孫怡曉，王潤孝，同淑榮，楊云濤

SUN Yi-xiao1, WANG Run-xiao1, TONG Shu-rong2, YANG Yun-tao1

（1. 西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學(xué) 管理學(xué)院，西安 710072）

0 引言

我國飛機(jī)研制企業(yè)總體上仍采用傳統(tǒng)的串行封閉式設(shè)計(jì)與制造模式[1]，設(shè)計(jì)人員往往對制造的工藝性和生產(chǎn)制造能力缺乏足夠的認(rèn)識，容易片面追求過高的技術(shù)要求，造成設(shè)計(jì)與制造相脫節(jié)，降低飛機(jī)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

在以往的研究中，制造質(zhì)量知識在多被用作質(zhì)量控制和輔助工藝設(shè)計(jì)[2]，很少向更高層次的設(shè)計(jì)階段反饋。實(shí)際上，這些知識包含的價值遠(yuǎn)不止此，它們經(jīng)過分析和處理，可以向更高一層的設(shè)計(jì)階段反饋，從而來輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程，避免設(shè)計(jì)初期與制造的脫節(jié)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

本文從飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造過程開展研究，探討制造質(zhì)量知識對飛機(jī)設(shè)計(jì)過程支持的原理，分析設(shè)計(jì)過程對制造質(zhì)量知識的需求，建立支持飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的制造質(zhì)量知識模型。為飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的融合打下理論基礎(chǔ)。

1 制造質(zhì)量知識對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的支持

1.1 制造質(zhì)量知識及其對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的支持原理

在制造過程中產(chǎn)生的與制造質(zhì)量相關(guān)的或與能夠?qū)Ξa(chǎn)品制造質(zhì)量產(chǎn)生影響的有用知識的集合，統(tǒng)稱為制造質(zhì)量知識。制造在將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的同時，產(chǎn)生了大量的制造質(zhì)量知識。從存在的形式上來分，制造質(zhì)量知識可分為顯性知識和隱形知識。其中，顯性制造質(zhì)量知識是指以實(shí)體存在的知識，它包括制造過程相關(guān)知識，例如工藝參數(shù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、加工方法等，也包括設(shè)備、人員、材料等制造資源知識，還有與制造環(huán)境相關(guān)的質(zhì)量知識。隱性制造質(zhì)量知識則是指存在于工藝人員和制造人員的腦海中的經(jīng)驗(yàn)、訣竅等。

圖1 制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)過程的支持原理圖

圖2 制造質(zhì)量知識粒度轉(zhuǎn)化與“金字塔”層次模型

圖1描述了制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)過程的支持原理。設(shè)計(jì)活動包括概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)三個階段。在制造階段中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)、參數(shù)、圖表等信息，經(jīng)過篩選、分類、整理和數(shù)據(jù)處理，形成制造質(zhì)量知識。建立制造質(zhì)量知識庫，存儲制造過程知識、制造資源知識、制造環(huán)境知識、制造經(jīng)驗(yàn)等其它制造質(zhì)量知識。這些制造質(zhì)量知識將依照設(shè)計(jì)者的需求，可以直接或通過必要的處理過程間接地反饋給個階段的設(shè)計(jì)者，從而向各個設(shè)計(jì)階段提供制造支持。

1.2 制造質(zhì)量知識粒度的轉(zhuǎn)化

為滿足不同設(shè)計(jì)階段對制造質(zhì)量知識不同層次的需求，將引入制造質(zhì)量知識粒度的概念，來表示對原始制造質(zhì)量知識加工處理的程度。直接從制造一線采集的原始制造質(zhì)量知識，稱為粗糙知識。經(jīng)過知識提取和處理過的知識，稱為精細(xì)知識。如圖2(a)所示，結(jié)合設(shè)計(jì)對制造的需求，對采集的原始參數(shù)、圖表、數(shù)據(jù)等信息，采用歸納、統(tǒng)計(jì)分析、圖表處理、模糊算法、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，進(jìn)行知識的抽取和提煉，實(shí)現(xiàn)制造質(zhì)量知識粒度的逐步“細(xì)化”。知識經(jīng)過“加工處理”的過程越復(fù)雜，知識的精細(xì)程度越高。

由于制造質(zhì)量知識細(xì)化的程度面向設(shè)計(jì)的各個階段的需求，經(jīng)過處理的制造質(zhì)量知識根據(jù)所支持的設(shè)計(jì)階段而不同而呈現(xiàn)出不同的粒度。相同知識粒度的制造質(zhì)量知識集合起來，使得知識庫中的知識展現(xiàn)出不同的層次，如圖2(b)所示的“金字塔”模型。隨著設(shè)計(jì)階段的層次提前，所需的制造質(zhì)量知識處理程度越高，處理過程越復(fù)雜，粒度越細(xì)；越接近制造階段，所需制造質(zhì)量知識相對來說比較粗放，處理過程比較簡單。

制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)階段支持的層次性，使得制造質(zhì)量知識對各階段知識支持的更有針對性，提高了制造質(zhì)量知識的質(zhì)量和效率，有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者快速準(zhǔn)確得查詢到所需的制造質(zhì)量知識。

2 飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的制造質(zhì)量知識需求分析

2.1 飛機(jī)的設(shè)計(jì)過程

飛機(jī)設(shè)計(jì)過程主要包括概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)[3]，各個設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)如圖3所示。

飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員主要解決飛機(jī)的構(gòu)形布局、參數(shù)、重量以及性能方面的問題。并考慮關(guān)鍵技術(shù)的風(fēng)險和新材料、新技術(shù)、新工藝等應(yīng)用計(jì)劃等；飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段，逐步建立全機(jī)三維模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)間的協(xié)調(diào)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。各部件的設(shè)計(jì)師開始進(jìn)行部件結(jié)構(gòu)的打樣設(shè)計(jì)。初步設(shè)計(jì)的最終目的是為詳細(xì)設(shè)計(jì)，即所謂全尺寸研制做好準(zhǔn)備；飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，各部件將分解成零構(gòu)件，如機(jī)翼就被分解成各個翼肋、翼梁和蒙皮，然后分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。詳細(xì)設(shè)計(jì)的后期，工藝部門將介入進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

2.2 飛機(jī)設(shè)計(jì)各階段對制造質(zhì)量知識的需求

設(shè)計(jì)對制造質(zhì)量知識的需求的目的主要是提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可制造性。其中，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的工藝性水平、制造資源的約束、制造技術(shù)水平限制是影響產(chǎn)品可制造性的重要影響因素。 設(shè)計(jì)者若能充分考慮這些方面的制造質(zhì)量知識，則能保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量目標(biāo)在制造過程中順利實(shí)現(xiàn)，達(dá)到設(shè)計(jì)與制造目標(biāo)的一致，從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖3 飛機(jī)設(shè)計(jì)各階段的主要任務(wù)

在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，對結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)時，往往需要考慮結(jié)構(gòu)的繼承性[4]，這也是結(jié)構(gòu)工藝性重要方面之一。而飛機(jī)結(jié)構(gòu)的繼承性又依賴于已有的制造質(zhì)量知識，利用現(xiàn)有的工藝文件、工藝裝備和成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可以對設(shè)計(jì)提供有效的制造支持?？s短了生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造周期、降低了生產(chǎn)成本；設(shè)計(jì)人員對于新材料、新結(jié)構(gòu)和新制造技術(shù)的采用比較慎重。要以充分的預(yù)研和工藝試驗(yàn)為基礎(chǔ)，應(yīng)先局部試用于已成批生產(chǎn)的飛機(jī)，在制造中反復(fù)檢驗(yàn)，基于大量的制造試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出分析，規(guī)避風(fēng)險，再逐步穩(wěn)妥地?cái)U(kuò)大應(yīng)用范圍。

在飛機(jī)初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師著重解決飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)和部件的優(yōu)化問題。合理地確定工藝分離面，保證部件之間的良好的裝配工藝性，提高結(jié)構(gòu)的整體性，是飛機(jī)具有良好的可制造性的基礎(chǔ)。對部件的設(shè)計(jì)，應(yīng)確保其有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。對于這些需求，制造質(zhì)量知識庫可以提供歷史制造中的結(jié)構(gòu)工藝性實(shí)例，給予設(shè)計(jì)者參考，避免因設(shè)計(jì)失誤而造成的工藝性差或出現(xiàn)制造瓶頸。此外，在此設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者應(yīng)適當(dāng)掌握現(xiàn)有車間的加工能力等制造資源約束信息，使得設(shè)計(jì)結(jié)果與制造水平相匹配。

在飛機(jī)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，是零部件具體設(shè)計(jì)參數(shù)形成的過程。與初步設(shè)計(jì)階段類似，結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)主要從零件可裝配性、結(jié)構(gòu)工藝性兩個方面來滿足可制造性的要求。對于設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，則需要充分考慮設(shè)備的詳細(xì)信息，全面了解設(shè)備的加工精度、加工能力、使用狀態(tài)等，從而合理地確定公差、配合精度和表面粗糙度等。同時，與工藝設(shè)計(jì)相結(jié)合，對工藝、檢驗(yàn)、材料加工、人員等制造資源信息的必要了解，也有利于設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

3 支持飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的制造質(zhì)量知識IDEF0模型

飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，各階段之間存在密切的輸入輸出關(guān)系。而制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)過程的支持也存在一定的交互和順承。為了更好地描述制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)的支持，采用IDEF0方法建立了飛機(jī)設(shè)計(jì)過程與制造質(zhì)量知識的供給模型。

圖4所示的IDEF0圖[5]用于表示制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)階段的支持。

其中(A)是飛機(jī)設(shè)計(jì)的三個階段；輸入(I)是各個設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)和方案計(jì)劃，以及上一階段的設(shè)計(jì)輸出；輸出(O)是該設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)結(jié)果；控制(C)是設(shè)計(jì)階段要遵循的設(shè)計(jì)規(guī)范、準(zhǔn)則、要求、約束等；機(jī)制(M)是支持該設(shè)計(jì)階段的制造質(zhì)量知識。建立支持飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的制造質(zhì)量知識IDEF0模型，如圖5所示。

圖4 IDEF0圖

在該模型中，根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)各個階段的需求，將制造質(zhì)量知識按照層次和粒度進(jìn)行分類，形成特定的模塊（機(jī)制）對各設(shè)計(jì)階段提供制造支持。各支持模塊之間不是孤立存在的，各個階段同一類型的模塊之間可能存在知識粒度的轉(zhuǎn)換關(guān)系。模型清晰地表達(dá)了制造質(zhì)量知識對飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的支持。

4 結(jié)論

圖5 支持飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的制造質(zhì)量知識IDEF0模型

為了避免飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造相脫節(jié)，造成設(shè)計(jì)的返工和制造資源的浪費(fèi)，論文研究了制造質(zhì)量知識對設(shè)計(jì)的支持。將以往飛機(jī)制造中產(chǎn)生的制造質(zhì)量知識進(jìn)行處理，有效地反饋給各個設(shè)計(jì)階段的人員，從而輔助他們在設(shè)計(jì)的開始就考慮制造問題，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。探討了制造對設(shè)計(jì)的支持原理，提出了知識粒度轉(zhuǎn)化模型。針對飛機(jī)各個設(shè)計(jì)階段的任務(wù)進(jìn)行了制造質(zhì)量知識需求分析，最后建立了支持飛機(jī)設(shè)計(jì)過程的制造質(zhì)量知識IDEF0模型，為以后的深入研究奠定了基礎(chǔ)，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

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