多廠所協(xié)同的航空數(shù)字化制造系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1、航空制造工程概論課程報(bào)告得分：班級(jí)學(xué) 號(hào)姓 名日期多廠所協(xié)同的航空數(shù)字化制造系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)摘要：本文從多廠所協(xié)同的數(shù)字化制造系統(tǒng)解釋了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造對(duì)航空產(chǎn)業(yè)的作用與影響，提出并分析了多廠所協(xié)同的企業(yè)組織模式和各種企業(yè)組織形式之間的協(xié)調(diào)機(jī)制。分析了傳統(tǒng)飛機(jī)制造模式和現(xiàn)代先進(jìn)航空數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，以及傳統(tǒng)制造過程向先進(jìn)航空制造技術(shù)轉(zhuǎn)變過程。提出分析了數(shù)字化設(shè)計(jì)制造方案。以空中客車公司的A380客機(jī)為例，說明了多廠所協(xié)同制造過程和數(shù)字化設(shè)計(jì)制造對(duì)企業(yè)在產(chǎn)品競爭和市場生存中的意義。多廠所協(xié)同的航空數(shù)字化制造系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)在整個(gè)飛機(jī)制造行業(yè)起到了非常重要的作用，在將來會(huì)有越來越廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞

2、:多場所協(xié)同 企業(yè)組織模式 數(shù)字化設(shè)計(jì)制造 空客A380引言：現(xiàn)代飛機(jī)制造具有氣動(dòng)外形要求嚴(yán)格、設(shè)計(jì)更改頻繁、產(chǎn)品構(gòu)型眾多、零件材料及形狀各異、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間十分緊湊、各類系統(tǒng)布置緊密以及零組件巨大等特點(diǎn)。因此飛機(jī)的研制過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,應(yīng)該多廠所協(xié)同研制, 充分發(fā)揮各廠所的優(yōu)勢, 共享產(chǎn)品開發(fā)的資源和經(jīng)驗(yàn)。異地設(shè)計(jì)、制造、管理與協(xié)同工作是未來航空工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。近二、三十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)尤其是數(shù)字化技術(shù)及其應(yīng)用的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的飛機(jī)制造技術(shù)發(fā)生了根本性變革，數(shù)字化設(shè)計(jì)制造逐漸被應(yīng)用到飛機(jī)的整體、部件和零件的設(shè)計(jì)和制造中。在新飛機(jī)研制過程中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用CAD/CAM/CA

3、E等基本單元技術(shù)，使得飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可制造性水平有較大提高。1. 多廠所協(xié)同的企業(yè)組織模式與協(xié)調(diào)機(jī)制1.1. 多場所協(xié)同研制模式分析現(xiàn)代飛機(jī)制造業(yè)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，必須走多企業(yè)聯(lián)合研制的道路，多企業(yè)協(xié)同研制是航空工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。多企業(yè)協(xié)同研制有三種模式:協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、協(xié)同設(shè)計(jì)與制造。1.1.1. 協(xié)同設(shè)計(jì)在飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，各部件設(shè)計(jì)所由主設(shè)計(jì)所組織協(xié)調(diào)，以共享的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，進(jìn)行交互協(xié)作。由于現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)制造由多個(gè)單位合作完成，設(shè)計(jì)過程具有很長的周期，是一個(gè)分階段不斷迭代的過程，同時(shí)也是建立在基于Internet廣域網(wǎng)環(huán)境的分布式的異地協(xié)同設(shè)計(jì)，各設(shè)計(jì)所間要進(jìn)行頻繁的設(shè)計(jì)交

4、互。1.1.2. 協(xié)同制造由于航空制造企業(yè)多為小批量多樣化的生產(chǎn)模式，需求很不穩(wěn)定，因此存在嚴(yán)重的生產(chǎn)能力不平衡的情況。因此建立統(tǒng)一的協(xié)同制造平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)制造資源的共享和各分廠間有效的協(xié)同，對(duì)于提高資源利用率，縮短生產(chǎn)交付的周期，提高整個(gè)航空產(chǎn)品開發(fā)研制的敏捷化都有舉足輕重的作用。在飛機(jī)制造過程中，總裝廠負(fù)責(zé)制造任務(wù)的分派，并且建立有統(tǒng)一的制造數(shù)據(jù)中心。建立各分廠的協(xié)同體系，主要為了充分利用各分廠制造資源，實(shí)現(xiàn)各分廠供應(yīng)鏈的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的協(xié)同環(huán)境。另外，制造的協(xié)同還包括與外部供應(yīng)商的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)航空制造的采購和外協(xié)有效進(jìn)行。1.1.3. 設(shè)計(jì)與制造協(xié)同部件設(shè)計(jì)所將需要制造的零部件工藝及工裝制

5、造信息直接傳遞給部件制造廠，制造廠執(zhí)行制造任務(wù)。同時(shí)，制造廠還負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)更改信息進(jìn)行及時(shí)地響應(yīng).設(shè)計(jì)制造的協(xié)同橫跨產(chǎn)品全生命周期的兩個(gè)階段，設(shè)計(jì)所和制造廠間交互的信息盆巨大，同時(shí)涉及到設(shè)計(jì)更改的問題，因此必須建立設(shè)計(jì)制造協(xié)同平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造部門的交互。以型號(hào)項(xiàng)目為中心的多企業(yè)協(xié)同研制的組織結(jié)構(gòu)包括頂層的整個(gè)型號(hào)的事業(yè)部，下級(jí)包括主管設(shè)計(jì)的主設(shè)計(jì)所和主管制造的總裝廠。主設(shè)計(jì)所下包括眾多分設(shè)計(jì)所負(fù)責(zé)部件設(shè)計(jì)，總裝廠下由部件制造廠負(fù)責(zé)零部件制造。部件設(shè)計(jì)所和部件制造廠直接合作，決定零部件是采購還是直接制造。1.2. 多廠所協(xié)同的協(xié)調(diào)機(jī)制協(xié)同的核心在于解決沖突，多廠所分布式協(xié)同計(jì)劃模式

6、中沖突類型可概括為任務(wù)沖突、過程沖突和資源沖突三種。多廠所協(xié)同的航空數(shù)字化制造在協(xié)同設(shè)計(jì)、協(xié)同制造、協(xié)同設(shè)計(jì)與制造中均存在沖突。針對(duì)沖突，擬采用沖突預(yù)消解、消解、協(xié)商和仲裁四步消解邏輯進(jìn)行。1) 預(yù)消解。在問題定義階段和方案設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)沖突，并解決沖突。2) 消解。在問題求解階段檢測到?jīng)_突后，及時(shí)運(yùn)用知識(shí)、工具等資源予以解決，對(duì)不能解決的問題，轉(zhuǎn)入第三方進(jìn)行協(xié)商。3) 協(xié)商。對(duì)于問題求解者無法解決的沖突，與本方其他求解者進(jìn)行協(xié)商。4) 仲裁。當(dāng)對(duì)沖突無法達(dá)成一致協(xié)議，提請(qǐng)權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行仲裁，仲裁后要求申請(qǐng)者執(zhí)行相關(guān)決議。2. 傳統(tǒng)制造過程向先進(jìn)航空制造技術(shù)轉(zhuǎn)變過程2.1. 傳統(tǒng)飛機(jī)制造模式飛行器

7、產(chǎn)品的制造過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集、建模、傳遞、拓延和加工處理的過程，最終形成的產(chǎn)品可以看成是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。所以，傳統(tǒng)的飛行器制造過程是：設(shè)計(jì)文件、圖紙模線樣板標(biāo)準(zhǔn)樣件各類成形模具、裝配夾具，最后制造出飛行器產(chǎn)品。這種傳統(tǒng)的工作方式是把飛行器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或信息，通過數(shù)十萬件的標(biāo)準(zhǔn)工藝裝備和生產(chǎn)工藝裝備最終以模擬量形式傳遞到飛機(jī)產(chǎn)品上。這就是造成飛行器工藝裝備數(shù)量巨大、生產(chǎn)準(zhǔn)備周期和制造周期長、互換協(xié)調(diào)困難、質(zhì)量難以保證、成本高等一系列困難的原因。所以，長期以來技術(shù)人員一直在苦苦探索采用新的技術(shù)手段來解決這些困難。最初采用計(jì)算機(jī)對(duì)飛機(jī)外形建立數(shù)字模型（即后來的 CAD技術(shù)）及數(shù)控加工兩項(xiàng)新技

8、術(shù)，有一定的效果，但未從根本上解決問題。2.2. 現(xiàn)代先進(jìn)航空數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)近幾十年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)（或稱數(shù)字化技術(shù)）的飛速發(fā)展，硬件平臺(tái)的價(jià)格性能比日趨低廉，CAD/CAPP/CAM 技術(shù)運(yùn)用日趨普及，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理 PDM 和企業(yè)資源規(guī)劃 ERP軟件逐漸成熟，并行工程、精良生產(chǎn)和敏捷制造等先進(jìn)思想日益完善，因特網(wǎng) Internet 和企業(yè)內(nèi)部網(wǎng) Intranet 的使用越來越方便，便于企業(yè)建立虛擬產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境，使飛機(jī)的無紙異地設(shè)計(jì)制造得以真正實(shí)現(xiàn)成為可能。飛行器制造業(yè)將真正成為不分國界的全球化行業(yè)。飛行器數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)將使設(shè)計(jì)與制造、技術(shù)與管理以及過程和質(zhì)量，在并行工程思想的指導(dǎo)下，很

9、好地集成在一起，大大加速飛行器的研制過程，大幅度地降低制造成本，飛機(jī)的性能和質(zhì)量將進(jìn)一步提高，從整體上提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。這一技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，將使飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的技術(shù)人員，不僅在虛擬環(huán)境中制造飛機(jī)，而且在虛擬環(huán)境中試驗(yàn)飛機(jī)性能的日子也為期不遠(yuǎn)。飛行器數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)大體上經(jīng)歷了如圖表1所示的幾個(gè)階段：圖表 13. 數(shù)字化設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)方案3.1. 建立飛機(jī)內(nèi)部輪廓數(shù)字模型 DIP（Digital Inboard Profile） 飛機(jī)產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)從公司的銷售和市場部門獲取的用戶需求開始，飛機(jī)總體設(shè)計(jì)組經(jīng)過對(duì)飛機(jī)的航程、所需燃油、載客量、總體性能及制造成本等分析后得出的數(shù)據(jù)就

10、作為進(jìn)行初步產(chǎn)品數(shù)字建模（或稱作產(chǎn)品數(shù)字化定義）的依據(jù)，建立飛機(jī)總體定義，它包括飛機(jī)的描述文檔、三面圖、外形氣動(dòng)布局和飛機(jī)內(nèi)部輪廓圖（Inboard Profile)。飛機(jī)內(nèi)部輪廓圖包括系統(tǒng)安排、空間分配和高速外形線等，通常繪制成二維圖形，現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員把它建成三維實(shí)體模型（在 CATIA 系統(tǒng)上）。這個(gè)三維數(shù)字內(nèi)部輪廓定義模型稱作 DIP。DIP 的模型數(shù)據(jù)是由各工程部門提拱的，所有結(jié)構(gòu)和各種系統(tǒng)都分別構(gòu)造成三維實(shí)體模型，由飛機(jī)總體設(shè)計(jì)組把這些三維模型綜合起來，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整并擴(kuò)充一些新內(nèi)容，也即進(jìn)行初步的數(shù)字預(yù)裝配（Digital Preassembly），同時(shí)飛機(jī)氣動(dòng)組開發(fā)出飛機(jī)的氣動(dòng)外形，

11、利用 CATIA系統(tǒng)的曲面造型功能描述飛機(jī)的最終外形定義，并把它存儲(chǔ)起來。3.2. 建立數(shù)字樣機(jī)與數(shù)字化預(yù)裝配 DPA（Digital Preassembly） 通常的一級(jí)和二級(jí)實(shí)物樣機(jī)被在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的數(shù)字化模擬預(yù)裝配所替代。一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)樣機(jī)的術(shù)語是代表按通常標(biāo)準(zhǔn)劃分的設(shè)計(jì)過程不同的階段。1） 第一階段數(shù)字化預(yù)裝配（一級(jí)數(shù)字樣機(jī)），它建立了零部件的基本形狀、包容空間并協(xié)調(diào)各工程設(shè)計(jì)組之間的空間位置安排的飛機(jī)空間定義。用來支持所謂的“初步結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)界面定義”的飛機(jī)設(shè)計(jì)里程碑。2） 第二階段數(shù)字化預(yù)裝配（二級(jí)數(shù)字樣機(jī)），在生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)集（Data sets）發(fā)放前，為工程部門用來進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)

12、品開發(fā)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)構(gòu)形等。這階段 DPA工作進(jìn)展主要體現(xiàn)在，為飛機(jī)的可達(dá)性，可維護(hù)性、可服務(wù)性、足夠的可靠性、價(jià)值工程、人機(jī)工程以及支持裝備的兼容性等進(jìn)行了盡可能的詳細(xì)設(shè)計(jì)，但尚未進(jìn)行詳細(xì)的裝配和安裝設(shè)計(jì)。3） 第三階段數(shù)字化預(yù)裝配（三級(jí)數(shù)字樣機(jī)），是對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)零部件進(jìn)行完整的數(shù)字化預(yù)裝配，諸如有關(guān)飛機(jī)上的管道系統(tǒng)、導(dǎo)線束、控制電纜、絕緣毯、空氣管路、燃油管線、液壓管路、導(dǎo)線夾壓板、角片支架、緊固件和連接孔等制造和安裝的最后計(jì)算機(jī)描述。3.3. 主尺寸表面 MDS（Master Dimension Surfaces） 負(fù)責(zé)飛機(jī)氣動(dòng)部門的技術(shù)人員，對(duì)氣動(dòng)布局、氣動(dòng)性能、穩(wěn)定性和可控制性研究后，確定

13、了飛機(jī)的最終氣動(dòng)性能，如飛機(jī)性能、飛行速度和航程、飛機(jī)的有效載荷、飛行性能和控制系統(tǒng)要求等，并確定了飛機(jī)的氣動(dòng)外形（包括翼型形狀，整個(gè)機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的外形）。3.4. 幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件表生成此階段的所有零組件都應(yīng)構(gòu)造成精確的三維實(shí)體模型（見圖 6.46） 。但是也應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平、設(shè)備能力和設(shè)計(jì)周期等條件，在協(xié)同設(shè)計(jì)組成員間進(jìn)行協(xié)商，是否對(duì)全部零組件都要設(shè)計(jì)到每個(gè)細(xì)節(jié)。把這些零組件的實(shí)體模型再進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)字預(yù)裝配，進(jìn)行零件對(duì)零件和零件對(duì)工裝的設(shè)計(jì)集成，檢查所有零組件配合情況，進(jìn)行重量分析，維護(hù)的可達(dá)性檢查，有無異常情況，是否滿足功能需要等。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮到所有系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)中的

14、貫穿情況，有無干涉和留有一定必要間隙，連接件的位置，支架分布和過渡表面等多種情況。再由三維實(shí)體模型生成二維的工程圖紙，標(biāo)注尺寸和公差等，構(gòu)成唯一的授權(quán)數(shù)據(jù)集（Data sets）。3.5. 工裝設(shè)計(jì)流程在工藝設(shè)計(jì)工作完成裝配單元?jiǎng)澐峙c確定結(jié)構(gòu)定位要求時(shí)，工藝裝備工程部門結(jié)合裝配工藝方案，啟動(dòng)工藝裝備設(shè)計(jì)過程。在開始工藝裝備設(shè)計(jì)時(shí)，是與制造工程部門一起來共同確定重要定義表面和尺寸(包括零部件發(fā)放以前標(biāo)識(shí)的關(guān)鍵特性)，制定各類工藝裝備的基本方案;同時(shí)，依據(jù)預(yù)發(fā)放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與工藝方案信息，進(jìn)行工裝骨架的設(shè)計(jì)及定位器的初步設(shè)計(jì);當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程結(jié)束并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)正式發(fā)放后，完善定位器的設(shè)計(jì)。工裝的整個(gè)

15、協(xié)同設(shè)計(jì)過程如圖表2所示。圖表 24. 飛機(jī)的多場所數(shù)字化設(shè)計(jì)制造（以空客A380為例）空中客車公司擁有35年設(shè)計(jì)和建造飛機(jī)的歷史。A380的建造當(dāng)中，將多場所數(shù)字化制造工藝向前推進(jìn)了一大步。4.1. A380的多場所協(xié)同制造過程空中客車公司在歐洲各地新修建了采用最現(xiàn)代化制造工具和技術(shù)的工廠。這些工廠以近似同步化的方式生產(chǎn)A380的各個(gè)部件并將之裝配在一起。在英國威爾士的布勞頓，組裝機(jī)翼的各個(gè)部件，組裝完畢的機(jī)翼將由駁船運(yùn)往莫斯廷，再從那里經(jīng)特制的滾裝船運(yùn)往圖盧茲。在德國漢堡，裝配并安裝組件與前機(jī)身的后段和后機(jī)身的基本飛行系統(tǒng)。在德國施泰德裝配垂直尾翼。在西班牙雷亞爾港的工廠制造配備有方向舵的

16、垂直尾翼，裝配完畢后運(yùn)往圖盧茲。在德國漢堡組裝的機(jī)身部分運(yùn)往威爾士的莫斯廷，在那里裝載上一對(duì)機(jī)翼后，再運(yùn)往法國的圣南澤爾。在圣南澤爾，將前機(jī)身的前段組裝起來并與來自漢堡的前機(jī)身后段裝配在一起。此外，還將組裝在法國南特建造的、經(jīng)陸路運(yùn)至圣納澤爾的A380全復(fù)合材料制成的中翼盒以及在西班牙雷亞爾港的制造的中機(jī)身腹部整流罩。包含有駕駛艙在內(nèi)的機(jī)頭的兩個(gè)部件在法國米勞特制造，并經(jīng)陸路運(yùn)至圣南澤爾。組裝完畢的機(jī)身部分將運(yùn)往波亞克河的渡口。在西班牙格塔費(fèi)制造的水平尾翼已經(jīng)運(yùn)抵那里。之后，將這些飛機(jī)部件運(yùn)往圖盧茲。至此，所有的部件集中完畢，開始組裝，進(jìn)行飛行設(shè)備和系統(tǒng)的安裝和調(diào)試工作。經(jīng)過一系列測試后，A380將飛往漢堡完成內(nèi)飾和噴漆工作，之后在漢堡或圖盧茲交付客戶。4.2. A380的數(shù)字化協(xié)同研制空中客車公司在其A380客機(jī)的研制中也采用數(shù)字化協(xié)同研制技術(shù)，聯(lián)合英國、法國、德國以及西班牙等國家進(jìn)行多企業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)制造，依托數(shù)字化協(xié)同平臺(tái)，對(duì)原有的設(shè)計(jì)制造流程大規(guī)模重組，采用并行和協(xié)同的工作流程進(jìn)行新產(chǎn)品的聯(lián)合協(xié)作研制，縮短了研制周期，大大提高了其產(chǎn)品在國際市場上的競爭能力。如：空客公司為了加工A380的機(jī)翼專門選擇了加拿大造的兩臺(tái)特大高速龍門銑床，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化整體壁板加工。參考文獻(xiàn)：1 付廣磊.飛機(jī)主機(jī)廠所協(xié)同研