以細化為焊接、膠接、吊裝等。由于相似的工藝特征所采用的操作方式或選用的工藝裝備相同或相近，因此具體零件的裝配工藝特征可表示為操作方式或工藝裝備的集合?？梢哉J為一組零件其共用的操作方式或工藝裝備越多（通用工具除外），則零件的相似程度越高，劃分為同一裝配單元的可行性越高。相似程度系數可按公式

計算，式中：xi與xj為待分析的零件；Sij為xi與xj的相似系數；kij為零件xi與xj使用同一工裝的數量或相同操作方法的數量；ki、kj分別為零件xi與xj各自單獨使用的工裝數量或操作方法的數量。

此部分特征主要由裝配關系確定，限制了工藝方法、操作規范、工藝裝備、使用情況等內容。按此關系劃分的裝配單元適用范圍廣、通用性強，可實現不同型號間的借用。

1.2 基于產品各部分組合關系劃分

Lambert[5]等研究將實現相同功能且穩定連結的零件作為獨立的子裝配體的方法可借鑒用于劃分典型裝配單元。對于包含多個零件的裝配體，按照裝配過程中零件間裝配關系的相對變化將一個或多個零件組合成裝配單元，可具體理解為將產品分解為相對獨立的部分，每個部分內部的裝配關系固定，在整個或大部分裝配過程中作為整體參加流轉。此部分裝配單元劃分主要依據零件與周邊零件之間裝配關系的變化情況來確定：變化次數越少，則相對關系越穩定。

進行一組零件（兩個以上）相對關系判別時，除了與本組內兩兩相鄰的零件之間的穩定關系有關外，還與該組零件中各相對關系產生變化的時刻有關：變化的時刻越接近，劃分為同一裝配單元的可行性越高。

本類裝配單元劃分主要依靠各單位工程經驗確定，按各單位成熟工藝技術流程及生產線流轉路線可確定。

1.3 劃分典型流程

將不同裝配單元作為基本元素，可將裝配流程按照上述方法劃分成特殊的裝配單元，此部分典型流程可作為頂層裝配單元供工藝設計時查詢及調用。

2 模塊化工藝應用

將整個裝配過程劃分為一組裝配單元以后，將能夠指導完成某個典型裝配單元操作的工藝文件進行固化即可得到模塊化工藝。此類工藝的特點是不經修改或經少量修改后可在不同產品間相互借用或是在同一產品全裝配周期過程中反復應用。應用模塊化工藝需要解決典型裝配單元識別、建立模塊化工藝數據庫、模塊化工藝檢索等方面的問題。

2.1 識別典型裝配單元

典型裝配單元是編制模塊化工藝的依據，準確地識別出典型裝配單元是建立模塊化工藝數據庫的首要任務，結合產品結構及本單位生產規劃對歷史數據進行總結分析是識別典型裝配單元的有效途徑。由于裝配單元特征屬性值種類較少，可以通過對每一個裝配單元的特征屬性進行統計，提煉出使用頻率高或能夠預見的有借鑒意義的裝配單元定義為典型裝配單元。

2.2 建立模塊化工藝數據庫

模塊化工藝數據庫是模塊化工藝應用的基礎。工藝技術人員按照識別出的典型裝配單元編制模塊化工藝文件，該文件經工藝專家組審核通過后便可固化提交數據庫。工藝文件全文作為檢索結果，工藝技術人員按照裝配單元特性為對應的模塊工藝賦予查詢值，并在后續的應用過程中不斷修正及補充。模塊化工藝數據庫建立流程如圖1所示。

圖1 模塊化工藝數據庫建立流程Fig.1 Building database of modularization process

2.3 模塊化工藝檢索

為保證檢索結果的準確性，首先須對檢索特征值進行規范，檢索特征值應該是典型裝配單元的固定屬性，即典型裝配單元特征庫提供的可供檢索的屬性，如：“器衣”、“粘貼熱敏電阻”、“吊裝”等。

檢索典型模塊化工藝時按照先總體后具體的順序，即按照流程、工序、工步的順序進行檢索。首先以產品組成及特殊工藝要求為特征值選擇典型流程作為骨架，然后以流程各節點為檢索值檢索典型工序，最后根據工序內各工步內容檢索，最終完善工藝文件細節。

模塊化工藝檢索的本質是查詢典型裝配單元與待查目標之間的相似匹配。相似匹配性通過相似度來衡量[6]。定義對象x、y的相似度為sim(x,y)，sim(x,y) ∈[0,1]，且滿足條件：

① 互換性，即sim(x,y)= sim(y,x)；

② 自反性，即sim(x,x)=1；

③ 非負性，即sim(x,y)≥0。

根據特征值數量及種類，可分如下3種情況計算相似度。

1）當特征值唯一且為確定數值時，相似度sim(x,y)可用公式

計算，式中α，β分別為變量x、y取值范圍的上限及下限x,y∈[α, β]，為方便計算，限定α、β滿足如下條件：

①α≤min(x,y)；

②β≥max(x,y)；

③β-α＝10i（i＝1, 2, …,n），在滿足上述條件的前提下，i盡量小。

2）當特征值唯一且賦值為文本或其他非數值屬性時，相似度sim(x,y)按公式

計算，式中f(x)、f(y)為模糊值變量的定量轉換函數，f(x) 、f(y) ∈[0, 1]，不同變量賦值按工程經驗確定。例如將裝配周期作為變量，可將其分為長、較長、中等、較短、短5個檔次，對應的轉換函數f(x)可賦值為f(x)={0，0.25，0.5，0.75，1}。

3）當特征值不唯一，假設待查裝配單元Q包含t個特征值，即Q={a01,a02,…,a0t}，則Q與M個典型裝配單元中某個具體單元Mk的相似度可按如下公式

為對象a0i、aki的相似度，根據對象a0i、aki屬性不同，分別應用式(2)、式(3)計算。

根據如上所列公式，具體檢索某個裝配單元Q與典型裝配單元庫P={P1,P2,…,Pn}中各典型裝配單元匹配關系時，可按如下方法進行計算確定：

① 輸入查詢目標Q，并設定Q中各屬性的權值為(wl,w2,…,wi)，各項權值按工程經驗由工藝專家確定；

② 從查詢目標中選取必須滿足的幾個約束條件，即裝配單元的固定屬性（此部分屬性權值應設置得較大），在待查詢目標P中找出與Q的固定屬性相同的所有目標。如檢索到的目標唯一，則可直接引用該模塊單元對應的模塊化工藝；如檢索結果不唯一，則進行以下步驟；

③ 假設檢索到M個滿足約束條件的目標，按照上述相似度計算公式將Q分別與M個模塊單元進行進一步相似匹配計算，得到相似度S1,S2, …,SM；

④ 提取最佳匹配實例。比較相似度S1,S2, …,SM的大小，求出相似度最大的實例。若Sj=max(S1,S2,…,SM)，則典型裝配單元Mj是待查目標Q的最佳匹配單元，Mj對應的典型工藝即為希望得到的檢索結果。

3 應用模塊化工藝的工藝設計流程

裝配工藝設計的一般工作流程為：首先綜合分析裝配目標的相關信息確定工藝路線，然后按照工藝路線編寫各工序內容以完成工藝設計。應用模塊化典型工藝進行工藝設計增加了典型工藝識別、典型工藝模塊庫維護及以模塊化內容為單獨裝配單元的流程規劃等工作，整個工藝設計流程如圖2所示。

圖2 工藝設計流程圖Fig.2 The flow chart of process design

4 應用實例分析

“天宮一號”目標飛行器實驗艙艙門外、艙體前錐段外側、艙體柱段外側、艙體后錐段外側、艙體后球底外側及前錐防護板外側、柱段防護板外側均需包覆熱控多層，各部分多層制作略有差異。但在“天宮一號”總裝流程中，熱控多層制作無論從工藝方法還是與周邊其他零件的相對關系上都有明顯的區別，可作為一個獨立的裝配單元；并且由于艙體需包覆多層部位較多，多層制作工藝應用頻繁，可將該裝配單元作為典型裝配單元編制模塊工藝。下面以實驗艙柱段外側多層組件制作為例，重點介紹模塊工藝應用過程。該裝配單元特征屬性見表1，其中取樣方法等為可變屬性，不作為檢索值。

表1 熱控多層組件裝配單元屬性表Table 1 Properties of assembly unit for multi-layer thermo-control component

由于成型方法為固定屬性且所占權重較高，按照此屬性在典型裝配單元庫中選擇具有相同成型方法的典型裝配單元，檢索結果見表2。

表2 典型裝配單元屬性表Table 2 Properties of typical assembly units

將所有文字屬性模糊函數均按照相同賦值為1，不同賦值為 0，依公式(4)分別計算可得：S1(Q,M1)=0.529；S2(Q,M2)=0.447；S3(Q,M3)=0.4；S4(Q,M4)=0.49。比較上述結果，可知S1=max(S1，S2,S3,S4)，按照典型裝配單元1編制的模塊化工藝滿足使用要求，可調用該模塊化工藝，并修改完善即得到實驗艙柱段外側多層組件制作的工藝文件。

按照上述方法，“天宮一號”總裝過程中的吊裝、轉運、多層制作、輻射器安裝、兩艙對接等均實現了模塊化工藝應用，共識別、生成模塊化工藝6項，每項模塊化工藝平均被引用8次以上，極大節省了工藝文件編制時間，提高了工藝設計工作效率。

5 結束語

本文探討了基于典型工藝模塊化的快速工藝設計技術，提出了以工藝特征、產品各零件間關聯關系等作為判別依據劃分裝配單元的方法，并闡述了應用模塊工藝的工藝流程設計方法，分析了應用模塊化工藝提高工藝設計效率的可行性。與傳統工藝設計方法相比，應用模塊化工藝更有利于成熟工藝的沿襲與共享，能夠實現局部參數化設計。通過在“天宮一號”總裝工藝設計過程中的實際應用，證明該方法應用簡單，能夠有效提高工藝設計效率。

（References）

[1]常向青, 寧汝新.面向裝配工藝規劃與評價的裝配特征建模[J].計算機集成制造系統, 2001, 7(12)： 35-38

Chang Xiangqing, Ning Ruxin.Assembly planning and evaluation rriented assembly feature modeling[J].Computer Integrated Manufacturing Systems, 2001,7(12)： 35-38

[2]孫剛.航天器總裝工藝流程優化的分析與思考[J].航天器環境工程, 2008, 25(4)： 381-383

Sun Gang.Research on spacecraft assembly planning[J].Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(4)： 381-383

[3]王永, 劉繼紅.面向協同裝配規劃的裝配單元規劃方法[J].機械工程學報, 2009, 45(10)： 172-179

Wang Yong, Liu Jihong.Assembly unit partitioning for collaborative assembly planning[J].Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(10)： 172-179

[4]蘇明, 左敦穩.基于Pro/E的三維輔助裝配工藝規劃系統研究[J].中國制造業信息化, 2006, 35(23)： 62-65

Su Ming, Zuo Dunwen.Research on Pro/E-based 3D computer-aided assembly process planning system[J].Manufacturing Information Engineering of China, 2006,35(23)： 62-65

[5]Lambert A J D, Surendr A M G.Disassembly modeling for assembly maintenance rcose and recycling[M].Florida： CRC Press, 2005

[6]薛鵬.面向飛機結構劃分的 CBR技術[J].機械設計,2007, 24(3)： 26-28

Xue Peng.Research on CBR technology orientating structural participation of airplanes[J].Journal of Machine Design, 2007, 24(3)： 26-28