（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海 200436）

目前世界上先進制造的主要標志就是數(shù)字化設計與制造，在引領世界先進制造業(yè)潮流的飛機制造業(yè)方面，數(shù)字化設計與制造技術更是得到普遍應用。20世紀90年代世界上全數(shù)字飛機面世以來，飛機數(shù)字化經(jīng)過了幾個不同的發(fā)展時期，在經(jīng)過了3D定義飛機幾何參數(shù)到3D數(shù)控加工和數(shù)字化裝配的重點發(fā)展過程后，飛機設計與制造進入了全邏輯關系的聯(lián)動數(shù)字化時代。為進一步了解目前的狀況，本文對飛機數(shù)字化設計與制造技術的最新發(fā)展和應用進行分析。

飛機數(shù)字化設計與制造的概念和內(nèi)涵

常規(guī)來說，飛機研制中主要有設計和制造專業(yè)，現(xiàn)代飛機制造的理念把飛機研制涉及的范圍拓寬到飛機的全壽命周期，如今人們提到的飛機數(shù)字化設計與制造是指飛機數(shù)字化產(chǎn)品設計三維工程定義、數(shù)字化飛機制造三維工藝定義、數(shù)字化工藝裝備設計三維定義、數(shù)字三維檢測技術等，同時結合各個過程中的虛擬仿真、網(wǎng)絡傳遞、數(shù)字制造、在線信息管理等技術對飛機產(chǎn)品的整個數(shù)字化的執(zhí)行過程[1]。

其內(nèi)涵包括飛機產(chǎn)品設計階段采用基于模型的產(chǎn)品定義（Model-Based Definition，MBD）技術。在這個過程中，產(chǎn)品設計充分利用CATIA工具，使用試驗仿真技術和使用環(huán)境虛擬仿真技術等。

在工藝設計階段，制造工程師通過諸如IDEAL等平臺得到工程設計的MBD產(chǎn)品定義，采用DELMIA等模擬仿真技術進行工藝三維設計，從而得到適用于數(shù)字化工廠使用的廠房工藝布局方案、制造過程規(guī)劃以及相適應的零件制造流程、裝配工藝仿真、物流運轉模擬、工具配套計劃、工裝準備進度等[2]。在整個工藝設計和實施階段，通過數(shù)字化工具實現(xiàn)無圖制造。

另外，是在飛機工藝裝備的數(shù)字化設計和制造技術中，無接縫地傳遞飛機產(chǎn)品MBD定義，建立工藝裝備的TMBD（Tooling Model-Based Definition）體系，使飛機工藝裝備在飛機生產(chǎn)線全生命周期內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字化作業(yè)。

自從波音777飛機（圖1）大面積采用數(shù)字化技術研發(fā)以來，世界上各個飛機制造企業(yè)都在向數(shù)字化技術的方向發(fā)展，數(shù)字化設計與制造已成為代表飛機技術先進性、安全可靠性、協(xié)作高效性和使用長壽命的標志。隨著數(shù)字化設計與制造在近20年來形成高校的重點學科，現(xiàn)代制造業(yè)把數(shù)字化當作基本手段已經(jīng)是不爭的現(xiàn)實，而飛機制造行業(yè)又是實現(xiàn)數(shù)字化最好的試驗場地和環(huán)境。

圖1 波音777全數(shù)字化飛機制造生產(chǎn)現(xiàn)場Fig.1 Fully digital manufacturing field of Boeing 777

飛機設計數(shù)字化的最新進展

1 數(shù)字化設計定義系統(tǒng)

如今的飛機設計數(shù)字化不再停留在單純的產(chǎn)品幾何數(shù)字化定義階段，而是普遍采用MBD。MBD是在過去三維設計的基礎上，增加有利于制造、采購、管理等大量數(shù)字化信息，將飛機產(chǎn)品特有的所有幾何信息和過去不包含在飛機產(chǎn)品定義里的非幾何特征信息整合在一個模型中，建立基于MBD的幾何定義、工藝參數(shù)和資源信息的統(tǒng)一工作平臺，通過協(xié)議數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)三維結構化數(shù)模的真實無遺失信息傳遞，保持整個過程的數(shù)據(jù)唯一性、一致性、共享性和同源性，真正達到飛機研制的協(xié)同設計、異地制造目的[3]。目前，全世界各個飛機制造企業(yè)普遍采用或趨向采用MBD數(shù)字化設計定義技術。

對于MBD技術來說，CAD/CAM工具是支持其存在和發(fā)展的基礎，而PDM/PLM系統(tǒng)是其發(fā)揮作用的框架與橋梁[4]。MBD技術結合PLM技術或MHI技術，運用單一數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)中樞系統(tǒng) （Multi-HUB）發(fā)揮指令性作用。對于企業(yè)內(nèi)部來說，有利于優(yōu)化企業(yè)制造流程結構方式，建立單一數(shù)據(jù)源的分布式并行工作環(huán)境；對于全球合作來說，有利于構造跨地域供應商動態(tài)協(xié)作工作模式。波音公司在787飛機上首次采用PLM解決方案完成了從工程設計到數(shù)字化生產(chǎn)的全過程，自稱為全世界首架虛擬飛機。

另一方面，MBD借助基礎設計系統(tǒng)提供的先進CAA二次開發(fā)工具，充分利用模塊化的專業(yè)顧問庫、經(jīng)驗專家?guī)?、標準模板庫等手段，將?shù)據(jù)定義規(guī)范、產(chǎn)品功能原理、工程設計原則、工藝設計準則、結構設計經(jīng)驗等采用數(shù)字化的形式表達，運用大數(shù)據(jù)原理，建立海量的設計職能庫，存儲大量的設計信息，取代了傳統(tǒng)的飛機設計手冊和工藝設計規(guī)范，組成飛機研制的基礎結構庫[1]。

數(shù)字化定義系統(tǒng)作為目前飛機研制普遍采用的系統(tǒng)還在不斷地完善和發(fā)展，并且，每個飛機制造企業(yè)在MBD方面的理解概念和定義原則并不完全一樣，例如波音和空客兩大航空制造業(yè)巨頭對MBD的運用還是各自有不同，特別是對于MBD數(shù)據(jù)的傳遞和管理，兩家更是有很大區(qū)別。

2 數(shù)字化設計環(huán)境

除建模的深度和范圍在不斷更新和發(fā)展外，產(chǎn)品數(shù)字化建模技術的方法也在不斷地豐富和擴展，在常見的正向設計、逆向設計、標準件建模、參數(shù)化建模、二次開發(fā)建模等方法的基礎上，基于全過程的數(shù)字化概念使得越來越多的產(chǎn)品采用關聯(lián)設計等更科學的方法。

關聯(lián)設計技術是把孤島式的單一計算機設計單元建立成有互聯(lián)關系的聯(lián)動設計平臺，把單個并且互不關聯(lián)的零件建模技術集成為模型之間的幾何元素甚至非幾何元素的相互驅動或聯(lián)動關系，使飛機的研制流程從串行研制模式向并行協(xié)同的關聯(lián)設計模式轉變，在關聯(lián)設計中，工作關注的焦點在于要素間如何建立聯(lián)系，在這方面比較著名的系統(tǒng)是在線關聯(lián)設計協(xié)同平臺ENOVIA VPM 系統(tǒng)。在此環(huán)境下，常用的關聯(lián)設計工具有：參數(shù)與參數(shù)鏈動（Reference to Reference），位置與位置鏈動（Instance to Instance），參數(shù)和位置同時鏈動（Instance to Reference）等。

關聯(lián)設計帶來的優(yōu)勢在于使設計技術要求更明確，設計任務更清晰，對設計實現(xiàn)的最終目標更清楚，對數(shù)據(jù)選擇性的設計共享更直接，模型結構樹更短，設計步驟更清晰，發(fā)現(xiàn)設計更改或設計錯誤更容易，數(shù)據(jù)的快速重用更方便，項目的管理狀態(tài)更直觀，易于IPT團隊間的實時協(xié)同設計，可以使用不同設計節(jié)點上任何人發(fā)布的設計數(shù)據(jù)，減少知識庫管理的工作量。關聯(lián)設計是目前國內(nèi)外飛機研制最新的、主要的建模方法，是數(shù)字化技術提高到一定水平的情況下，數(shù)字化多專業(yè)設計和各類數(shù)據(jù)管理高度融合的結果。關聯(lián)設計為數(shù)字化設計建立了一個良好的互動平臺[5]。

關聯(lián)設計技術盡管不是最新的概念，但真正在整個型號研制中使用則是在諸如波音787，空客A380、A350、A400M等21世紀研發(fā)的新型大型客機上，這些型號飛機普遍采用了MBD環(huán)境下的關聯(lián)設計。波音在回顧787飛機研制成果時，把關聯(lián)設計列為10大技術成果的首位，說明了波音公司對關聯(lián)設計技術的重視程度?？湛驮谘兄艫400M運輸機和A350客機時，廣泛使用關聯(lián)設計技術，更顯示了關聯(lián)設計技術在飛機研制數(shù)字化技術應用中的重要性。國內(nèi)也有個別軍機型號嘗試著采用關聯(lián)設計技術，均獲得成功。期待中國的下一代民機設計也開始使用關聯(lián)設計技術。

3 縮短飛機設計時間的探索

為了縮短飛機設計時間，加快MBD的建模速度，空客于近年引進了DATADVANCE公司開發(fā)的MACROS設計軟件，并在新飛機的多個領域研發(fā)中使用了這款軟件，解決了建模中的數(shù)值優(yōu)化問題、數(shù)據(jù)高水準分析問題和復雜協(xié)調(diào)系統(tǒng)的高級算法問題，同時，縮短了10%～20%的飛機設計前置時間（lead time）[6]。

還有飛機公司在探索基于MBD和多代理的飛機結構件協(xié)調(diào)設計、基于WetMeeting的MBD協(xié)調(diào)設計和基于JAVA 3D/Web的協(xié)調(diào)設計等。

圖2 數(shù)字化工廠案例Fig.2 Digital factory cases

飛機制造數(shù)字化的最新進展

1 數(shù)字化制造系統(tǒng)——數(shù)字化工廠

在數(shù)字化飛機設計與制造系統(tǒng)中，數(shù)字化制造不再是單一的數(shù)控化、自動化生產(chǎn)模式，而是以數(shù)字技術、網(wǎng)絡信息技術與先進制造技術不斷融合、發(fā)展和應用相結合的高平臺展現(xiàn)在人們面前，這里重點要介紹的是數(shù)字化工廠（Digitalized Factory）（圖2）。

數(shù)字化工廠技術是將MBD數(shù)字模型定義和經(jīng)過DELMIA虛擬工藝仿真設計的制造過程信息，經(jīng)過PDM（Product Data Management）、MRP（Manufacturing Resource Planning）、MIS（Management Information System）為主體的制造信息支持系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)轉化，以MBI（Multiplex Bus Interface）的形式發(fā)布給制造作業(yè)的各類操作者，包括人和設備，實現(xiàn)數(shù)字流環(huán)境下的飛機制造。

2 數(shù)字化制造環(huán)境下的技術和方法

在數(shù)字化飛機制造過程中的數(shù)字化工廠大環(huán)境下，各家航空制造企業(yè)采用了許多先進的制造技術和方法，比如數(shù)字化精準制造技術（包括鈑金精準制造、機加精準制造、復材零件精準成形、激光精密成形、系統(tǒng)附件三維制造以及鍛鑄件精密成形技術等）、結構件整體加工技術（包括鈦合金超塑成形等）、柔性化快速制造技術（包括數(shù)字化柔性裝配技術、數(shù)字化柔性制孔技術、數(shù)字化工藝裝備技術等）、直接數(shù)字制造技術——3D打印技術（包括加法制造、快速原形、個性化制造、分層制造、快速制造等）、數(shù)字化檢測技術、信息化中樞指揮技術等。

還有在飛機部件生產(chǎn)中以高能量密度、高焊接精度和高焊接效率為特點的激光焊接替代鉚接的先進技術，過去僅在軍機機體制造中使用，現(xiàn)在已經(jīng)在最先進的民機殼體壁板上得到大面積運用。比如空客A380飛機上的機身壁板蒙皮與長桁的連接、機翼油箱隔板與加強筋的連接就是采用的激光焊接技術，連接質量大幅度提高的同時，使得飛機重量減輕18%。

近期，隨著中國制造2025、工業(yè)4.0等概念的推出，航空制造業(yè)在尋求和探索智能制造的方法，自動化制造、機器人輔助裝配、流水線集成、移動生產(chǎn)等一批新技術都得到實施。

數(shù)字化給飛機設計和制造過程帶來的變革和突破

數(shù)字化技術不僅為飛機研制注入數(shù)字化的概念，而且給飛機設計和制造過程帶來了巨大的變革和突破。過去，一個飛機型號從工程設計開始到飛機實體進入裝配階段，往往要經(jīng)過一個漫長的過程，這其中要進行的工作至少包括產(chǎn)品設計方案規(guī)劃階段、詳細設計階段、成熟度出圖階段、工藝準備階段、生產(chǎn)準備階段、零組件制造階段，最后實施裝配。

由于數(shù)字化技術的普遍應用，特別是并聯(lián)設計和數(shù)字化工廠的實現(xiàn)，為飛機研制采用了諸如并行工程工作法等先進制造方法創(chuàng)造了平臺和條件。

并行工作是將不同的專業(yè)或部門通過一定的約束條件和工作規(guī)則，集中在一個工作環(huán)境中，在同一平臺上進行同一項目目標而工作結果不同的活動，從而推動項目縮短周期，協(xié)調(diào)推進。并行工作是集成地、并行地設計產(chǎn)品及其相關過程（包括制造過程和支持過程）的系統(tǒng)方法。并行工作方法有很多種，如專業(yè)并行、型號并行、跨職能并行、跨地域并行、臨時并行、重組結構并行等工作模式[7]。

空中客車公司為在歐洲范圍內(nèi)高效研發(fā)新飛機，建立了并行工程ACE領導小組，對每個型號的研制提出并行工程工作的組織方案，指導并行團隊的工作；同樣，波音對于每個型號飛機的研制，均采取并行工程的模式，并且固化為“波音7X7事業(yè)部”的形式存在。

并行工程的特點為基于集成制造的并行性、并行有序、群組協(xié)同、面向工程的設計和計算機仿真技術。針對這5個特點，最好的方法是成立飛機型號事業(yè)部，特別是大膽把工程設計與工藝設計及工藝裝備設計專業(yè)合并，在產(chǎn)品的方案設計初期就由工藝、工裝及制造人員開始介入，進行面向制造和裝配的產(chǎn)品設計，將工程信息、工藝信息、工裝信息、檢測信息等都一并在MBD數(shù)模中體現(xiàn)，按照工程發(fā)展成熟度的原則分階段發(fā)放綜合協(xié)調(diào)數(shù)模，以綜合協(xié)調(diào)數(shù)模為依據(jù)，產(chǎn)生生產(chǎn)制造所需的工藝數(shù)據(jù)集、數(shù)控加工數(shù)據(jù)集、裝配數(shù)據(jù)集、工裝數(shù)據(jù)集、測量數(shù)據(jù)集，同時開始材料采購、工裝制造、零件制造，適時開展部件裝配。這體現(xiàn)了基于集成制造的并行性、群組協(xié)同、面向工程的設計和計算機仿真技術等特點，這就是國內(nèi)近年稱之為“大工程”組織的概念（圖3）。

數(shù)字化虛擬六維現(xiàn)實環(huán)境仿真技術VR的應用，如圖4所示，為飛機研發(fā)人員進入虛擬空間的任意位置提供了可能[8]。通過虛擬現(xiàn)實技術不僅能提前發(fā)現(xiàn)和解決飛機實體制造中的不協(xié)調(diào)問題，還為高層管理及時提供了可視化的信息，從而真正實現(xiàn)了傳統(tǒng)工作方法過程中無法實現(xiàn)的全空間、全領域、全功能零接觸的理想化環(huán)境，可大大提高飛機設計的質量，減少飛機制造的費用，縮短研發(fā)周期[8]。目前，波音、空客、龐巴迪及國內(nèi)飛機制造業(yè)都在使用和建造自己的虛擬六維現(xiàn)實環(huán)境。

圖3 MBD下的大工程概念Fig.3 Big project concept under MBD

圖4 數(shù)字化虛擬六維現(xiàn)實環(huán)境Fig.4 Digital six-dimensional virtual reality environment

飛機設計與制造技術未來的發(fā)展

對于飛機設計與制造技術的未來數(shù)字化發(fā)展，行業(yè)人士始終在不停地進行研究。洛克希德·馬丁公司在美國新一代戰(zhàn)機制造中，從設計開始到最終裝配，形成了不間斷的數(shù)字鏈路，創(chuàng)建了“數(shù)字線（digital thread）”，這種新的簡捷而又實用的工作模式[9]大大提高了現(xiàn)場的工作效率，提高了供應商成品的配套準確性，特別是為每架戰(zhàn)機保存了完善的生產(chǎn)過程信息數(shù)據(jù)，為飛機的外場維修服務提供了便利條件[10]。

美國 NGMTI （下一代制造技術計劃）提出了未來10年在美國飛機制造業(yè)中擬采用更新的制造技術——基于模型的企業(yè)（Model-Based Enterprise，MBE）。MBE是一種比數(shù)字化工廠更進一步的數(shù)字化制造實體，它采用更完整和更科學的多維建模與仿真技術，集MBD、DF、PDM、MIS、ERP等數(shù)字化運作之大成，對產(chǎn)品的全壽命流程進一步優(yōu)化，采用科學的模擬與分析工具，在產(chǎn)品形成的每一個階段及時發(fā)現(xiàn)問題和給出最合理的解決方案，對動作執(zhí)行作出最科學的行動決策，從根本上提高產(chǎn)品的設計開發(fā)效率、加工裝配質量和銷售支援迅捷。MBE也許將成為未來飛機先進制造技術的又一個高平臺，從而代表數(shù)字化飛機設計與制造的未來發(fā)展趨勢[1]。

歐洲空中客車公司在先進設計和制造方面也提出了許多嶄新的概念，比如，相對應“職能工廠”，空客極力在進行“未來工廠”的探索和實踐，在A350和A380飛機的制造中，基于虛擬仿真、數(shù)字化樣機、精益生產(chǎn)、關鍵信號等技術，空客成功采用了“數(shù)字工廠”技術，下一步空客結合“智慧飛行”計劃，會將“電子商店”、“全生命周期數(shù)字化”等理念作為其創(chuàng)新的重點。

結束語

飛機設計與制造隨著數(shù)字化技術的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，本文僅對目前最主要的技術進行了分析，但無論如何變化和進步，在一定時間段內(nèi)，飛機設計和制造方面流行的先進技術類別是相對固定的，作為飛機制造行業(yè)要做的最合適和正確的事情是不斷追求先進，踏實做好現(xiàn)在，科學規(guī)劃好未來，使飛機數(shù)字化設計與制造技術一步一個腳印，為制造出更先進的飛機而努力。

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