林恬，張學(xué)濤，馬驪群

(航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所 計量與校準(zhǔn)技術(shù)重點實驗室，北京 100095)

0 引言

為推動我國從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國轉(zhuǎn)變，2015年5月國務(wù)院正式發(fā)布了《中國制造2025》。航空裝備制造業(yè)是《中國制造2025》戰(zhàn)略落地的中堅推動力，是先進制造技術(shù)應(yīng)用的集大成者，也是國內(nèi)較早推進數(shù)字化技術(shù)的領(lǐng)域之一，早在2000年就率先實施了飛機制造業(yè)的數(shù)字化工程。經(jīng)過十多年的發(fā)展，產(chǎn)品數(shù)字化定義技術(shù)、數(shù)字樣機技術(shù)、數(shù)字化工藝與虛擬裝配技術(shù)、數(shù)字化仿真分析計算、數(shù)字化管理技術(shù)等在新型飛機研發(fā)生產(chǎn)過程中得到了較為深入的應(yīng)用，各大飛機制造企業(yè)已形成了多條數(shù)字化生產(chǎn)線，基于模型的數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同平臺建設(shè)初具規(guī)模。

飛機數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同是指在產(chǎn)品數(shù)字模型的引導(dǎo)下，根據(jù)用戶的需求，在虛擬三維建模設(shè)計、仿真計算、計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和多媒體等數(shù)字化技術(shù)支撐下，使得貫穿飛機設(shè)計制造全生命周期的過程基于同一數(shù)據(jù)源及時交互、實時反饋、并行展開，從而實現(xiàn)信息資源更加高效、快速傳遞與共享的全新的飛機設(shè)計制造模式。產(chǎn)品的設(shè)計制造精度取決于產(chǎn)品數(shù)字模型的公差定義、工藝仿真、加工設(shè)備、工裝、檢測設(shè)備等各個環(huán)節(jié)的量值傳遞與溯源能力。目前這個過程的計量保障模式仍采用傳統(tǒng)的“先制造后檢測再校準(zhǔn)”模式，無法滿足數(shù)字化設(shè)計制造對計量保障提出的并行、實時、在線、交互等新的技術(shù)要求，更無法綜合評價保證整個數(shù)字化系統(tǒng)的制造精度。要解決上述問題，應(yīng)從數(shù)字化技術(shù)的源頭著手，研究探討新的數(shù)字化計量保障體系。

飛機數(shù)字化設(shè)計制造過程各環(huán)節(jié)涉及的參數(shù)眾多，文章以數(shù)字化設(shè)計制造過程中占比最多、影響最廣泛的幾何參數(shù)計量保障為例，研究探討如何架構(gòu)基于數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同的飛機計量保障體系。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

歐美國家先進航空制造企業(yè)已經(jīng)進入全面數(shù)字化時代，利用基于模型定義(Model-Based Definition，MBD)技術(shù)，形成了產(chǎn)品設(shè)計、制造、裝配、測量等一系列模型，以模型為載體使數(shù)據(jù)在設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和使用維護各環(huán)節(jié)中均保持一致性和可追溯性，進而極大促進了產(chǎn)品生產(chǎn)效率，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量。波音777是全球第一個采用全數(shù)字化定義的飛機，使設(shè)計更改造成的返工比原來減少50%，研制周期縮短25%以上，制造精度提高一個數(shù)量級。到波音787，產(chǎn)品設(shè)計全面采用MBD技術(shù)，通過三維數(shù)據(jù)集定義產(chǎn)品信息，包括模型尺寸、公差、零件表、制造工藝、注釋、分析數(shù)據(jù)、測量要求等，以此三維數(shù)據(jù)集作為制造驅(qū)動的唯一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(含工藝設(shè)計)、工裝設(shè)計、零件加工、部件裝配、檢測檢驗等工作的高度協(xié)同，開創(chuàng)了飛機數(shù)字化制造的全新模式。

國際尺寸與產(chǎn)品技術(shù)委員會(ISO/TC213)從2000年提出了新一代產(chǎn)品幾何規(guī)范(Geometrical Product Specifications and Verification)，新一代產(chǎn)品幾何規(guī)范是為適應(yīng)產(chǎn)品數(shù)字化模型定義而建立的一系列產(chǎn)品幾何特性與測量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋了產(chǎn)品從宏觀到微觀的所有幾何特征的描述要求，適用于從設(shè)計、制造、驗收到使用、維修、報廢等產(chǎn)品全生命周期的幾何特征表達、檢測、校準(zhǔn)等要求。歐美先進航空制造企業(yè)依據(jù)新一代產(chǎn)品幾何規(guī)范制定并逐步完善與之相應(yīng)的三維檢測技術(shù)規(guī)范，開發(fā)并部署了相應(yīng)的計算機輔助三維檢測規(guī)劃與測量數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，建立了較完整的數(shù)字化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。[1]

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

從推行無紙化設(shè)計、無紙化加工開始，國內(nèi)航空制造企業(yè)陸續(xù)啟動了數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化制造的技術(shù)升級，以設(shè)計所、生產(chǎn)廠的流程對接為抓手，逐步實現(xiàn)了由計算機三維設(shè)計軟件、數(shù)控加工裝備等構(gòu)成的產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同工作平臺。

依托協(xié)同工作平臺，在設(shè)計環(huán)節(jié)實現(xiàn)了產(chǎn)品的數(shù)字化并行定義，數(shù)字量傳代替了實物量傳，建立了產(chǎn)品數(shù)據(jù)中心、數(shù)字樣機裝配仿真中心、功能/性能仿真中心，有效解決了傳統(tǒng)產(chǎn)品研制模式中數(shù)據(jù)難以共享、工作難以協(xié)同等問題；在生產(chǎn)環(huán)節(jié)大量采用數(shù)字化工藝裝備，構(gòu)建了數(shù)字化制造平臺，打通了結(jié)構(gòu)件數(shù)字化切削加工、數(shù)字化復(fù)合材料構(gòu)件、數(shù)字化鈑金、數(shù)字化焊接、數(shù)字化裝配、數(shù)字化工裝等數(shù)字化生產(chǎn)線、建設(shè)了制造數(shù)據(jù)、工藝仿真、物料配送、生產(chǎn)管控等技術(shù)支持中心，基本構(gòu)建形成了飛機數(shù)字化制造體系。

在數(shù)字化設(shè)計方面，某飛機設(shè)計所建成了由三維設(shè)計軟件CATIA、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件LCA以及運行這些軟件的工作站和服務(wù)器構(gòu)成的產(chǎn)品并行定義工作平臺，使得產(chǎn)品設(shè)計、工藝、工裝、生產(chǎn)準(zhǔn)備得以協(xié)同工作，對飛機產(chǎn)品具備了數(shù)字化并行定義的能力。

在數(shù)字化制造方面，某飛機制造廠以數(shù)字樣機作為統(tǒng)一的幾何數(shù)據(jù)源，用數(shù)字量協(xié)調(diào)替代了傳統(tǒng)的模線樣板與標(biāo)準(zhǔn)樣件協(xié)調(diào)方法，減少了環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)誤差，實現(xiàn)了協(xié)調(diào)誤差的主動控制。通過容差分配、裝配仿真、加工仿真、成型仿真、焊接仿真等基于數(shù)字模型的虛擬生產(chǎn)過程，極大地提高了產(chǎn)品研制生產(chǎn)效率。同時，由于大型民機的外形結(jié)構(gòu)件尺寸大、剛性差，對裝配定位要求精度和由于變形產(chǎn)生的交付前后測量數(shù)據(jù)差異控制精度等提出了極高的要求。然而不同承制單位或部門采用的測量基準(zhǔn)、測量手段、部件結(jié)構(gòu)狀態(tài)、測量狀態(tài)等不一致，尚未在數(shù)字化裝配測量基準(zhǔn)網(wǎng)的研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個多系統(tǒng)協(xié)同測量平臺，統(tǒng)一基準(zhǔn)、方法、狀態(tài)等關(guān)鍵要素，導(dǎo)致最后的交接狀態(tài)誤差源認定困難，直接增加了裝配對接過程中工藝、工裝調(diào)整的難度，增加了部件裝配對接過程中的工藝不確定性。[2]

綜上所述，盡管隨著飛機數(shù)字化工程的深入推進與產(chǎn)品設(shè)計制造協(xié)同技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的一致性。然而關(guān)于產(chǎn)品的過程質(zhì)量控制技術(shù)和產(chǎn)品的合格性檢驗技術(shù)依然以基于特定幾何特征的評價方法為主，公差的控制采用的是基于產(chǎn)品設(shè)計要求的特征控制，這種控制過程盡管嚴格遵守傳統(tǒng)的量傳體系要求，但它以有限的特征來描述產(chǎn)品的質(zhì)量，忽略了產(chǎn)品的功能、使用狀態(tài)等，為了解決這一問題，人們開始通過過度測量達到對產(chǎn)品進行整體控制的目的，然而仍然無法對產(chǎn)品進行整體描述，數(shù)字化計量技術(shù)手段的建設(shè)還明顯滯后。2005年起，在航空、航天、汽車、船舶等數(shù)字化高端制造工業(yè)領(lǐng)域涌現(xiàn)出大量關(guān)于數(shù)字化測量/檢測技術(shù)、大尺寸組網(wǎng)數(shù)字測量技術(shù)等的研究及相關(guān)文獻，這些文獻大多以應(yīng)用為主，即先進的數(shù)字化測量技術(shù)解決以往傳統(tǒng)無法解決的檢測問題，使對產(chǎn)品的測量看起來更加完整。然而，這些研究依然沿用傳統(tǒng)的產(chǎn)品幾何規(guī)范，無法滿足新興數(shù)字化生產(chǎn)的需求，即如何用有限的測量來描述產(chǎn)品的真實狀態(tài)。2012年我國發(fā)布了新一代產(chǎn)品幾何規(guī)范，該規(guī)范基于系統(tǒng)工程和系統(tǒng)建模思想，給出了描述產(chǎn)品的新的定義和評價要求，但是至今，依然缺少關(guān)于數(shù)字化計量保障體系的研究。因此，借鑒國外先進航空制造企業(yè)數(shù)字化工程的成功經(jīng)驗，結(jié)合國內(nèi)飛機數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展需求，架構(gòu)滿足數(shù)字化生產(chǎn)需求的基于模型的數(shù)字化計量保障體系，研究建立可支撐飛機產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同所需的計量技術(shù)，已成為計量技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的新興命題和重要任務(wù)。

2 數(shù)字化計量保障體系研究思路與架構(gòu)方案

2.1 體系范圍與內(nèi)涵

基于數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同的飛機計量保障體系，指為規(guī)范飛機數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同過程中相關(guān)數(shù)字化模型、數(shù)字化制造核心智能測控裝置與部件、數(shù)字化檢測系統(tǒng)等量值控制要求，建立的具有規(guī)定不確定度描述，與國家或國際計量標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)并滿足產(chǎn)品功能需求檢測和校準(zhǔn)要素的一系列技術(shù)、方法、程序與標(biāo)準(zhǔn)的集成。

2.2 體系構(gòu)架思路

飛機數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同以產(chǎn)品數(shù)字模型為牽引，產(chǎn)品數(shù)據(jù)流通過模型載體貫穿全生命周期和全參數(shù)溯源鏈，因此可以構(gòu)造一個立體結(jié)構(gòu)，從三個維度考慮分析計量保障體系的構(gòu)架。

第一個維度從產(chǎn)品全生命周期的維度分析。分為設(shè)計、工藝、加工、裝配、檢測、使用等，整個維度以產(chǎn)品的數(shù)字模型為主，將模型按照階段分解，并形成全生命周期統(tǒng)一的可計量的基于產(chǎn)品全生命周期的描述方法。如設(shè)計階段需要給出產(chǎn)品的數(shù)字定義、屬性、功能要求等基本信息；工藝階段需要給出滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求的過程要素、設(shè)備要素、執(zhí)行要素、操作要素等說明文件；加工階段需要根據(jù)產(chǎn)品模型給出的屬性、功能要求和工藝要求進行過程控制方法，包括文件控制、設(shè)備控制、驗證控制、成品控制等；產(chǎn)品實際裝配階段，通過裝配過程可計量性設(shè)計與規(guī)劃確保伺服控制的柔性工裝、高精度高效率的數(shù)字化測量系統(tǒng)以及裝配定位基準(zhǔn)等符合產(chǎn)品預(yù)裝配階段的可視化仿真和基于數(shù)據(jù)的可裝配分析[3]；檢測階段需要按照描述產(chǎn)品的數(shù)字特征和功能公差給出滿足產(chǎn)品評價的檢驗要求，包括檢驗標(biāo)準(zhǔn)、檢驗設(shè)備、檢驗條件、檢驗結(jié)果等。

第二個維度從產(chǎn)品參數(shù)溯源鏈的維度分析。溯源鏈架構(gòu)從參數(shù)著手，以量化的參數(shù)為牽引，理清參數(shù)定義，明確參數(shù)量值范圍，規(guī)范參數(shù)檢測評價方法，確定參數(shù)檢測手段與適用儀器設(shè)備，針對參數(shù)檢測用儀器設(shè)備或系統(tǒng)梳理適用校準(zhǔn)裝置以及相關(guān)的校準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，明確校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)，確定計量標(biāo)準(zhǔn)器具及相應(yīng)的計量技術(shù)規(guī)范，使得各個環(huán)節(jié)的參數(shù)量值在計量單位一致的基礎(chǔ)上實現(xiàn)參數(shù)量值與計量標(biāo)準(zhǔn)器具量值的比較，建立起“飛機產(chǎn)品參數(shù)→測試設(shè)備參數(shù)→校準(zhǔn)設(shè)備(含工作計量器具)參數(shù)→計量標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)→計量基準(zhǔn)參數(shù)”的完整溯源鏈。

第三個維度從計量保障關(guān)鍵構(gòu)成要素的維度分析。該維度也是與傳統(tǒng)幾何量計量評價體系相比改變最大的地方。不同在于描述產(chǎn)品計量屬性的基本單元為“空間點”，評價產(chǎn)品計量屬性的基準(zhǔn)為“坐標(biāo)系”。換個角度講，由于產(chǎn)品任何一個幾何特征都可建立特征坐標(biāo)系，產(chǎn)品設(shè)計時有設(shè)計坐標(biāo)系，因此計量評價時也需要建立評價坐標(biāo)系，且兩者相互關(guān)聯(lián)?；谀Ｐ偷臄?shù)字化計量是在統(tǒng)一的數(shù)字模型基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進行評價，當(dāng)評價坐標(biāo)系與設(shè)計坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換公差確定時，所有的描述產(chǎn)品計量屬性的基本單元“空間點”就可以聯(lián)系起來，實現(xiàn)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)流的完整計量保障。圍繞“空間點”和“坐標(biāo)系”這兩個基本的計量要素，數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同過程中相關(guān)的計量保障關(guān)鍵構(gòu)成要素還包括：復(fù)雜型面的幾何特征點參量化定義與評價、點云測量誤差分析與計量評價、測量基準(zhǔn)點建立與校準(zhǔn)、測量組網(wǎng)整體定位精度校準(zhǔn)、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換及誤差校準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)一融合與測量不確定度分析評定、運動態(tài)測量定位誤差分析與計量評定等諸多內(nèi)容。

2.3 體系架構(gòu)方案

綜上所述，基于數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同的飛機計量保障體系應(yīng)從產(chǎn)品全生命周期、產(chǎn)品全參數(shù)溯源鏈以及計量保障關(guān)鍵構(gòu)成要素三個維度構(gòu)建一個立體的、協(xié)調(diào)的、綜合的體系架構(gòu)，其設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同的飛機計量保障體系

結(jié)合飛機蒙皮的數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同過程，進一步探討數(shù)字化計量保障體系架構(gòu)。從產(chǎn)品全生命周期的維度，飛機蒙皮設(shè)計制造是在建立產(chǎn)品理論數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用集CAD設(shè)計、CAE仿真、數(shù)控加工、CAM切邊和化銑刻線、數(shù)字測量為一體的數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)完成的。在這一過程中，數(shù)字化測量平臺和數(shù)字化計量保障作為蒙皮產(chǎn)品質(zhì)量控制和評價的重要手段，貫徹整個生命周期始終，參與制造成型與裝配過程的同時，通過測量數(shù)據(jù)的分析反饋，實現(xiàn)蒙皮的優(yōu)化設(shè)計，最終保證蒙皮的精確成形[4]，如圖2所示。其中，數(shù)字化測量平臺可以根據(jù)蒙皮的數(shù)學(xué)模型確定制造、裝配過程中的關(guān)鍵幾何特征參量，建立制造、裝配工藝基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)，選擇優(yōu)化測量方案并將不同系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行融合，實現(xiàn)各系統(tǒng)間的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)系的統(tǒng)一，進而支撐產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同；數(shù)字化計量保障從產(chǎn)品全參數(shù)溯源鏈和計量保障關(guān)鍵構(gòu)成要素的角度，梳理分析產(chǎn)品及其實現(xiàn)過程參數(shù)的數(shù)字化計量保障需求及溯源路徑，并重點解決諸如蒙皮復(fù)雜自由曲面的幾何特征點參量化定義與評價、曲面數(shù)字化測量點云誤差分析與評價、制造裝配工藝基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)的建立與計量評價、坐標(biāo)系統(tǒng)一融合與測量不確定度分析評定等問題，從而實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同條件下產(chǎn)品的完整描述及全面計量保障。

圖2 飛機蒙皮數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同過程及其計量保障

3 結(jié)論

數(shù)字化計量保障體系架構(gòu)，是國內(nèi)首次以綜合的觀念對新興的數(shù)字化設(shè)計制造協(xié)同過程的計量保障方法展開探討研究。其意義在于，從計量學(xué)量值溯源的角度，打破傳統(tǒng)的單一參數(shù)計量校準(zhǔn)思路，從體系構(gòu)架上綜合研究數(shù)字化設(shè)計制造全過程的校準(zhǔn)體系構(gòu)建問題，進而從根本上系統(tǒng)保證了數(shù)字化設(shè)計制造全生命周期的量值可靠準(zhǔn)確，從而有效保障數(shù)字化制造質(zhì)量更加精準(zhǔn)更快提升；推而廣之，可為航空裝備制造數(shù)字化設(shè)計與制造一體化協(xié)同工作平臺的建設(shè)完善提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐，其數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展，并為其他高端裝備制造業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)體系建設(shè)提供參考樣板，為系統(tǒng)建設(shè)國家工業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、實現(xiàn)智能制造、工業(yè)強基、制造業(yè)創(chuàng)新中心建設(shè)等“中國制造2025”重大工程提供技術(shù)支撐。

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