基于產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程優(yōu)化研究

文/李 悅

產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）是為了達(dá)到產(chǎn)品功能要求所必須遵守的技術(shù)依據(jù)和產(chǎn)品信息傳遞與交換的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。[1]在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）相關(guān)GPS 標(biāo)準(zhǔn)體系是影響最廣、最重要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)體系之一，與質(zhì)量管理（ISO 9000）、基于模型的定義（MBD）等重要標(biāo)準(zhǔn)體系有著密切的聯(lián)系，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)與制造技術(shù)的基礎(chǔ)。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)模式現(xiàn)狀

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制初期，由于技術(shù)認(rèn)知和研制能力有限，在研發(fā)體系不完備的條件下開(kāi)始了型號(hào)研制。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制通常采用反復(fù)修正、反復(fù)迭代的研制模式。[2]我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)防能力的提升，亟須優(yōu)化航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向研發(fā)模式。GPS 不僅是基于產(chǎn)品形狀、位置精度和表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)表達(dá)，而且是基于產(chǎn)品功能要求的設(shè)計(jì)表達(dá)。其中，對(duì)偶性原理更體現(xiàn)了系統(tǒng)工程的需求與驗(yàn)證的理念、并行工程協(xié)同研制的思想，把GPS 融入以需求為牽引的航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向設(shè)計(jì)流程中，將有助于加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研制。

國(guó)家“十四五”規(guī)劃對(duì)我國(guó)當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展主要目標(biāo)提出了更高的要求，當(dāng)前階段正是國(guó)家高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期。對(duì)于制造業(yè)，尤其是航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是關(guān)乎生存和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的必然選擇。航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)，對(duì)其系統(tǒng)的高度復(fù)雜性、研發(fā)的難度、產(chǎn)品幾何質(zhì)量提出了更高的要求。早期，大部分工程師依然按照傳統(tǒng)的尺寸公差和形位公差的表達(dá)方式來(lái)標(biāo)注圖紙。傳統(tǒng)的公差設(shè)計(jì)是通過(guò)查詢(xún)手冊(cè)或借助經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成的，并沒(méi)有在公差與產(chǎn)品功能之間建立直接的聯(lián)系。這種標(biāo)注方式容易使研究團(tuán)隊(duì)在對(duì)產(chǎn)品圖樣進(jìn)行理解時(shí)，產(chǎn)生分歧和推諉，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)周期。而GPS 的應(yīng)用要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就從功能出發(fā)，以滿(mǎn)足功能需求為目標(biāo)進(jìn)行公差設(shè)計(jì)，從而大大提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模型優(yōu)化

1.GPS 融入基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

GPS 以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)引入了“對(duì)偶性原理”，將設(shè)計(jì)與測(cè)量過(guò)程構(gòu)成一個(gè)物像系統(tǒng)，把標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)量用不確定度的傳遞關(guān)系聯(lián)系起來(lái)。借用物像對(duì)應(yīng)原理，GPS 對(duì)規(guī)范設(shè)計(jì)階段和認(rèn)證檢驗(yàn)階段的特征值進(jìn)行一致性比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)偶性，從而解決由于測(cè)量方法不統(tǒng)一導(dǎo)致測(cè)量評(píng)估失控引起的糾紛。[3]對(duì)偶性模型（見(jiàn)圖1）在規(guī)范設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)工程師可以用表面模型對(duì)實(shí)際表面進(jìn)行模擬，從而確定在滿(mǎn)足功能要求的前提下要素的最大偏差，用來(lái)指導(dǎo)公差設(shè)計(jì)；在認(rèn)證檢驗(yàn)階段，檢驗(yàn)工程師將實(shí)際工件與表面模型進(jìn)行對(duì)比，對(duì)與表面模型相對(duì)應(yīng)的要素進(jìn)行提取、集成和評(píng)估等操作，以確定實(shí)際工件的誤差大小，最后對(duì)表面模型和實(shí)際工件進(jìn)行一致性比較，從而確定實(shí)際工件是否達(dá)到規(guī)范要求，能否實(shí)現(xiàn)零件的功能要求。

圖1 GPS 的對(duì)偶性模型

系統(tǒng)工程的核心是驗(yàn)證和確認(rèn)（V&V）。[4]基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程定義了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)完成產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程，包括了概念、計(jì)劃、開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證4 個(gè)階段（見(jiàn)圖2）。基于系統(tǒng)工程的正向研發(fā)流程縱向牽引著研發(fā)、制造、采購(gòu)和質(zhì)量等多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，使之并行協(xié)同地開(kāi)展產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。這是一個(gè)包含需求分析定義、架構(gòu)設(shè)計(jì)、需求分解、部件/子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)集成與驗(yàn)證、最終成果驗(yàn)收交付的過(guò)程。

圖2 結(jié)合對(duì)偶性模型的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

GPS 是面向產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程而構(gòu)建的控制幾何特征的一套標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)將其融入航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)流程中。具體操作首先，提煉幾何公差設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)相關(guān)的活動(dòng)，提取與當(dāng)前產(chǎn)品開(kāi)發(fā)程序中的相關(guān)活動(dòng)。涉及的相關(guān)職能包括系統(tǒng)工程師、設(shè)計(jì)工程師、制造工藝工程師、質(zhì)量檢驗(yàn)工程師與試驗(yàn)工程師。系統(tǒng)工程師根據(jù)市場(chǎng)、客戶(hù)和政府等多方面的外部需求，通過(guò)轉(zhuǎn)換形成原始需求清單；然后通過(guò)系統(tǒng)需求分析活動(dòng)，按結(jié)構(gòu)層級(jí)將需求層層分解；通過(guò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)需求進(jìn)行分配，形成各部件子系統(tǒng)的研制規(guī)范。設(shè)計(jì)工程師通過(guò)部件/子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)件開(kāi)發(fā)的活動(dòng)；最終，形成產(chǎn)品的全套圖紙與技術(shù)要求，在圖紙和要求中表達(dá)基于功能的幾何信息與公差信息，精確地表達(dá)產(chǎn)品的功能。

制造工藝工程師通過(guò)對(duì)產(chǎn)品圖紙與技術(shù)要求的理解能夠很好地解讀產(chǎn)品的功能要求，并加工出符合要求的產(chǎn)品。質(zhì)量檢驗(yàn)工程師根據(jù)圖紙對(duì)產(chǎn)品的要求，對(duì)實(shí)際加工出來(lái)的產(chǎn)品進(jìn)行公差的測(cè)量與檢驗(yàn)，有效判斷產(chǎn)品是否合格。試驗(yàn)工程師根據(jù)結(jié)構(gòu)層級(jí)制定試驗(yàn)計(jì)劃，開(kāi)展驗(yàn)證與確認(rèn)。

2.GPS 融入基于模型的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)過(guò)程

MBD 是指由精確幾何實(shí)體、相關(guān)3D 幾何、3D標(biāo)注和屬性構(gòu)成的數(shù)據(jù)集定義完整的產(chǎn)品定義，其核心是提供全面的產(chǎn)品定義作為協(xié)同設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的唯一授權(quán)數(shù)據(jù)。零組件數(shù)據(jù)集包括制造條件下或裝配條件下，以名義尺寸構(gòu)建的幾何實(shí)體、零件坐標(biāo)系、關(guān)聯(lián)幾何的尺寸、公差和標(biāo)注、工程注釋、材料要求、管理數(shù)據(jù)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)清單或相關(guān)數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3）。

圖3 GPS 應(yīng)用于MBD 與檢驗(yàn)

規(guī)范、統(tǒng)一、準(zhǔn)確和完整的模型是執(zhí)行并行協(xié)同設(shè)計(jì)和制造的基礎(chǔ)。如果不能準(zhǔn)確地進(jìn)行公差規(guī)范表達(dá)，會(huì)使得最終生產(chǎn)出的工件實(shí)體存在一定的偏差，甚至影響到模型的精度、干涉檢查、裝配和拆裝維修。因此，貫徹GPS，從功能需求出發(fā)規(guī)范表達(dá)產(chǎn)品制造信息（PMI）可以準(zhǔn)確表達(dá)工件的工況。

在基于模型的制造階段，制造工藝工程師可以對(duì)原始模型進(jìn)行增量建模操作來(lái)建立工序模型，在開(kāi)展工藝設(shè)計(jì)的同時(shí)，可以通過(guò)開(kāi)展工藝過(guò)程仿真，對(duì)生產(chǎn)能力進(jìn)行評(píng)估；在基于模型的檢驗(yàn)階段，可以使用原始理論模型與實(shí)體模型進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。

基于原始模型GPS 表達(dá)的基準(zhǔn)，實(shí)體模型的檢測(cè)可選擇相應(yīng)的裝夾方式；根據(jù)公差標(biāo)注中的公差帶類(lèi)型選擇測(cè)量方法，根據(jù)公差標(biāo)注中的濾波和擬合方式選擇數(shù)據(jù)處理的方式，將檢測(cè)得到的誤差值與基于理論正確模型建立的公差帶區(qū)域?qū)Ρ仍u(píng)估得到檢驗(yàn)結(jié)果。

3.構(gòu)建GPS 知識(shí)庫(kù)與工具

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中貫徹和應(yīng)用GPS 系列標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。由于該系列標(biāo)準(zhǔn)涉及大量的先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)理論，僅僅采用常規(guī)的貫標(biāo)方法對(duì)相關(guān)技術(shù)人才進(jìn)行培訓(xùn)，不易達(dá)到良好的效果。因此需要利用現(xiàn)代信息化手段構(gòu)建知識(shí)庫(kù)和開(kāi)發(fā)軟件的工具，為標(biāo)準(zhǔn)的深入性應(yīng)用奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)保障。

①構(gòu)建基礎(chǔ)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范知識(shí)庫(kù)

GPS 系列是由全局、基礎(chǔ)、通用和補(bǔ)充四大類(lèi)約200 多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成。這些標(biāo)準(zhǔn)定義了基本原則和基礎(chǔ)術(shù)語(yǔ)，并規(guī)范了幾何公差、尺寸公差、表面結(jié)構(gòu)精度的標(biāo)注和圖示、理論定義、特征定義、誤差判定、測(cè)量設(shè)備要求和評(píng)定要求等。這些標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用的過(guò)程中需要借助企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù)，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行收集更新及查詢(xún)管理。

②構(gòu)建公差設(shè)計(jì)與標(biāo)注工具

基于GPS 給出的設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，在相關(guān)產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件（CAD）中嵌入公差設(shè)計(jì)工具，如西門(mén)子公司的Siemens NX 軟件。該工具可將GPS 標(biāo)準(zhǔn)中的基準(zhǔn)標(biāo)注方式和公差標(biāo)注給出相關(guān)的使用指南，按步驟給出選擇。

③構(gòu)建誤差檢查與評(píng)估工具

該工具可與三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、高精度圓度儀、光學(xué)測(cè)量?jī)x等電子測(cè)量系統(tǒng)集成運(yùn)行?；贕PS給出的測(cè)量過(guò)程包括要求、一起的選擇、定標(biāo)與量值傳遞的方法，與設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)聯(lián)的評(píng)定技術(shù)，輔助誤差的檢測(cè)與評(píng)定。

三、總結(jié)與展望

GPS 是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的幾何規(guī)范與計(jì)量認(rèn)證相結(jié)合的系統(tǒng)化標(biāo)準(zhǔn)體系，具備可操作性強(qiáng)、先進(jìn)科學(xué)等特點(diǎn)，其優(yōu)越性毋庸置疑。航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制任務(wù)的嚴(yán)峻形勢(shì)和對(duì)正向產(chǎn)品研制的要求，使得應(yīng)用GPS 標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用GPS 需要將設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)工具3 個(gè)方面相結(jié)合，將產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范的理念融入設(shè)計(jì)流程中，將幾何公差設(shè)計(jì)的要求融入MBD中，將相關(guān)理論和知識(shí)、符號(hào)融入知識(shí)庫(kù)與工具中。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中應(yīng)用GPS 最關(guān)鍵的地方是如何把功能需求根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)架構(gòu)層層分解到零組件，并將分解到零組件上的功能要求設(shè)計(jì)到具體的要素的要求中。在推廣應(yīng)用GPS 的過(guò)程中，我們需要結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)類(lèi)型的功能需求，將相關(guān)需求分解到典型結(jié)構(gòu)中，總結(jié)并優(yōu)化典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與設(shè)計(jì)規(guī)范，強(qiáng)化并促進(jìn)GPS 的應(yīng)用實(shí)施的落地。