数字化设计制造技术在民机研制中的应用

摘要：数字化设计制造技术对于促进我国飞机研制模式的转变、提高快速研制能力、提升飞机行业整体技术水平、缩短与世界先进水平的差距具有重要意义。本文从产品数字化定义、数字化预装配、产品数据管理和并行工程等方面阐述数字化设计制造技术在民机研制中的应用情况。
关键词：数字化设计制造民机 应用

1 概述

数字化设计制造技术的应用从根本上改变了国内飞机行业传统的设计和制造模式。目前国外最领先的航空数字化设计制造技术已经覆盖了飞机研制的全生命周期，从概念阶段、面向制造/维护的设计、制造，直至服务与支持阶段，并且已经达到了可视化管理高度。

中航工业成飞是国内最早应用数字化设计制造技术的企业之一，经过多年的发展，在设计和制造中普遍应用了CAD/CAE/CAPP/CAM 技术，在项目研制中全面采用了数字化设计和以数控加工为中心的先进制造技术。特别是近几年在新研项目、C919 等项目中广泛采用数字化设计制造技术，在产品数字化定义、数字化预装配、产品数据管理和并行工程等方面取得了初步突破，其技术及应用水平在国内处于领先地位，并形成了一支强有力的技术开发与实施队伍。

2 产品数字化定义

产品数字化定义即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法，改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息，而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法。同时，产品数字化定义使三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，改变了传统以工程图纸为主，而以三维实体模型为辅的制造方法。

2.1 精确模型

精确模型需要满足两个条件，一是要满足设计、工艺、制造的要求，模型状态即为零件的真实状态，并可以直接供工艺、制造部门使用，二是要满足电子样机协调及数字化预装配的要求。

在民机研制过程中，通过采用用专业模块建模的方式来保证模型的精确性，如机加零件采用CATIA V5 软件Part Design 模块建模，如图1所示；钣金零件采用CATIAV5 软件航空钣金模块建模，如图2 所示；复材件采用CATIA V5软件复合材料设计模块建模，如图3 所示。

2.2 三维标注

根据实际技术水平和制造条件，制定三维标注原则、三维标注的要求和紧固件标识方法，对尺寸、公差、表面粗糙度、紧固件标识和数字、字母、文字等进行统一规定，并形成企业标准。零件三维标注信息如图4 所示，装配件三维标注信息如图5 所示，紧固件标识信息如图6 所示。

图 4 零件三维标注信息

图5 装配件三维标注信息

图 6 紧固件标识信息

2.3 工艺、制造和装配信息

对于三维模型中无法表达的工艺、制造和装配信息，如表面处理方法、热处理方法、紧固件信息、材料信息、装配信息等，通过制定零部件结构树模板的方式标识在三维模型中。零件和装配件结构树模板如图7 所示。

图7 零件和装配件结构树模板

在零部件模型导入PDM 系统的时候，可以自动提取出结构树上所包含的工艺、制造和装配信息，并按规定格式自动生成EBOM，供工艺、制造使用。

3 数字化预装配

数字化预装配是以飞机全机数字样机为基础，工艺流程为主导，借助计算机软件平台，对产品装配过程中的各个环节进行统一建模，在虚拟的工厂环境下，实现产品的工艺决策、制造装配和质量检验的模拟装配过程，完全以数字量传递。

3.1 装配干涉仿真

在虚拟装配环境中，依据设计好的装配工艺流程，对每个零件、成品和组件进行移动、定位、夹紧和装配操作，在装配的过程中进行产品与产品、产品与工装的干涉检查，当系统发现存在干涉情况时报警，并显示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。该项检查是零件沿着模拟装配的路径，在移动过程中零件的几何要素是否与周边环境有碰撞。如图8 所示。

图 8 装配干涉仿真

3.2 装配顺序仿真

在虚拟环境下，依据设计好的装配工艺流程，对产品装配过程和拆卸过程进行三维动态仿真，验证每个零件按设计的工艺顺序是否能无阻碍的装配上去，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。如图9 所示。

图 9 装配顺序仿真

3.3 人机工程仿真

产品装配的过程，少不了人的参与，产品移动的过程也就是人动作的过程。将标准人体的三维模型放入到虚拟产品结构和工装结构环境中，按照工艺流程进行装配工人可视性（是否看得见，看多大范围）、可达性（工人的身体或肢体是否能达到装配位置）、可操作性（空间大小或零件重量是否便于工人操作）、舒适性（工人承受的负荷以及操作时间或次数是否使工人容易疲劳）以及安全性（工人在较高的位置操作等）的仿真。如图10 所示。

图 10 人机工程仿真

3.4 虚拟数字化车间仿真

在虚拟装配环境下，建立厂房、地面、起吊设备等三维制造资源模型，将已经建立的各装配工艺模型和装配型架、工作平台、夹具等制造资源三维模型放入厂房中，按照确定的装配流程进行全面的数字化车间仿真，如图11 所示。

图11 数字化工厂仿真

4 产品数据管理

产品数据管理（Product Data Management，PDM）是以产品为管理核心，以数据、过程和资源为管理信息的三大要素，并以软件技术为基础，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化的集成管理技术；是用整体优化的观念对产品开发过程数据和产品制造过程进行描述，规范产品生命周期数据的管理，保持产品数据的一致性和可跟踪性，是设计数据达到有序，实现产品设计、工艺设计、制造过程的优化以及资源的共享。

PDM 系统主要功能至少应包括文档管理、产品管理、工作流程管理、工装管理、更改管理和协同工作等内容。文档管理是针对不同产品的各种文档资料进行管理，包括企业标准、外来标准、质量管理、工艺文件、设计文件、工装文件、车间工艺文件、外来纸质文件、外来数据发放清单、数据安装通知单、产品文档、工程更改单等；产品管理是针对不同产品的BOM、材料、产品数据和统计报表等进行管理，并实现EBOM->PBOM->MBOM 的重构，以实现设计、工艺、制造数据的有效衔接，维护数据的一致性；工作流程管理是针对不同产品的各个业务流程进行管理，如AO/FO 等工艺文件审批流程、任务分配流程、数据发放流程等，以实现企业流程的自动化和规范性，使得设计人员集中精力在产品生命周期的特定任务上；工装管理是针对不同产品的工装设计和工装工艺进行管理；更改管理是针对不同产品的更改单、工艺计划更改单、材料定额更改单、技术单、设计更改单、白纸更改单等进行管理。

5 并行工程

并行工程是指在进行上游环节工作的同时，尽可能考虑下游环节的工作，通过产品数据的统一管理，并行地进行产品设计、工艺设计、生产准备、测试准备等工作，以最大限度地减少产品开发周期，降低开发成本。但并行工程不是机械地、简单地把工艺准备、生产准备等工作提前到产品设计阶段，没有技术支持和有效的管理只能影响到产品设计工作，所以实现并行工程需要计算机技术、网络技术、软件技术和管理流程的支持。

5.1 协同平台的应用

利用Internet 技术，把分布在不同地域的组织连接在一起，实现数据、信息和知识的及时、准确地交互和共享。利用数据库技术和信息处理技术，构建基于网络的数字化协同工作平台。数字化协同工作平台是智能化、模块化、构件化和可集成的，并且具备良好的扩展性，它可以根据企业的特点和要求快速、灵活地对系统进行定制，并且本身具备丰富的接口，可以与企业已有的各种平台方便地结合。

5.2 VPM 平台的应用

基于达索公司的VPM 产品，构建协同并行设计平台，则能确保不同专业设计人员在统一的模型中同步协调以关联技术和专业设计模块完成精确电子样机的产品设计、工艺模型设计、工装设计，并通过模型的各类属性定义实现具备产品全部设计、工艺、制造信息的电子样机，使设计、工艺、制造过程中产生的数据得到有效的管理，大幅度提高研发水平。VPM平台文档管理窗口如图12 所示，VPM 平台三维模型窗口如图13 所示。

图 12 VPM 平台文档管理窗口

图13 VPM平台三维模型窗口

6 结论

数字化技术的迅速发展和广泛应用，使传统的飞机产品的研制过程发生了根本性的变革，大幅度地提高了飞机设计制造技术水平，加快了现代飞机研制的整体进程。特别在近几年航空业数字化工程的推动下，各级领导也很重视这一新技术的应用与推广工作，并且在飞机的数字化设计和制造方面取得了卓有成效的进展，尤其在新机的研制中，这一新技术优势已开始体现出来。在大型民用飞机研制中，将会集成全国乃至全球优势企业共同参与，这种基于数字化的异地协同设计制造技术的应用将更加广阔。

参考文献
[1] 范玉青《现代飞机制造技术》北京航空航天大学出版社
[2] 周秋忠范玉青 MBD技术在飞机制造中的应用航空维修与工程 2008/3
[3] 于勇大型飞机数字化设计制造技术应用综述航空制造技术 2009/11
[4] DS 2.001-2005 飞机零部件数字化定义一般要求
[5] DS 2.019-2005 CATIA文字、尺寸与公差标注
[6] DS 2.021-2005 CATIA模型检查规定
[7] DS 3.002-2005 飞机数字化预装配通用要求
[8] DS 3.002-2005 飞机数字样机通用要求