鄭堂介，贠周會，趙 爽，趙 毅

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

隨著現(xiàn)代飛機(jī)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)的不斷提高、飛機(jī)結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，新型材料也得到較多的應(yīng)用，制造工藝技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。三維工藝設(shè)計(jì)手段在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已有了充分的工程實(shí)踐，MBD技術(shù)也在飛機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到愈加廣泛的應(yīng)用。因此，構(gòu)建完整的三維數(shù)字化制造體系，實(shí)現(xiàn)MBD設(shè)計(jì)體系中所包含的設(shè)計(jì)/制造信息向制造領(lǐng)域的傳遞和貫徹，整合企業(yè)現(xiàn)有的各類信息資源，集成企業(yè)相對獨(dú)立的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)教練機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的全三維數(shù)字量傳遞，是當(dāng)前航空訓(xùn)效裝備制造企業(yè)工藝信息化進(jìn)程中亟待解決的問題。

1 工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，數(shù)字化制造技術(shù)發(fā)展非常迅速，尤其在飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化制造工藝方面最具代表性。發(fā)達(dá)國家的飛機(jī)制造公司一直十分重視數(shù)字化制造工藝的研究和應(yīng)用，其中，美國波音公司和洛克希德·馬丁公司，在數(shù)字化制造工藝研究和應(yīng)用方面，一直處于領(lǐng)先地位。

2000年，在洛克希德·馬丁公司，聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF項(xiàng)目獲得成功。其主要特點(diǎn)是，倡導(dǎo)全球大協(xié)作，采用最先進(jìn)的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)。JSF項(xiàng)目數(shù)字化的主要標(biāo)志：以數(shù)字樣機(jī)為核心的虛擬飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以Internet和協(xié)同產(chǎn)品商務(wù)系統(tǒng)為平臺的虛擬企業(yè)。并通過三維制造工藝系統(tǒng)，進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、規(guī)劃、仿真及優(yōu)化，提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、資源設(shè)計(jì)中存在的不足，縮短了制造周期，節(jié)約了成本。JSF的數(shù)字化應(yīng)用代表了航空制造業(yè)數(shù)字化的第三階段——虛擬時(shí)代。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國三維數(shù)字化制造應(yīng)用起步較晚，但是進(jìn)展很快，在過去幾年中，新型號工程給我國飛機(jī)工業(yè)數(shù)字化帶來了新的契機(jī)，取得了一些可喜的成績。部件級的幾何樣機(jī)在設(shè)計(jì)制造中得到廣泛應(yīng)用，計(jì)算分析已全面數(shù)字化、制造仿真也在逐步走向數(shù)字化。

在航空產(chǎn)品型號研制中，已經(jīng)形成了100%幾何樣機(jī)，主機(jī)制造商的三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)能力也有大幅度提高。近年來，國內(nèi)某些航空制造企業(yè)采用國外先進(jìn)的三維制造工藝系統(tǒng)并進(jìn)行了客戶化定制，進(jìn)行三維制造工藝設(shè)計(jì)、制造仿真驗(yàn)證及優(yōu)化、3D AO的生成及發(fā)放等，并初步開展了與設(shè)計(jì)項(xiàng)目管理(DPM)等系統(tǒng)的集成研究工作，實(shí)現(xiàn)了某部件的三維數(shù)字化虛擬制造，大大縮短了試制周期，提高了制造質(zhì)量，減少了試制返工，在數(shù)字化制造工藝方面取得了一定的成果及進(jìn)展。

某些飛行訓(xùn)效裝備制造企業(yè)在數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)平臺應(yīng)用方面，在行業(yè)中處于較為領(lǐng)先的地位，以某型高級教練機(jī)項(xiàng)目為牽引，企業(yè)在多年計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于先進(jìn)教練機(jī)平臺的中航CAPP系統(tǒng)，并在公司在研、在產(chǎn)的多個(gè)型號研制過程中進(jìn)行了工程化實(shí)施應(yīng)用。中航CAPP通過系統(tǒng)改進(jìn)，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1）軟件體系架構(gòu)由CS架構(gòu)轉(zhuǎn)化為BS架構(gòu)；

2）在ePDM系統(tǒng)完成工藝分工的制造路線劃分和PBOM構(gòu)建；

3） 支持jpg、CATPart、dwg多種圖形文件的導(dǎo)入，后臺自動(dòng)轉(zhuǎn)換為指令文檔；

4）增強(qiáng)了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、匯總功能，方便管理層及工程技術(shù)人員實(shí)時(shí)掌握工藝設(shè)計(jì)工作進(jìn)展及指令歸零情況，以便及時(shí)處置、應(yīng)對。

5）與MES結(jié)合更緊密，開通了指令目錄單功能；

2 工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展中存在的問題及差距

目前國內(nèi)整個(gè)航空產(chǎn)品制造過程基本沿襲了數(shù)字量傳遞與模擬量傳遞相結(jié)合的工作模式，這種模式的不足之處逐漸在新技術(shù)新業(yè)務(wù)的發(fā)展過程中凸顯出來，主要表現(xiàn)在：

工藝設(shè)計(jì)過程主要采用計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)（CAPP）系統(tǒng)進(jìn)行，但基本上停留在二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上；雖然某些型號采用了三維數(shù)模，但是與CAD系統(tǒng)沒有建立緊密的聯(lián)系；無法將制造工藝過程、制造零件及與制造過程有關(guān)的制造資源緊密結(jié)合在一起以實(shí)現(xiàn)制造過程的仿真；無法在工藝設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行三維的虛擬工藝驗(yàn)證，零部件能否準(zhǔn)確安裝，在實(shí)際安裝過程中是否發(fā)生干涉、工藝流程、工序順序是否合理，制造工藝裝備是否滿足制造需求，人員技能及制造工具是否達(dá)標(biāo)等一系列問題無法在工藝設(shè)計(jì)階段得到有效驗(yàn)證。上述任一環(huán)節(jié)在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)問題都將影響飛機(jī)的研制周期，造成費(fèi)用的損失。

近年來某些飛行訓(xùn)效裝備制造企業(yè)在數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)的部分環(huán)節(jié)取得了一些技術(shù)上的進(jìn)步，但跟國內(nèi)外先進(jìn)航空制造企業(yè)相比，主要的差距表現(xiàn)在：

1)三維工藝設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用水平較低；

2)管理模式與生產(chǎn)方式?jīng)]有按照數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展要求發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變革；

3)數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)、制造基礎(chǔ)技術(shù)體系還沒有建立，相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等尚需完善；

4)現(xiàn)有的中航CAPP/AMES/EPDM系統(tǒng)缺乏三維工藝設(shè)計(jì)能力；全三維裝配過程的工藝設(shè)計(jì)缺少視頻動(dòng)畫及仿真驗(yàn)證的有效支持。

5)飛機(jī)鈑金件工程設(shè)計(jì)平臺（AMES）的知識庫、資源庫等新技術(shù)沒有得到推廣應(yīng)用；

6)企業(yè)各數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)子系統(tǒng)缺乏有效的集成，工藝信息資源丞待有效整合。

3 三維工藝設(shè)計(jì)集成系統(tǒng)總體技術(shù)方案

3.1 三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)理論的建立

通過研究基于三維模型的工藝過程表達(dá)方式、設(shè)計(jì)方式、管理方式和應(yīng)用模式，確定基于三維模型的MBD建模規(guī)范，通過基于MBD的三維工藝設(shè)計(jì)、三維工藝指令的創(chuàng)建、發(fā)放及瀏覽技術(shù)、技術(shù)狀態(tài)管理及CAPP/AMES/EPDM多工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成技術(shù)和業(yè)務(wù)流程建模等關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成三維數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)過程集成的理論體系。開發(fā)出適應(yīng)于國內(nèi)航空制造企業(yè)業(yè)務(wù)需求的三維數(shù)字化工藝過程原型系統(tǒng)，并在航空企業(yè)具體型號上進(jìn)行初步應(yīng)用驗(yàn)證。

3.2 三維工藝設(shè)計(jì)支持環(huán)境的構(gòu)建

3.2.1 制造過程現(xiàn)場可視化

在現(xiàn)代飛機(jī)制造過程中，復(fù)雜作業(yè)過程在工藝指令中雖使用了大量的冗長文字描述，但仍有可能表述不清，以至引起誤讀誤判，因?qū)χ噶顑?nèi)容的理解偏差造成的誤操作引起的生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生，而視頻和圖像與文字描述相比，符合人類理解客觀世界的認(rèn)知方式，有著天生的優(yōu)越性，它逼真的顯現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)的操作過程，現(xiàn)場工人一看便知，對指令的誤讀率幾乎為零。通過在裝配作業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用基于3D VIA Composer的三維數(shù)模輕量化視頻演示，使用數(shù)字化裝配工藝模擬技術(shù)滿足零部件精確定位的要求；在復(fù)雜零件加工方面，通過在指令工序中添加零件制造模型（亦稱多態(tài)模型）可以清晰的展現(xiàn)零件的加工全過程。圖1為飛機(jī)部件裝配過程視頻演示截圖。

圖1 飛機(jī)部件裝配過程視頻演示截圖

3.2.2 制造過程仿真

作為三維工藝設(shè)計(jì)過程的重要組成環(huán)節(jié)，通過基于三維模型的制造過程仿真系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的結(jié)構(gòu)化工藝過程仿真。對零件、組件、部件組成的制造單元進(jìn)行可制造性、可裝配性分析，檢查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；在零件工藝設(shè)計(jì)階段，通過有限元分析軟件（如ABAQUS）對零件成形過程進(jìn)行分析；在部件裝配工藝設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用DELMIA軟件的DPE模塊輔助裝配工藝的三維設(shè)計(jì)、BOM管理，借助DELMIA的DPM模塊對裝配過程進(jìn)行仿真與優(yōu)化。某新型教練機(jī)部件裝配過程仿真如圖2所示。

圖2 某新型教練機(jī)部件裝配過程仿真

3.2.3 三維工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的建立

得益于企業(yè)在鈑金件數(shù)字化制造技術(shù)方面的技術(shù)積累，借助其工藝數(shù)據(jù)庫研究新技術(shù)，構(gòu)建三維工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫支撐體系，包括：典型部件裝配專家知識模型、典型工藝知識庫、典型資源庫等。實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)、工藝知識的管理和利用，增強(qiáng)知識積累和知識重用技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)過程，提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。重點(diǎn)研究工藝參數(shù)庫、工藝知識庫的組織及管理方法，規(guī)范工藝資源模型數(shù)據(jù)信息，建立典型工藝設(shè)計(jì)過程模板，補(bǔ)充到工藝知識庫中，使企業(yè)的工藝經(jīng)驗(yàn)和知識得到優(yōu)化與重用。

3.2.4 三維工藝設(shè)計(jì)過程模型構(gòu)建與優(yōu)化

為滿足先進(jìn)教練機(jī)型號研制過程中三維全數(shù)字工藝設(shè)計(jì)的要求，滿足對產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、過程、資源的統(tǒng)一管理，基于單一數(shù)據(jù)源，以全數(shù)字量傳遞為手段，以數(shù)據(jù)流為導(dǎo)向，分析企業(yè)現(xiàn)有的工藝設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程模型，基于企業(yè)在工藝設(shè)計(jì)方面的知識積累與創(chuàng)新，構(gòu)建產(chǎn)品三維制造工藝信息流程模型，如圖3所示。以產(chǎn)品三維工藝設(shè)計(jì)為基線，充分考慮企業(yè)業(yè)務(wù)實(shí)際，對產(chǎn)品制造工藝過程模型進(jìn)行完善與優(yōu)化，為打造全新的企業(yè)三維工藝設(shè)計(jì)集成平臺做好準(zhǔn)備。

3.3 三維工藝設(shè)計(jì)平臺集成

在三維工藝設(shè)計(jì)平臺集成方面，本著最大限度利用企業(yè)現(xiàn)有資源（軟硬件平臺、人力資源、信息資源）的原則，從全局的角度對企業(yè)工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，在保證各部門現(xiàn)有產(chǎn)品數(shù)據(jù)可用的前提下，實(shí)現(xiàn)企業(yè)制造數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范管理；著手部門數(shù)據(jù)字典轉(zhuǎn)換、進(jìn)行統(tǒng)一編碼；開發(fā)、開放各部門制造數(shù)據(jù)傳遞通道，整合企業(yè)各類工藝資源，確保三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中上、下游數(shù)據(jù)傳輸流暢，實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)—仿真—制造的企業(yè)閉環(huán)。打造一體化的企業(yè)級的三維工藝設(shè)計(jì)平臺，如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品三維制造工藝業(yè)務(wù)信息流程

圖4 三維工藝設(shè)計(jì)平臺架構(gòu)

4 結(jié)語

本文通過對基于先進(jìn)教練機(jī)三維工藝設(shè)計(jì)平臺架構(gòu)的研究，明確了三維工藝設(shè)計(jì)平臺的構(gòu)建要求、三維工藝設(shè)計(jì)理論研究方向以及三維工藝設(shè)計(jì)平臺架構(gòu)的集成。

[1]賈晨輝,張浩,陸劍峰,等.基于數(shù)字化工廠的制造業(yè)信息化集成平臺.管理技術(shù)組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2006年第7期.2006.07.

[2]嚴(yán)雋薇.現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)概論-理念、方法、技術(shù)、設(shè)計(jì)與實(shí)施[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:25-271.

[3]周士林.航空制造工程手冊-飛機(jī)鈑金工藝.北京：航空工業(yè)出版社，1992.10.

[4]邵新宇.現(xiàn)代CAPP技術(shù)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.10.

[5]Kenvin Loney.Oracle Database 10g:The Complete Reference.New York：Oracle Press，2005.

[6]宋登,張浩,樊留群.制造企業(yè)信息化平臺中的CAPE[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2004,26(9):53-56.