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

1、航空制造工程概論課程報告得分：班級學(xué) 號姓 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)計制造對航空產(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)機制。分析了傳統(tǒng)飛機制造模式和現(xiàn)代先進航空數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)，以及傳統(tǒng)制造過程向先進航空制造技術(shù)轉(zhuǎn)變過程。提出分析了數(shù)字化設(shè)計制造方案。以空中客車公司的A380客機為例，說明了多廠所協(xié)同制造過程和數(shù)字化設(shè)計制造對企業(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)計在整個飛機制造行業(yè)起到了非常重要的作用，在將來會有越來越廣泛的應(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)計制造 空客A380引言：現(xiàn)代飛機制造具有氣動外形要求嚴格、設(shè)計更改頻繁、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。因此飛機的研制過程是一個復(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。異地設(shè)計、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，隨著計算機技術(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)的飛機制造技術(shù)發(fā)生了根本性變革，數(shù)字化設(shè)計制造逐漸被應(yīng)用到飛機的整體、部件和零件的設(shè)計和制造中。在新飛機研制過程中，已經(jīng)廣泛應(yīng)用CAD/CAM/CA

3、E等基本單元技術(shù)，使得飛機產(chǎn)品設(shè)計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)機制1.1. 多場所協(xié)同研制模式分析現(xiàn)代飛機制造業(yè)是一個龐大的系統(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、協(xié)同制造、協(xié)同設(shè)計與制造。1.1.1. 協(xié)同設(shè)計在飛機設(shè)計過程中，各部件設(shè)計所由主設(shè)計所組織協(xié)調(diào)，以共享的設(shè)計數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，進行交互協(xié)作。由于現(xiàn)代飛機設(shè)計制造由多個單位合作完成，設(shè)計過程具有很長的周期，是一個分階段不斷迭代的過程，同時也是建立在基于Internet廣域網(wǎng)環(huán)境的分布式的異地協(xié)同設(shè)計，各設(shè)計所間要進行頻繁的設(shè)計交

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，實現(xiàn)制造資源的共享和各分廠間有效的協(xié)同，對于提高資源利用率，縮短生產(chǎn)交付的周期，提高整個航空產(chǎn)品開發(fā)研制的敏捷化都有舉足輕重的作用。在飛機制造過程中，總裝廠負責(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，實現(xiàn)各分廠供應(yīng)鏈的協(xié)同，實現(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，實現(xiàn)航空制造的采購和外協(xié)有效進行。1.1.3. 設(shè)計與制造協(xié)同部件設(shè)計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，制造廠還負責(zé)對設(shè)計部門的設(shè)計更改信息進行及時地響應(yīng).設(shè)計制造的協(xié)同橫跨產(chǎn)品全生命周期的兩個階段，設(shè)計所和制造廠間交互的信息盆巨大，同時涉及到設(shè)計更改的問題，因此必須建立設(shè)計制造協(xié)同平臺，以實現(xiàn)設(shè)計和制造部門的交互。以型號項目為中心的多企業(yè)協(xié)同研制的組織結(jié)構(gòu)包括頂層的整個型號的事業(yè)部，下級包括主管設(shè)計的主設(shè)計所和主管制造的總裝廠。主設(shè)計所下包括眾多分設(shè)計所負責(zé)部件設(shè)計，總裝廠下由部件制造廠負責(zé)零部件制造。部件設(shè)計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)機制協(xié)同的核心在于解決沖突，多廠所分布式協(xié)同計劃模式

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、協(xié)同制造、協(xié)同設(shè)計與制造中均存在沖突。針對沖突，擬采用沖突預(yù)消解、消解、協(xié)商和仲裁四步消解邏輯進行。1) 預(yù)消解。在問題定義階段和方案設(shè)計階段發(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，及時運用知識、工具等資源予以解決，對不能解決的問題，轉(zhuǎn)入第三方進行協(xié)商。3) 協(xié)商。對于問題求解者無法解決的沖突，與本方其他求解者進行協(xié)商。4) 仲裁。當對沖突無法達成一致協(xié)議，提請權(quán)威機構(gòu)進行仲裁，仲裁后要求申請者執(zhí)行相關(guān)決議。2. 傳統(tǒng)制造過程向先進航空制造技術(shù)轉(zhuǎn)變過程2.1. 傳統(tǒng)飛機制造模式飛行器

7、產(chǎn)品的制造過程實質(zhì)上是一個產(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)計文件、圖紙模線樣板標準樣件各類成形模具、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)計數(shù)據(jù)或信息，通過數(shù)十萬件的標準工藝裝備和生產(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。最初采用計算機對飛機外形建立數(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)代先進航空數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)近幾十年來，計算機技術(shù)（或稱數(shù)字化技術(shù)）的飛速發(fā)展，硬件平臺的價格性能比日趨低廉，CAD/CAPP/CAM 技術(shù)運用日趨普及，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，使飛機的無紙異地設(shè)計制造得以真正實現(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)計制造技術(shù)將使設(shè)計與制造、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，飛機的性能和質(zhì)量將進一步提高，從整體上提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，增強企業(yè)的競爭能力。這一技術(shù)的進一步發(fā)展，將使飛機設(shè)計制造的技術(shù)人員，不僅在虛擬環(huán)境中制造飛機，而且在虛擬環(huán)境中試驗飛機性能的日子也為期不遠。飛行器數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)大體上經(jīng)歷了如圖表1所示的幾個階段：圖表 13. 數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)方案3.1. 建立飛機內(nèi)部輪廓數(shù)字模型 DIP（Digital Inboard Profile） 飛機產(chǎn)品工程設(shè)計從公司的銷售和市場部門獲取的用戶需求開始，飛機總體設(shè)計組經(jīng)過對飛機的航程、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)，建立飛機總體定義，它包括飛機的描述文檔、三面圖、外形氣動布局和飛機內(nèi)部輪廓圖（Inboard Profile)。飛機內(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)計人員把它建成三維實體模型（在 CATIA 系統(tǒng)上）。這個三維數(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)造成三維實體模型，由飛機總體設(shè)計組把這些三維模型綜合起來，進行適當調(diào)整并擴充一些新內(nèi)容，也即進行初步的數(shù)字預(yù)裝配（Digital Preassembly），同時飛機氣動組開發(fā)出飛機的氣動外形，

11、利用 CATIA系統(tǒng)的曲面造型功能描述飛機的最終外形定義，并把它存儲起來。3.2. 建立數(shù)字樣機與數(shù)字化預(yù)裝配 DPA（Digital Preassembly） 通常的一級和二級實物樣機被在計算機上進行的數(shù)字化模擬預(yù)裝配所替代。一級、二級和三級樣機的術(shù)語是代表按通常標準劃分的設(shè)計過程不同的階段。1） 第一階段數(shù)字化預(yù)裝配（一級數(shù)字樣機），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)計組之間的空間位置安排的飛機空間定義。用來支持所謂的“初步結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)界面定義”的飛機設(shè)計里程碑。2） 第二階段數(shù)字化預(yù)裝配（二級數(shù)字樣機），在生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)集（Data sets）發(fā)放前，為工程部門用來進一步進行產(chǎn)

12、品開發(fā)、驗證設(shè)計構(gòu)形等。這階段 DPA工作進展主要體現(xiàn)在，為飛機的可達性，可維護性、可服務(wù)性、足夠的可靠性、價值工程、人機工程以及支持裝備的兼容性等進行了盡可能的詳細設(shè)計，但尚未進行詳細的裝配和安裝設(shè)計。3） 第三階段數(shù)字化預(yù)裝配（三級數(shù)字樣機），是對詳細設(shè)計零部件進行完整的數(shù)字化預(yù)裝配，諸如有關(guān)飛機上的管道系統(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算機描述。3.3. 主尺寸表面 MDS（Master Dimension Surfaces） 負責(zé)飛機氣動部門的技術(shù)人員，對氣動布局、氣動性能、穩(wěn)定性和可控制性研究后，確定

13、了飛機的最終氣動性能，如飛機性能、飛行速度和航程、飛機的有效載荷、飛行性能和控制系統(tǒng)要求等，并確定了飛機的氣動外形（包括翼型形狀，整個機翼和發(fā)動機短艙的外形）。3.4. 幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件表生成此階段的所有零組件都應(yīng)構(gòu)造成精確的三維實體模型（見圖 6.46） 。但是也應(yīng)根據(jù)當時的技術(shù)水平、設(shè)備能力和設(shè)計周期等條件，在協(xié)同設(shè)計組成員間進行協(xié)商，是否對全部零組件都要設(shè)計到每個細節(jié)。把這些零組件的實體模型再進一步進行數(shù)字預(yù)裝配，進行零件對零件和零件對工裝的設(shè)計集成，檢查所有零組件配合情況，進行重量分析，維護的可達性檢查，有無異常情況，是否滿足功能需要等。同時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員還應(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。再由三維實體模型生成二維的工程圖紙，標注尺寸和公差等，構(gòu)成唯一的授權(quán)數(shù)據(jù)集（Data sets）。3.5. 工裝設(shè)計流程在工藝設(shè)計工作完成裝配單元劃分與確定結(jié)構(gòu)定位要求時，工藝裝備工程部門結(jié)合裝配工藝方案，啟動工藝裝備設(shè)計過程。在開始工藝裝備設(shè)計時，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)放以前標識的關(guān)鍵特性)，制定各類工藝裝備的基本方案;同時，依據(jù)預(yù)發(fā)放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與工藝方案信息，進行工裝骨架的設(shè)計及定位器的初步設(shè)計;當產(chǎn)品設(shè)計過程結(jié)束并在產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)正式發(fā)放后，完善定位器的設(shè)計。工裝的整個

15、協(xié)同設(shè)計過程如圖表2所示。圖表 24. 飛機的多場所數(shù)字化設(shè)計制造（以空客A380為例）空中客車公司擁有35年設(shè)計和建造飛機的歷史。A380的建造當中，將多場所數(shù)字化制造工藝向前推進了一大步。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的各個部件并將之裝配在一起。在英國威爾士的布勞頓，組裝機翼的各個部件，組裝完畢的機翼將由駁船運往莫斯廷，再從那里經(jīng)特制的滾裝船運往圖盧茲。在德國漢堡，裝配并安裝組件與前機身的后段和后機身的基本飛行系統(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，裝配完畢后運往圖盧茲。在德國漢堡組裝的機身部分運往威爾士的莫斯廷，在那里裝載上一對機翼后，再運往法國的圣南澤爾。在圣南澤爾，將前機身的前段組裝起來并與來自漢堡的前機身后段裝配在一起。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身腹部整流罩。包含有駕駛艙在內(nèi)的機頭的兩個部件在法國米勞特制造，并經(jīng)陸路運至圣南澤爾。組裝完畢的機身部分將運往波亞克河的渡口。在西班牙格塔費制造的水平尾翼已經(jīng)運抵那里。之后，將這些飛機部件運往圖盧茲。至此，所有的部件集中完畢，開始組裝，進行飛行設(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行多企業(yè)的協(xié)同設(shè)計制造，依托數(shù)字化協(xié)同平臺，對原有的設(shè)計制造流程大規(guī)模重組，采用并行和協(xié)同的工作流程進行新產(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的機翼專門選擇了加拿大造的兩臺特大高速龍門銑床，用于實現(xiàn)數(shù)字化整體壁板加工。參考文獻：1 付廣磊.飛機主機廠所協(xié)同研