飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用研究

照那斯圖

摘要 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)研制技術(shù)從傳統(tǒng)制造模式跨越到數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模式已成為必然趨勢(shì)。目前國(guó)內(nèi)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造剛剛起步，實(shí)踐過程中存在不少問題，迫切期待解決和突破。本文系統(tǒng)闡述數(shù)字化裝配面臨的困境和問題，并針對(duì)問題進(jìn)行研究分析，提出了解決方案。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化；設(shè)計(jì)制造；一體化；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095—6363（2017）03—0021—01

1概述

飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造是飛機(jī)研制的重要2個(gè)環(huán)節(jié)。飛機(jī)研制是創(chuàng)造新型的飛機(jī)，從設(shè)計(jì)方案的提出到投入使用，需要經(jīng)歷很長(zhǎng)的時(shí)間，是一件很復(fù)雜的系統(tǒng)工程。一般情況下飛機(jī)研制分為擬定技術(shù)要求、飛機(jī)設(shè)計(jì)、飛機(jī)制造和飛機(jī)試飛定型等4個(gè)階段。飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)是數(shù)字化數(shù)據(jù)管理和傳遞系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的前提下，有效結(jié)合數(shù)字化工藝技術(shù)、裝配技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)、機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)及數(shù)字化的集成控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合應(yīng)用的結(jié)果。

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)在機(jī)械、汽車、醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用比較早。航空領(lǐng)域在20世紀(jì)80年代誕生于西方航空發(fā)達(dá)國(guó)家。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)從根本上改變了飛機(jī)制造方法。數(shù)字裝配方法有效解決了傳統(tǒng)制造方式的周期長(zhǎng)、返工率高、質(zhì)量低、精度低、風(fēng)險(xiǎn)大和成本高的問題，給飛機(jī)研制開辟了嶄新的道路。

面對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，傳統(tǒng)的飛機(jī)研制方式無法滿足企業(yè)發(fā)展需求，為了能在競(jìng)爭(zhēng)中處于有利位置，企業(yè)必須采用數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)是勢(shì)在必行。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)能夠大幅降低制造成本，提高制造精度和質(zhì)量，縮短制造周期，降低返工率。

2數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)的組成

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)是多個(gè)高新技術(shù)高度集成的結(jié)果。數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)包含數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、數(shù)字化工藝系統(tǒng)、數(shù)字化工裝系統(tǒng)、數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

1）數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠在產(chǎn)品的數(shù)字化定義和建模的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬預(yù)裝配，主要作用是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干涉檢查、位置分析以及人際功效分析等工作。通過虛擬預(yù)裝配可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)、檢查零部件的安裝和拆卸等工作，有效地減少因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤而引起的返工和更改。

2）數(shù)字化工藝技術(shù)。數(shù)字化工藝技術(shù)是在數(shù)字設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行按數(shù)字裝配要求分析，總結(jié)歸類和工藝設(shè)計(jì)的過程。包括工藝路線分工、工藝流程設(shè)計(jì)、工藝裝備選擇、工藝控制點(diǎn)選取、容差分配和數(shù)字化預(yù)裝配等等。也就是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備選擇最合適的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的方案或工藝技術(shù)的過程。

3）數(shù)字化工裝系統(tǒng)。飛機(jī)裝配中廣泛應(yīng)用的數(shù)字化工裝技術(shù)有特征定位技術(shù)、柔性定位技術(shù)和數(shù)字化定位技術(shù)等等。

特征定位技術(shù)是利用零部件的工藝特征或裝配配合關(guān)系來確定零部件的位置關(guān)系，達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。常用的方法有凸臺(tái)定位、裝配孔和工藝孔定位等。

柔性定位技術(shù)是指通過采用可變的工裝支撐和定位要素來滿足不同產(chǎn)品或類似產(chǎn)品的不同定位要求。柔性工裝常用于壁板類部件、翼梁類部件、對(duì)接部件、舵面等部件的裝配。

數(shù)字化定位技術(shù)是數(shù)字化測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用。指通過同一組數(shù)字化測(cè)量點(diǎn)的位置來確定組、部件的不同站位不同狀態(tài)下的準(zhǔn)確定位。常用的數(shù)字化定位系統(tǒng)有激光跟蹤儀、iGPS定位系統(tǒng)、照相測(cè)量等。

4）自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，也叫機(jī)器人加工系統(tǒng)。通過數(shù)字化編程的程序控制機(jī)器人，用機(jī)器人的動(dòng)作代替部件裝配中的制孔、锪窩、送釘、加膠、鉚接等工序。自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)加工精度高、效率高、工作一致性好等特點(diǎn)。機(jī)器人效率是人工的6～10倍。機(jī)器人加工工作已拓寬到鉚接、焊接、膠接和噴漆等工作。

3國(guó)內(nèi)飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用情況及存在的問題

我國(guó)航空工業(yè)主要沿襲前蘇聯(lián)的組織生產(chǎn)模式，飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展緩慢。飛機(jī)研制技術(shù)和組織管理方式落后，雖然在不斷完善和該機(jī)，但與發(fā)達(dá)國(guó)家比差距較大，自動(dòng)化水平不是很高，半自動(dòng)和純手工制造還在應(yīng)用。目前在技術(shù)和管理方面都存在一定的問題。

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化體系建設(shè)需完善。數(shù)字化設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理和傳輸、數(shù)字化裝配等方面均缺乏完整的、體系的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。雖然已有了基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)踐過程中存在諸多問題。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段缺乏設(shè)計(jì)制造一體化的考慮，缺乏數(shù)字化裝配的工藝性考慮。在我們飛機(jī)裝配中發(fā)現(xiàn)很多方面可以改變?cè)O(shè)計(jì)方式方法，應(yīng)逐步加強(qiáng)面向裝配的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)“三化”設(shè)計(jì)。比如壁板設(shè)計(jì)、地板設(shè)計(jì)、翼肋設(shè)計(jì)完全可以按模塊設(shè)計(jì)，便于柔性制造。

數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)傳遞平臺(tái)需規(guī)范和完善。從設(shè)計(jì)到裝配需要多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)、多個(gè)軟件、多個(gè)接口的交換，數(shù)據(jù)管理和傳遞，硬件軟件需進(jìn)一步規(guī)范和完善。

數(shù)字化裝配過程中補(bǔ)償技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)需進(jìn)一步提高。數(shù)字化裝配是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，裝配過程受產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)與制造、零件制造、檢驗(yàn)檢測(cè)、工具使用等多個(gè)方面的影響，以上某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)任何問題均影響部件制造的進(jìn)度、節(jié)奏和質(zhì)量。

4加快飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化應(yīng)用的方法

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展的必然選擇。面對(duì)困境和問題，我們需要采取以下措施，加強(qiáng)研究和應(yīng)用實(shí)踐。

1）建立產(chǎn)品全壽命工作模型，優(yōu)化流程。目前發(fā)達(dá)國(guó)家高新企業(yè)幾乎全部都采用全壽命周期的設(shè)計(jì)制造方法，其主要特點(diǎn)是充分考慮制造工藝性、售后維護(hù)的方便性，在方案論證階段銷售維護(hù)和制造問題先考慮并反復(fù)迭代。

國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)，質(zhì)量低、成本高的主要原因是沒有按照產(chǎn)品全壽命周期模型管理產(chǎn)品的研發(fā)，在設(shè)計(jì)階段缺乏全壽命考慮，產(chǎn)品沒有面向制造、面向用戶、面向維護(hù)。

具體表現(xiàn)為：（1）缺乏完整的系統(tǒng)工程的研發(fā)理念，重功能性能，輕過程管理；白頂向下的設(shè)計(jì)分解和自底向上的逐級(jí)驗(yàn)證過程不清晰，不完整；設(shè)計(jì)指標(biāo)逐級(jí)分解不全，設(shè)計(jì)驗(yàn)證迭代不夠，驗(yàn)證不充分。（2）缺乏規(guī)范化、操作性強(qiáng)的流程；流程結(jié)構(gòu)化差，粗放、層次不清、不夠規(guī)范、不細(xì)化、操作性不強(qiáng)；沒有整體流程，流程是串行的，運(yùn)行緩慢，問題留到了后面，造成返工和拖延；流程的執(zhí)行缺乏強(qiáng)制和紀(jì)律性。

2）加強(qiáng)面向制造的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式和傳統(tǒng)的模擬量傳遞技術(shù)很難與數(shù)字化裝配技術(shù)接軌，數(shù)字裝配技術(shù)的前提是面向裝配的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)。具體為，加大產(chǎn)品的“三化”設(shè)計(jì)，加大產(chǎn)品的模塊化、系列化和通用化，盡量加大通用件和共享零部件。比如壁板類零件、地板零件應(yīng)采取模塊化設(shè)計(jì)。另外，零件剖面選擇取、設(shè)計(jì)分離面的選取應(yīng)充分考慮數(shù)字化裝配工藝，如，Z字形長(zhǎng)桁剖面比L形長(zhǎng)桁更便于機(jī)器人加工。

3）加強(qiáng)數(shù)字化裝配技術(shù)的研究。數(shù)字化裝配技術(shù)在國(guó)內(nèi)剛剛起步，從標(biāo)準(zhǔn)的建立和技術(shù)的協(xié)調(diào)兼容沒有明確的參考依據(jù)。我們知道需要數(shù)字化裝配技術(shù)，但不是很明白需要什么樣的數(shù)字化裝配技術(shù)，因?yàn)楫a(chǎn)品類型不同、工藝分離面不同，所選取的裝配方法不同。因此目前沒有形成完整的技術(shù)樹，對(duì)核心技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別不夠。在產(chǎn)品零件到總裝結(jié)束哪些分里面或哪些工位選取數(shù)字化裝配更合適、效率更高等方面需研究和探索。

5結(jié)論

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)是制造技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。面對(duì)問題，我們要堅(jiān)定信心，從技術(shù)和管理等方面研究和創(chuàng)新，大力開展飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造一體化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，通過數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)加快產(chǎn)品研發(fā)速度，降低成本、提高質(zhì)量，為企業(yè)發(fā)展、為國(guó)防建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。