基于MBD的飛機制造質(zhì)量管控與監(jiān)督模式及方法探討

楊 號，白永紅，凈建新，張明勇

（1. 海裝西安局，西安 710054；2. 中航飛機西安飛機分公司，西安 710089）

隨著MBD技術(shù)在飛機研制中的深入應(yīng)用，在飛機制造過程中也推廣應(yīng)用了數(shù)字化預(yù)裝配、制造過程仿真與優(yōu)化等技術(shù)。而數(shù)字化制造的本質(zhì)就是產(chǎn)品制造信息的數(shù)字化，將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征、材料特征、制造特征和功能特征統(tǒng)一起來，應(yīng)用數(shù)字技術(shù)對制造所涉及的所有對象和活動進(jìn)行表達(dá)、處理和控制，這與傳統(tǒng)制造有本質(zhì)區(qū)別。面對基于MBD技術(shù)的數(shù)字化制造過程，傳統(tǒng)的檢驗思維、方法和手段已經(jīng)不能適用，而給予MBD條件下的制造過程質(zhì)量控制和監(jiān)督成為必須解決的問題。如何通過模式、技術(shù)和方法的創(chuàng)新，對基于MBD的制造過程及其產(chǎn)生的數(shù)字化產(chǎn)品進(jìn)行有效的質(zhì)量監(jiān)督和控制，是飛機制造企業(yè)必須研究并加以解決的現(xiàn)實問題。

國外先進(jìn)的飛機制造企業(yè)在飛機研發(fā)過程中，采用了一系列基于MBD的工藝技術(shù)、管理技術(shù)和制造技術(shù)，這些在各種技術(shù)文獻(xiàn)上都能夠搜索到，也能夠通過技術(shù)交流學(xué)習(xí)。但是，在質(zhì)量控制和監(jiān)督方面，由于國外在制造生產(chǎn)線控制核心技術(shù)上的保密和限制而無法獲得，只能通過轉(zhuǎn)包了解一些方法。

目前，我國飛機研制過程中，產(chǎn)品和工裝設(shè)計已經(jīng)采用了基于模型的定義（MBD）技術(shù)，其實質(zhì)是將三維產(chǎn)品制造信息與三維設(shè)計信息共同定義到三維產(chǎn)品數(shù)字化模型中，實現(xiàn)了設(shè)計、加工、裝配、測量、檢驗的高度集成，以三維數(shù)據(jù)作為唯一依據(jù)貫穿在設(shè)計、制造、檢驗、維護(hù)、供應(yīng)商協(xié)作等整個過程，減少下游人員對模型理解時間并有效地降低了錯誤率。目前，在數(shù)字化環(huán)境下，數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預(yù)裝配、數(shù)字化工藝設(shè)計等技術(shù)的應(yīng)用，以及數(shù)字化設(shè)計制造并行工程、單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)共享、全數(shù)字化環(huán)境與協(xié)同工作、全面的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等特征帶來了質(zhì)量控制要求的根本變革，質(zhì)量控制環(huán)節(jié)更多、內(nèi)容更廣、難度更大，傳統(tǒng)的以手工操作、流程控制為主的控制手段暴露出控制點缺失、控制效率低、控制效果差等問題，這要求質(zhì)量檢驗技術(shù)必須發(fā)展并適應(yīng)數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展。

目前數(shù)字化質(zhì)量控制與監(jiān)督主要存在以下3個方面的問題：

（1）基于模型定義技術(shù)的應(yīng)用使MBD數(shù)據(jù)已經(jīng)貫穿了整個飛機從零件制造、裝配、試驗、維修到服務(wù)的整個制造過程，數(shù)字化的測量設(shè)備也已經(jīng)應(yīng)用于飛機的裝配和試驗，但檢驗、監(jiān)督還停留在傳統(tǒng)的方法和手段上，使得基于MBD的先進(jìn)技術(shù)難以發(fā)揮最大的整體效益。

（2）數(shù)字化設(shè)計制造質(zhì)量控制和監(jiān)督的內(nèi)容、流程、方法和手段不統(tǒng)一。目前國內(nèi)已經(jīng)制定了多份數(shù)字化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，初步建立了數(shù)字化設(shè)計制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范體系。通過對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)更多的是設(shè)計制造技術(shù)方法類，而質(zhì)量控制和監(jiān)督方面的標(biāo)準(zhǔn)幾乎沒有。

（3）在數(shù)字化研制模式下，需將傳統(tǒng)的基于實物的質(zhì)量控制和監(jiān)督手段和方法變革為基于數(shù)字模型的質(zhì)量控制和監(jiān)督方法，就要對MBD條件下的質(zhì)量控制和監(jiān)督關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，強化數(shù)字化制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、制造過程管理等的質(zhì)量控制和監(jiān)督工作，實現(xiàn)數(shù)字化環(huán)境下產(chǎn)品研制生產(chǎn)全過程的質(zhì)量控制與監(jiān)督。

基于MBD的飛機制造質(zhì)量管控與監(jiān)督模式及方法體系模型

根據(jù)當(dāng)前我國航空工業(yè)體制特點及飛機型號數(shù)字化制造的需要，借鑒國外先進(jìn)航空制造企業(yè)質(zhì)量管理的先進(jìn)理念、方法[1]，分析數(shù)字化制造條件下飛機質(zhì)量特性形成過程及質(zhì)量控制的特點，需要研究飛機研制質(zhì)量管理與監(jiān)督的新模式、新方法和新技術(shù)，重構(gòu)基于MBD條件下的數(shù)字化質(zhì)量管控與監(jiān)督體系，建立和完善適用于飛機數(shù)字化研制的質(zhì)量管控與監(jiān)督的規(guī)范、指南、手冊[2-3]，形成基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量知識管理系統(tǒng)，支持?jǐn)?shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的質(zhì)量管控和監(jiān)督，提高飛機產(chǎn)品質(zhì)量?；贛BD的飛機制造質(zhì)量管控與監(jiān)督模式及方法體系主要包括由一套過程控制程序和文件構(gòu)成的數(shù)字化質(zhì)量管控和監(jiān)督體系、質(zhì)量管控和監(jiān)督過程控制技術(shù)以及基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量管控和監(jiān)督知識管理，其體系框圖如圖1所示。

MBD條件下質(zhì)量管控和監(jiān)督體系和模式

目前，飛機制造企業(yè)均按照GJB 9001B及支撐質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)建立了質(zhì)量管理體系[4]，但由于質(zhì)量意識和責(zé)任落實不到位、質(zhì)量管理要求可操作性不強、質(zhì)量管理程序復(fù)雜、質(zhì)量數(shù)據(jù)獲取難度大等原因，質(zhì)量體系無法真正發(fā)揮作用。在MBD條件下，將質(zhì)量特性控制和質(zhì)量管理流程嵌入到數(shù)字化制造流程中，使得質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集正逐漸從傳統(tǒng)的手工方式測量轉(zhuǎn)化為自動方式，數(shù)據(jù)的處理從離線事后檢查逐漸過渡為在線實時檢測，保證過程控制的有效性。

針對數(shù)字化設(shè)計制造環(huán)境下飛機研制周期緊、質(zhì)量與可靠性要求高、工程更改和迭代多、試制過程超差和反復(fù)多，以及設(shè)計、試驗、試制高度并行交叉等特點，系統(tǒng)分析現(xiàn)有數(shù)字化工程有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、航空工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、型號專用規(guī)范的適用性，以研制流程和質(zhì)量特性形成過程為核心，將控制要素及管理要求融入研制過程，確定MBD條件下飛機制造質(zhì)量控制原則和要求，研究飛機數(shù)字制造質(zhì)量管控體系結(jié)構(gòu)和運行模式、異地協(xié)同制造下的質(zhì)量管控體系特點和方法、基于能力中心的質(zhì)量管控體系特點和方法、基于MBD的質(zhì)量管控數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化體系特點和方法，建立飛機數(shù)字化質(zhì)量控制規(guī)范[5]。

在制造過程質(zhì)量管理方面，重點開展數(shù)字化工藝裝備、制造工藝過程、制造生產(chǎn)現(xiàn)場及供應(yīng)商質(zhì)量控制模式和方法等研究，形成包括MBD下的關(guān)鍵過程質(zhì)量管理程序和標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制指南和規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程手冊、飛機數(shù)字化制造質(zhì)量控制規(guī)范、試驗過程質(zhì)量控制規(guī)范、MBD環(huán)境下檢驗規(guī)范等多項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)成基于MBD的飛機制造過程質(zhì)量控制體系。

在質(zhì)量監(jiān)督方面，開展飛機研制過程技術(shù)狀態(tài)管理和控制方法的分類管理和統(tǒng)計分析、制造質(zhì)量管理趨勢分析、制造過程監(jiān)督模式和技術(shù)等研究，形成包括MBD下飛機研制質(zhì)量監(jiān)督工作規(guī)范和關(guān)鍵工序監(jiān)督方法的質(zhì)量監(jiān)督體系。

圖1 體系框架Fig.1 System framework

每型飛機在研制過程中都會建立一個完善的總質(zhì)量師系統(tǒng)，各參研單位在型號總質(zhì)量師系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃、實施和領(lǐng)導(dǎo)下，在企業(yè)質(zhì)量體系的框架和支持下，開展飛機型號的質(zhì)量工作。研究組建跨部門，跨建制的型號質(zhì)量保證組織機構(gòu)的方式方法，科學(xué)、有序地實施型號研制全過程、全系統(tǒng)的質(zhì)量監(jiān)控，明確質(zhì)量師系統(tǒng)、參研單位各部門及各類人員職責(zé)、權(quán)限、相互關(guān)系等質(zhì)量職能，逐級分解落實責(zé)任，建立與顧客以及各協(xié)作方有效溝通的機制，建立行之有效的型號質(zhì)量體系文件和質(zhì)量管理制度，明確質(zhì)量目標(biāo)、過程控制要求、措施、方法以及評價準(zhǔn)則，將各項質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和控制要求轉(zhuǎn)化為各種質(zhì)量保證與控制活動、措施，形成具體的實施計劃，實現(xiàn)型號各階段質(zhì)量目標(biāo)。在基于MBD技術(shù)的數(shù)字化制造過程中，飛機型號質(zhì)量工作必須與企業(yè)質(zhì)量體系融合、協(xié)調(diào)、互補，將型號質(zhì)量融入企業(yè)的質(zhì)量體系，保證飛機型號總質(zhì)量師系統(tǒng)有效運行和飛機研制制造質(zhì)量受控。

設(shè)計、制造、測試、檢驗、監(jiān)督過程有機融合，職責(zé)明確，使得監(jiān)控實時有效，將質(zhì)量偏差修正嵌入研制過程，從而減少超差報廢，提高飛機質(zhì)量是基于MBD技術(shù)的飛機研制過程質(zhì)量控制技術(shù)和方法研究的重要內(nèi)容。主要涉及到的研究包括：（1）基于產(chǎn)品MBD的數(shù)據(jù)流過程質(zhì)量控制技術(shù)，其研究內(nèi)容包含的技術(shù)點有唯一數(shù)據(jù)源的流程控制技術(shù)、飛機產(chǎn)品MBD數(shù)據(jù)基于成熟度的傳遞流程優(yōu)化和控制技術(shù)、研制中基于異地網(wǎng)絡(luò)的工程更改的優(yōu)化和控制、制造過程5類單據(jù)的流程優(yōu)化和控制； （2）數(shù)字化工藝規(guī)劃和設(shè)計過程質(zhì)量控制技術(shù)，其研究內(nèi)容包含的技術(shù)點有頂層工藝規(guī)劃質(zhì)量評估技術(shù)、數(shù)字化裝配工藝設(shè)計與生產(chǎn)線布局規(guī)劃評估、數(shù)字化零件生產(chǎn)過程中冷熱工藝流程優(yōu)化控制； （3）基于工裝MBD的工裝研制過程質(zhì)量控制技術(shù)； （4）能力中心組織模式下的制造過程質(zhì)量控制技術(shù)； （5）特殊過程控制技術(shù)，研究內(nèi)容除了企業(yè)常規(guī)定義的特殊過程控制外，還包括了新材料研究和應(yīng)用的過程控制模式，其控制過程必須延伸到材料制造廠，因此必須綜合研究材料研制與飛機制造過程的優(yōu)化； （6）數(shù)字化特種工藝過程控制監(jiān)督模式。

以往的飛機制造主機廠對原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、機載成品等供應(yīng)商的管理是松散的，僅對供應(yīng)商進(jìn)行5色牌評價和體系審核，造成了由供應(yīng)商引起的飛機質(zhì)量問題和飛機故障居高不下，因此必須對供應(yīng)商進(jìn)行延伸管控，以過程方法為核心，研究飛機型號研制對供應(yīng)商產(chǎn)品全壽命周期過程控制的要求及方法，建立對機載研制過程的統(tǒng)一管理和控制。要分別研究主機對原材料、標(biāo)準(zhǔn)件、機載成品不同類型供應(yīng)商管控的模式和方法，對其產(chǎn)品研制過程的質(zhì)量管控方法，主機軍代表對供應(yīng)商軍代表的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)，主機廠及軍代表對供應(yīng)商質(zhì)量體系的監(jiān)督等。

融合式質(zhì)量管控和監(jiān)督關(guān)鍵技術(shù)

飛機研制中以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在協(xié)同研制平臺的支持下，實現(xiàn)了廠所異地的協(xié)同設(shè)計制造，數(shù)字化產(chǎn)品預(yù)裝配、全機數(shù)字化協(xié)調(diào)、全機數(shù)字化制造已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

飛機零件數(shù)字化制造已經(jīng)從開始的機加零件的數(shù)控加工，擴展到了鈑金零件的數(shù)字化精確成形、復(fù)合材料的數(shù)字化鋪貼/過程數(shù)字化控制等，在零件質(zhì)量控制的檢驗和測試中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用了數(shù)字化測量等技術(shù)和方法，但還局限于事后檢驗，因此，必須研究零件加工過程的在線檢測和補償技術(shù)[6]，糾正零件加工過程中的偏差[7]，從而提高零件的合格率。

隨著MBD技術(shù)在飛機制造中的廣泛和深層次應(yīng)用，飛機裝配過程也已經(jīng)研究并應(yīng)用了數(shù)字化定位、調(diào)姿、自動制孔、自動鉆鉚等數(shù)字化技術(shù)[8]，飛機系統(tǒng)總裝也采用了集成在線測試、數(shù)字化精確安裝等技術(shù)，但其質(zhì)量檢驗還是沿用傳統(tǒng)的人工模擬量方法，制造的準(zhǔn)確度已經(jīng)超出了檢驗所能達(dá)到的精度，因此，針對MBD技術(shù)應(yīng)用于部裝、總裝和系統(tǒng)安裝與測試的條件下[9]，需研究數(shù)字化裝配質(zhì)量控制、檢驗、監(jiān)督技術(shù)，系統(tǒng)數(shù)字化集成在線檢測檢驗技術(shù)，MBD條件下的系統(tǒng)精確安裝質(zhì)量控制、檢驗、監(jiān)督技術(shù)，新工藝的質(zhì)量控制、檢驗、監(jiān)督技術(shù)以及先進(jìn)質(zhì)量管理技術(shù)和方法。

在傳統(tǒng)研制模式下，質(zhì)量工程及管理的一些先進(jìn)工具和方法（如失效模式與影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）、試驗設(shè)計（Design of Experiment，DOE）、統(tǒng)計過程控制（Statistics Process Control，SPC）等）一直沒有得到廣泛應(yīng)用[10]，主要原因：一是質(zhì)量工程技術(shù)方法本身較為復(fù)雜，缺少工具化、模塊化的手段來加以推廣；二是部分質(zhì)量工程和管理技術(shù)方法與產(chǎn)品研制生產(chǎn)系統(tǒng)分離。而在數(shù)字化制造下，能夠?qū)崿F(xiàn)先進(jìn)質(zhì)量管理技術(shù)方法和工具的模塊化，通過質(zhì)量管控知識平臺，有效地整合現(xiàn)有質(zhì)量管理工具，將長期積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行加工、提取，利用互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)技術(shù)，使其變?yōu)橛杏玫闹R，同時充分利用先進(jìn)的質(zhì)量理念、知識、技術(shù)和工具，并將其融入到飛機制造的整個過程中，將過去質(zhì)量管理的事后統(tǒng)計變?yōu)橥ㄟ^數(shù)字化和知識支撐的事前預(yù)防和事中過程控制，從而實現(xiàn)質(zhì)量管理水平和效能的穩(wěn)步提升，提高飛機整機質(zhì)量。

要建立基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量知識管理系統(tǒng)[11]，必須先從分析航空制造企業(yè)的特點和飛機研制質(zhì)量知識入手，研究航空制造企業(yè)飛機研制質(zhì)量知識的分類技術(shù)和特征提取技術(shù)，按照標(biāo)準(zhǔn)、體系文件、方法、技術(shù)、典型案例等對質(zhì)量知識進(jìn)行分類，研究這些知識的應(yīng)用頻度、應(yīng)用過程、應(yīng)用范圍、應(yīng)用時間等，明確各類知識對飛機制造質(zhì)量的貢獻(xiàn)率，研究知識的應(yīng)用和創(chuàng)新機制，在此基礎(chǔ)上，基于互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)構(gòu)建質(zhì)量知識管理系統(tǒng)架構(gòu)。

飛機研制過程MBQ設(shè)想

飛機制造企業(yè)雖然在近幾年新機的研制中初步探索了數(shù)字化質(zhì)量管理技術(shù)，制定了部分?jǐn)?shù)字化質(zhì)量管理制度，并建立了DCE設(shè)計制造協(xié)同平臺，但還存在制度不完善、平臺數(shù)據(jù)不全面，以及數(shù)字化還是離散地應(yīng)用在產(chǎn)品制造過程中，造成了信息冗余量大、難以集成共享等問題，制約了數(shù)字化設(shè)計制造在產(chǎn)品制造過程中的深入應(yīng)用，直接影響著數(shù)字化應(yīng)用的效率和水平。

基于MBD的飛機研制質(zhì)量管控設(shè)想是：建立基于MBD的質(zhì)量管控平臺系統(tǒng)，以基于大數(shù)據(jù)的質(zhì)量知識、基于MBD的質(zhì)量規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)支撐，實現(xiàn)覆蓋飛機制造全過程、全方位的質(zhì)量監(jiān)督管理，實現(xiàn)一站式登陸管理與服務(wù)。通過管控平臺系統(tǒng)，完成質(zhì)量管理平臺中各類信息的有機集成，以滿足單機質(zhì)量檔案管理及質(zhì)量管理體系的綜合評價，實現(xiàn)對產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量管理與控制。既有質(zhì)量體系管理、質(zhì)量綜合管理、數(shù)字測量信息管理、無損檢測信息管理、產(chǎn)品質(zhì)量信息（如5類單據(jù)、更改信息等）等，更重要和關(guān)鍵的是要管理和控制過程信息和信息形成的過程，實現(xiàn)基于MBD的飛機形成過程的質(zhì)量管理和控制、基于MBD的飛機質(zhì)量過程監(jiān)督和控制；還重點包括工藝技術(shù)文件編制過程的質(zhì)量控制和可操作性驗證、零件生產(chǎn)過程的在線檢測和自動補償、數(shù)字化裝配生產(chǎn)線上的在線檢測和調(diào)整、系統(tǒng)安裝和調(diào)試過程中的數(shù)字化/集成化在線檢測等。

基于模型的飛機研制過程質(zhì)量管控可以用圖2描述。

圖2 基于模型的飛機研制過程質(zhì)量管控系統(tǒng)Fig.2 Aircraft development process quality control system based on model

結(jié)束語

質(zhì)量知識管理系統(tǒng)不能孤立運行，而應(yīng)該與企業(yè)的質(zhì)量管控系統(tǒng)有機集成，將質(zhì)量知識的應(yīng)用和創(chuàng)新融入到整個質(zhì)量的管控和監(jiān)督過程中。企業(yè)的質(zhì)量管控系統(tǒng)也不能孤立運行，而應(yīng)該與企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、企業(yè)資源計劃管理、協(xié)同制造等系統(tǒng)有機集成，使得質(zhì)量工作與飛機制造的工藝技術(shù)、生產(chǎn)、管理過程融合和協(xié)同，從而才能使得飛機制造過程可控，保證飛機質(zhì)量。

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