航空鈑金件數(shù)字化集成制造系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用*

宋利康，朱永國,2，徐 龍，付 彬

（1.中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，南昌 330024；2.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌330063）

宋利康 博士，研究員級高工，中航工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司副總工程師、中國航空工業(yè)集團(tuán)公司特級專家，從事飛機(jī)研制數(shù)字化技術(shù)研究。

鈑金件在航空產(chǎn)品研制中處于重要地位，鈑金件制造是影響航空產(chǎn)品研制周期和質(zhì)量最主要的因素之一，如某型號教練機(jī)約有8000項(xiàng)零件，鈑金零件就有4800多項(xiàng)，鈑金件工藝裝備達(dá)到4000多套。近年來，數(shù)字化技術(shù)在航空企業(yè)得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用，成為提高飛機(jī)研制水平的重要手段[1-3]。鈑金件數(shù)字化制造是航空產(chǎn)品制造數(shù)字化的基本組成部分，是縮短鈑金件制造周期、降低制造成本、提高航空產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。波音、法宇航等企業(yè)采用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行鈑金件制造，自動化程度高、手工敲修工作量小、質(zhì)量穩(wěn)定、廢品率低、精度高、周期短[4]。目前我國也已初步開展鈑金件數(shù)字化技術(shù)研究，并取得了一定成效[5-6]；但這些技術(shù)主要是針對零件本身的定義，對于鈑金件在制造過程中所需的造型和集成沒有形成相應(yīng)的技術(shù)體系，各階段模型信息之間缺乏關(guān)聯(lián)性，缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化集成制造平臺。為滿足當(dāng)代航空產(chǎn)品研制對鈑金件制造提出的高精度、高質(zhì)量、高效率等要求，應(yīng)加強(qiáng)工藝基礎(chǔ)的研究，注重工藝知識的積累和重用，建立基于數(shù)值模擬的模具設(shè)計(jì)平臺，實(shí)行鈑金件模型的數(shù)字化傳遞；采用系統(tǒng)化的協(xié)同制造模式，構(gòu)建鈑金件數(shù)字化制造技術(shù)體系結(jié)構(gòu)，完善和深化鈑金件數(shù)字化集成制造技術(shù)。

航空鈑金件數(shù)字化集成制造系統(tǒng)構(gòu)建

面向鈑金件制造全過程，應(yīng)用成形工藝技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，建立存儲數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)庫，以鈑金件產(chǎn)品和制造過程數(shù)字化信息的定義、管理和應(yīng)用為主線，構(gòu)建基于制造模型定義和工藝數(shù)據(jù)庫的鈑金件數(shù)字化制造技術(shù)體系，建立如圖1所示的航空鈑金件數(shù)字化集成制造系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)鈑金件制造模型數(shù)字化定義、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、知識的挖據(jù)與利用和成形加工中各種信息的集成化。鈑金件數(shù)字化集成制造系統(tǒng)分為環(huán)境層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和門戶層共4個(gè)層級。

圖1 鈑金件數(shù)字化集成制造系統(tǒng)Fig.1 Digital manufacturing system of sheet metal part

（1）環(huán)境層。鈑金件數(shù)字化制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是保障鈑金件數(shù)字化制造過程的基礎(chǔ)條件，包括橡皮囊液壓成形、數(shù)控拉形、噴丸成形和數(shù)控拉彎成形工藝規(guī)范和鈑金件工藝數(shù)據(jù)管理與集成應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）數(shù)據(jù)層。鈑金件制造過程中的信息分為兩類：一是動態(tài)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括鈑金件多態(tài)模型、工藝指令和工裝模型等；二是靜態(tài)的鈑金件工藝數(shù)據(jù)，包括材料、工藝參數(shù)、工藝設(shè)計(jì)知識等。按照信息類型建立數(shù)據(jù)管理標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，采用集中的存儲和管理方式，確保鈑金件制造信息的唯一性、協(xié)調(diào)性和安全性，實(shí)現(xiàn)鈑金件工藝數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用和不斷發(fā)展。

（3）應(yīng)用層。對鈑金件制造過程中的數(shù)字化定義、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)制造、成形加工等各環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行分析和改進(jìn)，建立起以鈑金件制造信息模型為核心的制造流程，實(shí)現(xiàn)鈑金件模型定義、成形工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、數(shù)字化仿真以及車間生產(chǎn)管理的數(shù)字化和集成化。

（4）門戶層?；赪eb的集成平臺為制造過程各業(yè)務(wù)部門提供統(tǒng)一的門戶服務(wù)，工程技術(shù)人員通過登錄集成平臺，就能一站式進(jìn)行各自業(yè)務(wù)的全部活動。雖然不同的企業(yè)中鈑金件制造的業(yè)務(wù)部門劃分及分工有所不同，但涉及的業(yè)務(wù)活動基本相同，利用業(yè)務(wù)劃分，確定不同權(quán)限的用戶。

要使鈑金件數(shù)字化制造體系有效運(yùn)行，需攻克鈑金件數(shù)字化定義技術(shù)，構(gòu)建鈑金件制造數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)鈑金件工藝知識積累和重用，滿足知識需求密集的鈑金件制造過程，建立數(shù)字量的傳遞控制方法，完成鈑金件數(shù)字化制造技術(shù)的集成化和系統(tǒng)化。

鈑金件制造模型定義

為適應(yīng)現(xiàn)代航空產(chǎn)品對鈑金件快速制造的要求，將數(shù)字化技術(shù)引入到傳統(tǒng)鈑金件制造的中間工序件定義、模具設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等業(yè)務(wù)過程。首先，定義鈑金件制造數(shù)字化模型及其內(nèi)容（見圖2）。采用并行協(xié)同的研制模式，設(shè)計(jì)時(shí)兼顧工藝性的要求，建立基于工藝性分析的設(shè)計(jì)方法。制造模型定義采用基于模型的定義技術(shù)，以設(shè)計(jì)模型為依據(jù)，面向鈑金件制造過程，描述鈑金件工藝過程中間狀態(tài)的幾何信息、質(zhì)量控制與檢驗(yàn)等非幾何信息；其次，通過向設(shè)計(jì)模型添加面向成形工藝的結(jié)構(gòu)要素或修正型面，形成成形工藝模型；然后，以成形工藝模型為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，按零件與設(shè)計(jì)模型外形相符合的要求，建立成形工件模型[7-8]。

回彈補(bǔ)償工藝模型與回彈仿真

通過對鈑金件回彈補(bǔ)償數(shù)據(jù)的整理和存儲，建立鈑金件回彈補(bǔ)償模型的設(shè)計(jì)知識庫，輔助進(jìn)行鈑金件回彈補(bǔ)償模型設(shè)計(jì)?；貜椦a(bǔ)償工藝模型建立是一個(gè)不斷迭代的過程，需要將鈑金件成形回彈后的結(jié)果不斷反饋給工藝模型，以優(yōu)化工藝模型的型面。反復(fù)迭代該仿真過程，直至成形件的外形誤差能夠滿足設(shè)計(jì)要求。鈑金件回彈補(bǔ)償與工藝過程仿真可分為3個(gè)步驟：首先，構(gòu)建回彈補(bǔ)償工藝模型；然后，基于工藝模型數(shù)字量傳遞設(shè)計(jì)模具；最后，基于成形過程仿真結(jié)果優(yōu)化工藝模型。

鈑金件數(shù)字化制造數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與應(yīng)用

1 鈑金件制造數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

建立如圖3所示的鈑金件數(shù)字化制造數(shù)據(jù)庫工程技術(shù)體系，通過鈑金件數(shù)字化制造數(shù)據(jù)庫工程服務(wù)平臺，面向工藝過程設(shè)計(jì)和車間現(xiàn)場應(yīng)用這兩條主線，實(shí)現(xiàn)鈑金件制造數(shù)據(jù)庫的數(shù)字化定義、管理和應(yīng)用。鈑金件制造數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)庫集中存儲和管理，采用基于制造數(shù)據(jù)庫的分布式數(shù)字化方式進(jìn)行定義，覆蓋從工藝設(shè)計(jì)到車間制造全過程。鈑金件制造數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容、定義、管理和應(yīng)用由相應(yīng)的工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支撐，各類鈑金件成形工藝的數(shù)字化制造過程由相應(yīng)新的工藝規(guī)范支撐。

2 鈑金件制造數(shù)據(jù)庫優(yōu)化

鈑金件制造數(shù)據(jù)庫需進(jìn)行合理的分析與優(yōu)化以保證其數(shù)據(jù)的科學(xué)性和有效性。對鈑金件制造數(shù)據(jù)庫整體進(jìn)行分析，補(bǔ)充工藝種類，濾除冗余數(shù)據(jù)，保證工藝知識的一致性；挖掘已有的大量制造數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)工藝知識；對鈑金件制造數(shù)據(jù)庫中的個(gè)體，在知識使用過程中還要依據(jù)車間制造現(xiàn)場的反饋數(shù)據(jù)對其進(jìn)行優(yōu)化，形成不斷完善的發(fā)展機(jī)制（見圖4）。

3 鈑金件制造數(shù)據(jù)庫在車間的應(yīng)用

鈑金件制造數(shù)據(jù)庫在車間的應(yīng)用是基于計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬件和數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)，將鈑金件工藝設(shè)計(jì)信息、制造模型信息和制造資源信息整合后，以數(shù)字量形式傳遞到車間現(xiàn)場。鈑金件制造指令、制造模型和工藝參數(shù)等數(shù)字量信息在車間制造現(xiàn)場的應(yīng)用，采用以工藝鏈節(jié)點(diǎn)為核心的制造數(shù)據(jù)展示，根據(jù)CAD模型、工藝信息等不同種類信息特點(diǎn)，分別建立在制造現(xiàn)場的表現(xiàn)方式。鈑金件制造數(shù)據(jù)在車間的應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要在工藝鏈任何節(jié)點(diǎn)把鈑金件制造工藝信息打包輸出，或以通過網(wǎng)絡(luò)或其他媒介傳遞到車間制造現(xiàn)場。通過在車間制造現(xiàn)場配置網(wǎng)絡(luò)客戶端，傳遞過來的制造數(shù)據(jù)就可以在車間制造現(xiàn)場展示，并在加工過程中使用。

圖2 鈑金件制造模型數(shù)字化定義Fig.2 Digital manufacturing model definition of sheet metal part

圖3 鈑金件數(shù)字化制造數(shù)據(jù)庫技術(shù)體系Fig.3 Digital manufacturing database technology system of sheet metal parts

基于知識的鈑金件成形工藝設(shè)計(jì)

鈑金件成形工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，知識積累時(shí)間長，在工藝決策的過程中積累和重用知識，對于提高鈑金件成形工藝的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量具有顯著的作用，也是企業(yè)和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長遠(yuǎn)需要[9-10]。為此，建立如圖 5所示的基于知識的鈑金件制造指令設(shè)計(jì)方法，將人工智能、基于知識的工程技術(shù)引入鈑金件制造領(lǐng)域，與數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，改進(jìn)傳統(tǒng)鈑金件成形往往依靠設(shè)計(jì)人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程中反復(fù)修改、設(shè)計(jì)效率不高的不足。對于知識需求密集的鈑金件制造，新的數(shù)字化技術(shù)工具需要提供在復(fù)雜、動態(tài)、迭代的制造過程工藝數(shù)據(jù)的積累、重復(fù)使用方法以及提供不同的應(yīng)用服務(wù)，以提高鈑金件制造的科學(xué)性，以防止錯(cuò)誤的發(fā)生，減少成本和開發(fā)時(shí)間。

鈑金件制造過程的數(shù)字量傳遞與控制

圖4 鈑金件制造數(shù)據(jù)庫分析與優(yōu)化Fig.4 Analysis and optimization of sheet metal parts manufacturing database

圖5 基于知識的鈑金件制造指令設(shè)計(jì)Fig.5 FO design for sheet metal parts based on knowledge

飛機(jī)鈑金件制造過程中涉及復(fù)雜的幾何模型轉(zhuǎn)移，傳統(tǒng)技術(shù)中需要借助于樣板、模具、裝配型架等實(shí)現(xiàn)零件制造、裝配、質(zhì)量控制。例如，框肋類零件以外形、展開樣板為制造、檢驗(yàn)依據(jù)，管材等以標(biāo)準(zhǔn)實(shí)樣為制造檢驗(yàn)依據(jù)，蒙皮零件以切面樣板或模胎為制造檢驗(yàn)依據(jù)。目前，在眾多的新型號研制中，已經(jīng)建立了全機(jī)數(shù)字樣機(jī)，但鈑金件制造過程采用的仍是以模擬量與數(shù)字量并存、以模擬量為主的傳遞體系?？磕M量傳遞的模線樣板和標(biāo)準(zhǔn)樣件等協(xié)調(diào)方法最突出問題是鈑金件制造過程環(huán)節(jié)多，尺寸轉(zhuǎn)換和傳遞過程的路線長，積累誤差大，嚴(yán)重影響了制造精度的提高。通過在鈑金件制造過程中應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，重組業(yè)務(wù)流程，定義鈑金件制造過程各階段的幾何模型及其有關(guān)屬性，將鈑金件制造過程各中間狀態(tài)的模型共同構(gòu)成一個(gè)集成的模型，為鈑金件整個(gè)數(shù)字化制造過程中模型的傳遞、協(xié)調(diào)和管理提供一致的、精確的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鈑金件數(shù)字量傳遞與控制。

結(jié)束語

鈑金件數(shù)字化制造應(yīng)圍繞制造模型定義、工藝數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和基于知識的鈑金件成形工藝設(shè)計(jì)等內(nèi)容開展，形成鈑金件數(shù)字化信息全面集成應(yīng)用的解決方案。（1）圍繞制造模型的數(shù)字量產(chǎn)生、管理和應(yīng)用，對成形工序中的制造模型、工藝參數(shù)和成形模具等進(jìn)行集成優(yōu)化；建立鈑金件制造模型數(shù)字化定義、管理的應(yīng)用平臺。（2）開展和完善鈑金件制造知識重用體系，建立基于知識的設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于鈑金件成形工藝及工裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鈑金件制造的精確化、高效化，使企業(yè)大量工藝數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)知識以數(shù)字化形式得到繼承和重用。（3）通過對鈑金件工藝過程的研究，在鈑金件制造業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)、工藝、加工等各環(huán)節(jié)應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)，發(fā)展和應(yīng)用數(shù)字化集成技術(shù)以有效提高航空產(chǎn)品制造技術(shù)水平。

[1]劉闖,王俊彪.一種飛機(jī)鈑金零件數(shù)字化制造系統(tǒng)模式[J].中國制造業(yè)信息化,2009,38(7): 42-45.

LIU Chuang,WANG Junbiao.Digital manufacturing system mode for aircraft sheet metal part[J].Manufacturing Information Engineering of China,2009,38(7): 42-45.

[2]朱明華,王文斌,李小強(qiáng),等.大型客機(jī)鈑金數(shù)字化柔性精準(zhǔn)成形技術(shù)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2011,43(2): 217-220.

ZHU Minghua,WANG Wenbin,LI Xiaoqiang,et al.Digital,flexible and precise forming technology of sheet metal in large airliner[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2011,43(2): 217-220.

[3]李小強(qiáng),李東升,于成龍,等.航空鈑金數(shù)字化快速工藝準(zhǔn)備系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].塑性工程學(xué)報(bào),2013,20(1): 38-41.

LI Xiaoqiang,LI Dongsheng,YU Chenglong,et al.System for digital process preparation of aerospace sheet metal[J].Journal of Plasticity Engineering,2013,20(1): 38-41.

[4]咸陽,李輝,尉國強(qiáng).波音客機(jī)垂尾鈑金支撐件數(shù)字化成形技術(shù)[J].航空制造技術(shù),2011(23): 59-63.

XIAN Yang,LI Hui,WEI Guoqiang.Digital forming of boeing vertical-tail housing[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2011(23): 59-63.

[5]劉巖林,李亞南.基于三維模型的飛機(jī)鈑金零件數(shù)字化檢測技術(shù)[J].現(xiàn)代生產(chǎn)與管理技術(shù),2013,30(3): 9-11.

LIU Yanlin,LI Yanan.Digital inspection technology -based on the 3D model for aircraft sheet metal parts[J].Group Technology & Production Modernization,2013,30(3): 9-11.

[6]楊漢,陳佳,蘭勇,等.數(shù)字化技術(shù)在航空鈑金成形模具制造中的應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2012(7): 59-62.

YANG Han,CHEN Jia,LAN Yong,et al.Application of digital technology in aviation sheet metal forming mould manufacturing[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2012(7): 59-62.

[7]韓曉寧.飛機(jī)鈑金零件多態(tài)模型幾何信息定義方法[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2007.

HAN Xiaoning.Definitions method on geometrical information of multistate model for aircraft sheet metal parts[D].Xi’an ：Northwestern Polytechnic University,2007.

[8]王俊彪,劉闖,韓曉寧.面向制造的飛機(jī)鈑金零件多態(tài)模型[J].航空學(xué)報(bào),2007,28(2): 504 -507.

WANG Junbiao,LIU Chuang,HAN Xiaoning.Multi-state model of aircraft sheet metal parts for manufacturing[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2007,28(2): 504 -507.

[9]劉闖.面向飛機(jī)鈑金數(shù)字化制造的知識重用方法研究與應(yīng)用[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2006.

LIU Chuang.Knowledge reuse method and application in digital aircraft sheetm etal parts manufacturing [D].Xi’an：Northwestern Polytechnic University,2006.

[10]贠周會,徐龍,宋利康,等.基于知識驅(qū)動的航空鈑金件工藝設(shè)計(jì)服務(wù)應(yīng)用體系[J].航空制造技術(shù),2013(8): 58-61.

YUN Zhouhui,XU Long,SONG Likang,et al.Process design service application system of aircraft sheet metal part based on knowledge driving[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2013(8): 58-61.