基于數(shù)字化管理系統(tǒng)的裝配順序規(guī)劃方法

劉巖飛，史華勛，曹家洺，王淑云

（1.中國人民解放軍駐黎明發(fā)動機制造公司軍事代表室,沈陽110043；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

基于數(shù)字化管理系統(tǒng)的裝配順序規(guī)劃方法

劉巖飛1，史華勛2，曹家洺1，王淑云2

（1.中國人民解放軍駐黎明發(fā)動機制造公司軍事代表室,沈陽110043；2.中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責(zé)任公司，沈陽 110043）

航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配序列規(guī)劃是實現(xiàn)發(fā)動機的數(shù)字化裝配管理的重要途徑之一。采用結(jié)構(gòu)樹重構(gòu)及人機協(xié)同規(guī)劃方式的裝配順序規(guī)劃方法，能夠比較全面地反映發(fā)動機各零/組件間的裝配關(guān)系和消耗數(shù)量；針對裝配過程中出現(xiàn)約束的特點，采用人機協(xié)同規(guī)劃策略，提高了發(fā)動機的裝配效率以及裝配規(guī)劃自身的工程實用性。實踐證明：該裝配順序規(guī)劃方法能夠滿足生產(chǎn)要求，有利于物料合理配置流轉(zhuǎn)，推動了發(fā)動機數(shù)字化管理系統(tǒng)的實際應(yīng)用。

裝配順序規(guī)劃；數(shù)字化管理系統(tǒng)；工藝物流清單；航空發(fā)動機

0 引言

在航空發(fā)動機數(shù)字化管理（Product Data Management）系統(tǒng)中,合理的子裝配層次劃分是發(fā)動機裝配規(guī)劃的重要研究內(nèi)容[1]。現(xiàn)有的主要裝配序列規(guī)劃方法有割集法、拆卸法和矩陣法[2]。由于航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零組件數(shù)量龐大,且在裝配順序規(guī)劃過程中，需將產(chǎn)品遞歸分解成各級子裝配單元以適應(yīng)生產(chǎn)裝配,單一的規(guī)劃方法因其自身局限性無法完全滿足實際生產(chǎn)的需求。

采用多層次、多細節(jié)的方法進行發(fā)動機裝配順序規(guī)劃，能夠較全面地反映發(fā)動機各零/組件間的裝配關(guān)系及裝配順序?；赑DM系統(tǒng)開展多層次、多細節(jié)裝配順序規(guī)劃技術(shù)研究，旨在采用結(jié)構(gòu)樹重構(gòu)的裝配順序規(guī)劃方法及人機協(xié)同規(guī)劃方式[1]，綜合利用人對生產(chǎn)環(huán)境的知識經(jīng)驗以及計算機的快速計算能力，實現(xiàn)交互規(guī)劃與自動規(guī)劃相結(jié)合，達到有效組織和管理發(fā)動機裝配的目的。

1 裝配BOM的構(gòu)建方法及流程

BOM(bill ofmaterial)是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)性描述文件，表明了產(chǎn)品組件、零件直到原材料之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，以及每個組裝件所需要的下屬部件的數(shù)量[3]。在PDM系統(tǒng)中，裝配順序規(guī)劃以建設(shè)裝配工藝物流清單（Process Bill of Material，PBOM，也稱為工藝BOM）的形式開展。PBOM是由工藝設(shè)計部門在工程物料清單（Engineering Bill of Material,EBOM，也稱為設(shè)計BOM）的基礎(chǔ)上，對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，是面向加工和裝配的過程化組織，形式上也是父件與子件裝配關(guān)系遞歸而成的多叉樹，如圖1所示。裝配PBOM是在裝配工藝設(shè)計過程中，用物流清單反映物流過程，確定產(chǎn)品裝配順序，按各零/組件裝配順序提出各裝配階段的零/組件的編號、名稱及消耗數(shù)量，以便于發(fā)動機的實際裝配管理，提高生產(chǎn)效率。

圖1 裝配PBOM構(gòu)建全局模型

1.1 構(gòu)建裝配PBOM的基本方法

在PDM系統(tǒng)中構(gòu)建裝配PBOM，采用自頂向下與自底向上相結(jié)合的方式進行。這是EBOM和PBOM在PDM系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換的特有方式。自頂向下的方式即按照EBOM產(chǎn)品劃分狀態(tài)，發(fā)動機零/組件（子件）應(yīng)掛接在該零/件（子件）所在裝配處（父件）下。自底向上的方式即為了配合實際裝配情況，合理安排裝配時的一些輔助性工作而進行裝配PBOM重構(gòu)；這就勢必要更改裝配處（父件）或建立虛擬件，以保證裝配PBOM全面、準確、清晰地反映發(fā)動機零/組件的物料流動和裝配過程。當產(chǎn)品裝配狀態(tài)與EBOM產(chǎn)品劃分狀態(tài)相同時，其編碼直接沿用至裝配PBOM中；當產(chǎn)品裝配狀態(tài)與EBOM產(chǎn)品劃分狀態(tài)不同時，其編碼按虛擬件編碼原則編寫。這種虛實結(jié)合的特點是EBOM在PDM系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換為裝配PBOM的固有特點。為了適應(yīng)實際裝配過程，可按一定的原則對虛擬件進行編碼，以區(qū)分于正式的零/組件。

1.2 裝配PBOM的建設(shè)流程

眾所周知，發(fā)動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零/組件數(shù)量極大，其裝配過程中不僅包括零/組件的裝配，還囊括了假裝、組合加工、試驗、檢測、清洗等大量繁雜的輔助工作，這些輔助工作保證了發(fā)動機的整體裝配質(zhì)量，是裝配過程中不可分割的一部分。所以在進行裝配PBOM建設(shè)時，上述情況必定會導(dǎo)致一部分需進行輔助工作的零/組件PBOM與設(shè)計EBOM的劃分不一致現(xiàn)象產(chǎn)生，從而產(chǎn)生虛擬裝配組件或裝配單元。故進行裝配PBOM建設(shè)時，就要事先考慮這部分因素并予以合理安排，避免由裝配PBOM規(guī)劃不合理而導(dǎo)致其無法完全適應(yīng)實際生產(chǎn)，造成資源浪費及裝配質(zhì)量/效率低下的現(xiàn)象。

構(gòu)建裝配PBOM之初，首先進行發(fā)動機裝配PBOM結(jié)構(gòu)簡圖設(shè)計，該簡圖依據(jù)EBOM數(shù)據(jù)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)繪制而成,應(yīng)包含所有虛擬件，起到指導(dǎo)裝配PBOM構(gòu)建的作用。發(fā)動機的設(shè)計EBOM是發(fā)動機結(jié)構(gòu)特點的詳細描述，對裝配順序規(guī)劃有著不可替代的指導(dǎo)作用，是裝配順序規(guī)劃的建設(shè)綱領(lǐng)。原則上必須保證裝配PBOM所包含的零/組件數(shù)量和種類最終與設(shè)計EBOM所包含的數(shù)量和種類完全一致?；谏鲜鲇^點的考慮，在進行裝配PBOM建設(shè)時，一定要以設(shè)計EBOM為綱，結(jié)合產(chǎn)品實際的裝配合理性、適宜性及生產(chǎn)分工等情況進行劃分，建立合理的結(jié)構(gòu)分支，這是裝配PBOM建設(shè)的關(guān)鍵。

結(jié)合上述觀點，構(gòu)建裝配PBOM結(jié)構(gòu)如圖2所示。在圖2中：細實線表示發(fā)動機裝配部分，虛線表示各零/組件生產(chǎn)制造部分，點虛線表示外購件部分。

圖2 裝配PBOM結(jié)構(gòu)

裝配PBOM簡圖確定后，開展裝配PBOM詳細設(shè)計，即裝配順序詳細規(guī)劃。上述過程即為采用自上而下的方法構(gòu)建裝配PBOM的過程。在裝配PBOM詳細設(shè)計過程中，發(fā)動機各零/組件產(chǎn)品基于EBOM數(shù)據(jù)，依據(jù)發(fā)動機的裝配PBOM結(jié)構(gòu)簡圖開展工藝規(guī)劃的設(shè)計，構(gòu)建虛擬件，實現(xiàn)對裝配PBOM的重構(gòu)，建立起完整的裝配PBOM構(gòu)架。上述過程即為采用自下而上的方法構(gòu)建裝配PBOM的過程。

這2種方法相互結(jié)合，互為補充，涵蓋了發(fā)動機全部零/組件的結(jié)構(gòu)屬性和裝配關(guān)系，可以有效地組織和管理發(fā)動機的裝配生產(chǎn)。

2 裝配PBOM重構(gòu)過程中特殊問題的處理方法

在裝配PBOM建設(shè)過程中，綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、裝配資源以及裝配環(huán)境等因素，需要對裝配PBOM的結(jié)構(gòu)樹進行相應(yīng)的調(diào)整重構(gòu)。重構(gòu)過程中工藝人員可根據(jù)實際情況，遵循先用為主原則，綜合考慮EBOM產(chǎn)品劃分狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)樹的重構(gòu)。具體問題處理方法如下。

2.1 以散件形式進入父件的零/組件裝配工作

在實際裝配過程中，會出現(xiàn)組件B上存在零/組件A，不需參與B的裝配工作，但必須隨組件B裝配在組件P上的情況。在該情況下，構(gòu)建PBOM時要盡量保證裝配PBOM結(jié)構(gòu)與EBOM結(jié)構(gòu)一致，零/組件A要直接掛接到集件組件B上。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖3所示。

圖3 不參與父件裝配的零/組件EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.2 1個零/組件參與另1個組件裝配工作

在裝配過程中存在零/組件a/A要參與另1個組件B裝配工作的情況，即零/組件a/A被分解后與組件B共同裝配到組件P上；此時，構(gòu)建裝配PBOM要遵循先用為主原則，綜合考慮EBOM，將零/組件a/A直接掛到虛擬組件B上。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖4所示。

2.3 組件在試驗結(jié)束后的分解及分配方式

組件A參與組件B（虛擬件）的假裝或試驗，待假裝或試驗工作完成后，將組件A從組件B上分出，并分解至零件狀態(tài)，其組成零件d、e、f、g與其他組件C、D組合共同裝在組件P上；針對這種情況，構(gòu)建裝配PBOM時要遵循先用為主原則，d、e、f、g 掛在組件 A上，組件A掛接到虛擬組件B上。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖5所示。

圖4 零/組件參與另一零組件裝配的EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

圖5 分解后分別裝配到父件的組件EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.4 在裝配過程中組件需分解

在裝配過程中，組件A被分解，其子件直接裝到上1級組件P上，該情況下構(gòu)建PBOM可不考慮分解過程，盡量保持PBOM與EBOM一致，A直接掛接到組件P上。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖6所示。

圖6 組件需分解裝配的EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.5 2個轉(zhuǎn)子進行組合平衡

在平衡過程中，將組件A、組件B裝配成1個組合平衡組件，在組件A上添加零件a，在組件B上添加零件b進行平衡，平衡工作完成后此組合件被分解，帶零件a的組件A裝到組件C上，帶零件b的組件B裝到組件D上。該情況下構(gòu)建裝配PBOM時，組合平衡組件將其定義為虛擬組件，組件號為“balance”，其下掛接組件A、組件B、零件a及零件b，而組件P下掛接虛擬組件C、D、組合平衡組件balance，非平衡件c則遵循先用為主原則。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖7所示。

圖7 兩組件需組合平衡的EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.6 軸承需拆裝

在裝配過程中，軸承是以整體形式集件；而在實際裝配時，軸承內(nèi)圈裝在轉(zhuǎn)子上，軸承外圈裝在機匣上。在此情況下，不考慮拆裝過程，直接將軸承作為整體掛接在相應(yīng)的轉(zhuǎn)子上。

2.7 一圖多號或存在配套關(guān)系的零/組件整體裝備方式

在裝配過程中，具有配套關(guān)系的機匣、殼體類零/組件（例如對開機匣）通常被整體組合加工入庫，在構(gòu)建裝配PBOM時，綜合考慮零/組件配套關(guān)系與設(shè)計結(jié)構(gòu)。若設(shè)計結(jié)構(gòu)中存在1圖多號的情況，則裝配PBOM結(jié)構(gòu)中以整體形式掛接；若設(shè)計結(jié)構(gòu)中只存在單獨零件號，則在裝配PBOM結(jié)構(gòu)中建立虛擬組件，其下掛接所需的零件號。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖8所示。

圖8 需整體組合加工或入庫零/組件的EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.8 一圖多號的零/組件不需整體裝配方式

在實際裝配過程中，存在一圖多號的非機匣、殼體類零/組件，如靜子扇形塊組件，通常是非整體組合加工、入庫的，在構(gòu)建裝配PBOM時，要保證裝配PBOM結(jié)構(gòu)和EBOM結(jié)構(gòu)的一致性。

2.9 組件配套不齊全

在產(chǎn)品制造過程中，入庫的零/組件配套不齊全（半成品），不完全符合設(shè)計結(jié)構(gòu)，還需要其他一些零/組件（如缺少零件 d、e、C），在該情況下，在構(gòu)建裝配PBOM時，將所缺少的零/組件d、e、C直接掛在組件A上。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖9所示。

圖9 半成品的EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.10 只做裝配工作的外購成品中以散件形式交付的零/組件

裝配集件時，有外購成品組件A存在部分散件c，而c來自與組件A不同的承制單位，只負責(zé)在裝配時將散件c裝配到A上，再將組件A裝配于組件P上。此時構(gòu)建PBOM，要綜合考慮零/組件單位來源及裝配過程中對該組件的工作情況，重構(gòu)該組件A，在外購虛擬件下掛接組件A子裝配單元零/組件號。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖10所示。

圖10 散件狀態(tài)交付零/組件的EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

2.11 除裝配工作外，仍有其他工作的外購成品中，以散件形式交付的零/組件

外購成品中以散件形式交付的零/組件，除裝配工作外，仍有其他工作時，需要對該組件進行重構(gòu)，在該虛擬件下掛接外購虛擬件，再在外購虛擬件下掛接子裝配單元的零/組件號。此時EBOM與裝配PBOM結(jié)構(gòu)對比如圖11所示。2.12部分零/組件以散件形式交付的外購成品

圖11 有其它工作的外購件EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

（1）部分零/組件以散件形式交付的外購成品，其子件來自同一單位，在裝配過程中不對其做進一步工作時，裝配PBOM對該組件不進行重構(gòu)，而保持與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致即可。

（1）部分零/組件以散件形式交付的外購成品，其子件來自同一單位，在裝配過程中不對其做進一步工作時，裝配PBOM對該組件不進行重構(gòu)，而保持與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致即可。

（2）部分零/組件以散件形式交付的外購成品組件，其子件來自同一單位，而在裝配過程中需對該零/組件做進一步工作時，有3種處理方式：

（a）若雙方對外購成品組件的工作不同，在裝配PBOM中，不需對此組件重構(gòu)，僅需保持與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致，在裝配PBOM中增加裝配工作節(jié)點，并掛接外購成品組件號。

（b）若雙方對外購成品組件工作相同，且零件隨組件一起提供，在裝配PBOM中，不需對此組件重構(gòu)，僅需保持與設(shè)計結(jié)構(gòu)一致，在裝配PBOM中增加裝配工作節(jié)點，并掛接外購成品組件號。

（c）若雙方對外購成品組件的工作相同，且零/組件單獨提供，在裝配PBOM結(jié)構(gòu)中，需要對此組件進行重構(gòu)，其下掛接外購虛擬件和單獨提供的零/組件，在外購虛擬件下掛接子裝配單元零/組件號。

圖12 需做進一步工作的外購成品EBOM/PBOM結(jié)構(gòu)對比

3 結(jié)束語

以數(shù)字化管理系統(tǒng)為平臺的裝配順序規(guī)劃方法將計算機的快速計算能力與人的經(jīng)驗有機結(jié)合，充分考慮了制約裝配PBOM形成的各種因素，采取了相應(yīng)的手段和方法來消解矛盾，保證了規(guī)劃決策的合理性和可執(zhí)行性。該方法通過對部分現(xiàn)有裝配構(gòu)成的快速重組，實現(xiàn)了全面反映發(fā)動機各個零/組件的裝配關(guān)系、流程及消耗數(shù)量的目的，有利于提高裝配效率和質(zhì)量。參考文獻：

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鈦鋁合金將用于制造LEAP發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片

2014年4月，法國Snecma和Mecachrome公司就CFM國際公司的LEAP-X發(fā)動機鈦鋁（TiAl）合金低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片簽訂了采購合同，這是TiAl合金在世界范圍內(nèi)首次在單通道客機發(fā)動機低壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上應(yīng)用。為制造TiAl合金葉片，2家公司合作開發(fā)了1種特殊工藝，并且建造了整套的生產(chǎn)設(shè)備。Mecachrome公司新的生產(chǎn)線將耗資6000萬歐元，預(yù)計該轉(zhuǎn)子葉片將于2015年實現(xiàn)量產(chǎn)，2016年的產(chǎn)量將會大量增加，計劃到2019年實現(xiàn)1個/min的葉片生產(chǎn)速率。

TiAl合金低壓渦輪葉片在CF6-80C2發(fā)動機上已經(jīng)完成了1500多個循環(huán)的驗證，2006年美國GE公司宣布將在GEnx發(fā)動機低壓渦輪第6、7級葉片上采用鑄造TiAl合金葉片，與采用鎳基高溫合金相比，其質(zhì)量將減輕50%，這是TiA1合金在最新型民用航空發(fā)動機上首次應(yīng)用。據(jù)NASA估計，到2020年，TiAl合金有望占航空發(fā)動機材料總量的20%～25%。

TiAl合金是20世紀50年代開發(fā)研究的新型高溫合金材料，由于具有優(yōu)良的高溫強度、抗蠕變、抗氧化和阻燃性能，而且密度低，彈性模量高等優(yōu)點，最適于在航空發(fā)動機高壓壓氣機葉片和低壓渦輪葉片上應(yīng)用。

TiAl合金包括單相合金和雙相合金，單相合金主要含γ相，近期的研究集中在雙相富Ti合金，通常含有混合的γ相和α2相，α2相含量約為20%。研究表明，雙相TiAl合金的強度和塑性都明顯優(yōu)于單相合金的。其發(fā)展主要經(jīng)過4個階段，第1代由美國空軍材料研究所和PW公司共同開發(fā)，綜合性能良好，但不能滿足發(fā)動機部件的使用要求。第2代由美國空軍材料研究所發(fā)起，并與GE公司共同完成。近10年來，在前2代合金的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了第3、4代合金，使材料的綜合性能得到明顯提高，在一定程度上滿足了工程應(yīng)用要求。

（中航工業(yè)動力所 索德軍）

Method of Assembly Sequence Planning Based on Product Data Management System

LIU Yan-fei1，SHIHua-xun2，CAO Jia-m ing1,WANG Shu-yun2
（1.PLA Consumer Representative O ffice in SLEMC,Shenyang 110043,China;2.AVIC Shenyang Lim ing Aeroengine Group Co.Ltd,Shenyang 110043,China）

Considering the complexity of aeroengine structure,assembly sequence planning would be one of the key methods to accomplish digitalmanagement of aeroengine.With the assembly sequence planning method of structure tree reconstruction and manmachine coordinated planning,assembly relation between all parts/components and consumed quantity can be generally reflected.Aiming at the characteristics of the restraints during assembly,taking the strategy of man-machine coordinated planning can improve assembly efficiency of aeroengine and engineering practicability of assembly sequence planning itself.Practices show that the kind of assembly sequence planningmethod canmeet the requirementof production.It is conducive to the rational allocation for circulation ofmaterial,and promote the practicalapplication of the productdatamanagementsystem of the engine.

assembly sequence planning;product datamanagement;process bill ofmaterial;aeroengine

V241.05

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2014.03.017

2013-06-15

劉巖飛（1977），男，碩士，工程師，主要從事航空發(fā)動機的軍檢驗收工作；E-mail:21485231@qq.com。

劉巖飛，史華勛，曹家洺，等.基于數(shù)字化管理系統(tǒng)的裝配順序規(guī)劃方法[J].航空發(fā)動機，2014，40（3）：79-84.LIU Yanfei，SHIHuaxun，CAO Jiaming,etal.Method ofassemblysequenceplanningbased on productdatamanagementsystem[J].Aeroengine，2014，40（3）：79-84.