1、数字化设计制造技术基础作业航空航天产品数字化研制体系及其研制流程构建学 校 ：南昌航空大学学生姓名 ： 唐海峤学 号 ： 13032315任课教师 ： 朱永国2016 年 5月目 录引言 11 国际航空数字化起源及发展 11.1 工程背景 11.2 工程现状 21.3 关键技术 31.4 总体趋势 42 我国航空数字化现状 43 航空制造业数字化总体框架研究 63.1 总体框架设计要求 63.2 数字化框架组成 73.3 基础环境 83.4 总体框架工作机制 94 数字化制造关键技术 104.1 工艺设计及仿真 104.2 工艺管理 14 4.3 数字化制造的价值 175 飞机数字化装配技术
2、196 数字化工厂 207 数字化环境下航空装备研制质量管理 218 结束语 22参考文献 230航空航天产品数字化研制及其研制流程构建引言：近年来我国国地位不断提升，取得了举世瞩目的成就，2020 年我国即将实现第一个百年目标实现小康社会，不久我国将超越美国成为全球第一大经济体，2050 年我国或将全面超越美国。但是实现这些目标作为制造业压力巨大。尤其是以航空航天为代表的高端制造业，更是不能松懈，改革开放以来，虽然我国制造业创造了许多辉煌，但是我们必须看到，我们的制造业还处在低端的位置，很多方面都不及西方发达国家，整体上大而不强，没有核心技术，但这是因为近百年来，中国落后西方工业革命几百年，
3、我们用几十年来补习我们百年来的欠账，现在，制造业与计算机技术与互联网刚刚开始交互，我们同主要的西方大国几乎同时起步，美国提出的再工业化，德国的工业 4.0，我国的中国制造 2025，这些全新的战略，是我们制造业的机遇也是挑战，其中很重要的一环就是数字化。所以，本篇由国际说起，主要说明我国航空航天产品数字化研制及其研制流程构建。1.国际航空数字化的发展1.1.工程背景：随着信息技术的迅速发展及其与制造的融合，航空制造日益走向数字化。数字化已经渗透到产品研制的设计、制造、试验和管理的全过程中，出现了飞机产品数字化定义、虚拟制造、仿真等单元技术。采用数字化设计制造集成技术是保证飞机快速研制的必要手段
4、。美国联合攻击战斗机(J SF) 是体现数字化设计制造技术应用水平的典型实例,证明了数字化设计制造技术在提高飞机产品质量、缩短研制周期方面至关重要的作用和地位。中国航空工业第一集团公司为了完成信息化建设,迎接国际航空市场激烈的竞争和挑战,提出了基于信息技术、实现跨越式发展的战略构想。数字化产品定义技术面向从设计、分析、制造、装配到维护、销售、服务等全生命周期的各个环节，用于描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含的信息，及信息间的关联关系，使其成为计算机中可实现、可管理和可使用的信息。1产品设计所产生的信息是产品整个开发周期中的源头信息，支持产品开发后续阶段的顺利进行。因此，开发一个高效
5、的产品设计方案是制造业中倍受关注的问题之一。数字化产品开发(DPD) 是在产品设计和工艺规划阶段采用数字化手段,以产品- 过程- 资源( Product- Process - Resource ,PPR) 核心模型建模为基础,以数字化研制过程的标准规范为保障,通过产品和研制过程信息及其关联的数字化描述、共享和集成实现产品快速研制的应用技术。应用 DPD 技术是实现大型复杂装备系统快速研制的发展趋势。1.2.工程现状：数字化设计与制造技术是在 80 年代法国达索公司开发的航空工业标准CATIA 软件系统后，不断丰富它的功能模块及其兼容性而发展起来的。于 1990年在“隼 2000“的设计中首次采
6、用，制造了数字样机，从而取消了所有实物样机；1993 年，“阵风“项目全盘数字化，产品全寿命过程均可共享全部数据。数字化技术发展获得巨大进展是在 1990 年以美国波音公司为代表率先开展了全数字化设计技术研究，在计算机软硬件的准备工作上，他们选用了功能强大的 CATIA软件系统，同时配置了 2000 多台工作站，并与 8 台主机联网，使参与飞机研制的全部工作人员以及用户和零件供应商都具有数据信息共享的良好条件。之后在 B767-X 的设计上用 CATIA 系统对全部零件进行三维数字化设计，数字化预装配和并行进行结构的详细设计、系统安排、分析计算、工艺规划和工装设计等工作。在企业管理方面进行资源
7、重组、过程重组和产品重组，使飞机设计和制造从观念到技术上实现新的飞跃。在此基础上研制生产出了世界上最先进的波音 777 飞机，研制周期缩短 1/3，成本降低 1/4，从而使全数字技术成为世界各航空企业竞争的手段。国外的航空产品数字化设计、制造技术也是随着信息技术、网络技术、CAD/CAE/CAM 等技术的发展而逐渐形成。它是以产品数字化定义、并行工程、知识工程、试验仿真、虚拟制造等技术为主要标志，从根本上改变了传统的工作模式、方法和手段。而且，随着产品制造模式的变化，产品的管理模式也随之发生了变革。著名的联合攻击战斗机JSF项目通过建立基于协同平台的全球化虚拟企业，覆盖飞机全生命周期全面采用数
8、字化技术，使飞机设计时间减少50%，工装减少290%，总装工装减少95%，零部件数量减少50%，制造周期缩短67%，制造成本降低50%，使用维护成本降低50%。欧洲以及巴西等航空制造业比较发达的地区或国家的产品数字化制造管理变革也基本经过了这种变革的过程。1.3.关键技术：采用数字化技术的主要效益：显著改善产品质量，提高可靠性、可维护性；减少设计错误、返工和不协调造成的设计更改; 改善零件间的协调性，减少零件间的干涉; 加快设计迭代速度，优化设计; 提高产品文档质量; 缩短新机研制周期，减少新机的研制成本等。在飞机研制中采用数字化设计制造技术，贯穿寿命周期的几项关键技术包括：1、三维数字化设计
9、技术飞机产品工程设计从销售和市场获取的用户需求开始，飞机总体设计组经过对飞机的航程、所需燃油、载客量、总体性能及制造成本等分析后得出的数据作为进行初步产品数字建模的依据。2、应用数字化预装配技术（DPA）数字化预装配技术是在计算机上进行零件造型和装配的一个过程，达到在零件进行加工前就进行配合检查的目的。它的成功依赖于零件设计的彼此共享。它的使用将降低由于工程错误和返工等带来的设计更改成本。3、应用设计制造的并行工程技术设计制造的并行工程技术包括产品各部分的同时设计和综合，以及有关工程、制造和支持相关性协调的处理。这一技术的应用会使开发人员从一开始就能考虑到产品寿命期内的所有环节，即从项目规划到
10、产品交付的有关质量、成本、周期和用户要求等。在公司组成集成产品集成设计组（IPT）进行并行产品定义工作，其成员包括结构、重量、分析、动力、载荷、电子、液压、工装、飞行控制、绘图、财务、支持、顾客服务、质量保证等部门人员，这些人员是各功能部门全权代表，随着工作进程成员应作适当调整。4、全面的产品数据管理(PDM)技术研究产品数据管理是管理、存取和控制与企业产品所有相关数据的系统，其中包括产品寿命期的所有数据。产品数据管理是面向目标的数据库，除数据外，3还可管理产品开发过程，如工程图纸信息、设计审批过程、产品零部件结构和材料标准等。5、统一产品数据表达和交换技术建立全数字化模型后会出现各类软件和系
11、统，这些软件当时开发时没有统一的规划和总体设计，不仅难以集成，而且信息难以交换，甚至有些是相互制约的。因此，在初期对产品数据表达和交换技术进行统一是很有必要的。6、全数字化环境与协同工作技术每个飞机制造公司都应有自己的成套计算机系统、由软件和硬件组成的若干个功能模块、制造装配工艺系统、进度计划系统、订单系统、库存管理和零件短缺处理和跟踪系统等。但只有对产品进行全数字化定义后，这些内容和结构各不相同的子系统才有可能集成在一起，组成一个庞大和统一的计算机系统。该系统的数据来源应是由设计、制造、材料、财务和有关工作人员一起共同开发的产品结构数据、制造工程数据、工装工程数据、财务和一些其他计划表等。由
12、这些数据进一步生成详细的零部件结构、制造方法、工艺规范以及有关材料参考等多项信息，这些信息应分别存储在一个 CAD 系统模型的不同层上，包含在数据集中。值得注意的是每个数据集中的内容格式应是标准的,是唯一零部件几何定义授权。最终形成飞机全数字化设计与制造集成系统。1.4.总体趋势：数字化技术虽然是一项新兴的技术，但是随着计算机技术和网络技术的飞速发展，数字化技术的应用已经深入到飞机全寿命周期和各个环节，并且还有进一步发展的势头，这主要是因为它对国防工业的武器生产起着关键作用，它包括了生产过程中所有的资源和过程，从根本上减少了资金、时间和劳动力及劳动强度，而成本和时间又是企业致胜的法宝。现在世界
13、级的企业都在发展快速反应、经济可承受制造技术，而全机数字化设计与制造技术是这一技术发展不可缺少的支撑技术。2.我国航空数字化现状国内航空武器装备制造业从70 年代开始应用数字化技术，经过近30年的努力取得了显著成效，在产品设计、制造、管理的各个环节已广泛应用数字化技术，各种诸如CAD、CAPP、CAM、PDM和ERP 等单项技术与系统的应用比较普及，4产品研制周期明显缩短，设计制造质量显著提高。第一，在产品研制改型中已应用数字样机技术，建立全机、部件数字样机。重点在详细设计阶段进行结构件和部分系统件的三维数字建模、预装配、干涉检查与运动模拟。严格地讲，目前的数字样机技术仅仅是设计阶段的局部应用
14、，还不是真正意义上的以数字样机为核心的产品研制。尽管如此，通过采用数字化技术、建立数字样机，还是取得了显著效果。第二，在数字化制造上，采用了特种工艺数值模拟与仿真。第三，在数字化管理上，绝大多数飞机制造企业引进了产品数据管理（PDM）软件和企业资源计划（ERP）管理软件。部分企业还制定了数字化设计/ 制造管理标准。第四，在数字化技术推广应用过程中，各航空企业对数字化设备均有着较大的投入，从整个行业来看，数字化类固定资产已占到固定资产原值的三分之一以上；工作站、服务器已达几千台；CAD等各类软件已达两千套；数控设备五百余台；产品数据管理（PDM）终端用户超过500个。虽然我国航空工业已经在数字化
15、方面取得了一定的成就，但仍存在如下三点不足：第一，目前国内还只是把数字化技术应用到现有工作和环节中，仅是简单地缩短周期和提高效率，没有改变传统的设计/ 制造/ 试验/ 管理的模式、方法、手段，更没有改变流程和生产组织。第二，在国内，比较明显的是，各个航空制造企业在数字化制造上，更偏重数字化制造硬件投资和数字化制造技术的获取，而对数字化制造管理不够重视。第三，与无纸化生产、大幅度减少不增值的重复性工作相比，大幅度减少工装、资源共享和优化劳动生产组织等的数字化制造应用效果还有较大差距。面对这些不足之处，我国航空企业应该建立新的数字化制造管理模式，实现航空武器装备制造业数字化技术应用水平跨越式地提升
16、。第一，并行工程和协同理论，调整组织结构，建立符合航空武器装备的数字化制造需要的组织形式。第二，实现飞机数字化制造管理中多系统间的集成，达到信息的集成，过5程的集成，资源共享。第三，建立单一数据源体系，形成支持数字化制造的产品数据。第四，依据数字化制造的需要，运用供应链理论，优化企业内外部资源优化配置。我国的航空制造业数字化经过多年的发展，取得了一定的成效，在产品的三维数字化设计、数字样机应用、工装数字化定义、预装配、主要零件的数控加工，产品数字仿真与试验、工艺数值模拟与仿真、产品数据和制造过程管理等方面有了较深入的应用，但是，我们也应清醒地认识到，产品全生命周期的信息通道尚未打通，数字化工程
17、体系还未形成，数字化技术的巨大效能远未发挥。与发达国家相比我们还存在巨大差距，尽管我们在航空制造业实施了并行工程，但仍然停留在以产品为中心的产品研制理念，而发达国家已经转向以客户为中心的产品研制理念，即产品研制过程中，产品的目标从（可）制造性向服务性转化，采用面向产品全生命周期的管理模式。美国对于高风险的大型武器装备的研制，率先采用一体化产品与过程设计模式，将系统工程方法和新的质量工程方法相结合，并应用一系列决策支持过程，在计算机综合环境中集成，有效控制了产品的质量和风险。著名的 JSF 项目（新一代联合攻击战斗机）的研制，完全建立在网络化环境上，采用数字化企业集成技术，联合美国、英国、荷兰、
18、丹麦、挪威、加拿大、意大利、新加坡、土耳其和以色列等几十个航空关联企业，提出“从设计到飞行全面数字化”的产品研制模式，用强势联合体来化解风险。目前，国家正在大力推进制造业的数字化。制造业企业急需从战略的高度，构造面向产品全生命周期的、支持跨企业联合的数字化工程体系。本文根据相关的研究和实践，总结多年的应用成果，以航空制造业为背景，提出制造业数字化的总体框架，给制造业数字化应用平台的建设提供参考。3.航空制造业数字化总体框架研究3.1.总体框架设计要求面对竞争激烈的市场大环境，制造业的唯一出路是在最短的时间内以最有效的方式生产出最能满足客户需要的产品。制造业企业间既有竞争又有联合，只有发挥各自的
19、技术和资源优势，才能降低成本，分摊风险，共享市场。构建6数字化工程体系是达到以上目的最有效的方法和手段。数字化工程体系的核心是信息共享和过程管理，因此，制造业数字化工程的总体框架必须能实现制造业企业内部和企业间的信息共享和过程控制。产品数据信息和产品生命周期相关的其他信息在各企业、各部门、各专业之间的顺畅流转，是产品研制顺利进行的重要保障。总体框架的设计要有利于实施全生命周期的产品数据管理，实现单一产品数据源，打通企业间的信息流。过程管理的内涵是面向产品的管理，而不是面向企业（或组织）的管理。它需要数字化体系能够把设计、试验和制造部门与客户、供应商、协作单位联系起来，采用 IPT 组织的方法，
20、优化产品研制流程，达到控制成本、降低风险、缩短产品研制周期的目标。针对当今信息化技术的快速发展，要求制造业数字化体系能够支持企业业务变更的需求，支持流程再造和组织重构的要求，满足通用性和专业性的要求。3.2 数字化框架组成3.2.1 数字样机系统数字样机是产品的数字化描述，贯穿于产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是工程设计、功能分析、试验仿真、加工制造、直至产品售后服务等的信息交换媒介。随着产品研制的不断深入，数字样机由表及里，由粗到细，成熟度不断增长。数字样机系统生成了数字样机，也提供了对数字样机进行分析、评估、仿真等功能。3.2.2 产品数据管理系统产品数据管理系统管理并维护与产品相关
21、的所有工程数据，包括产品的几何模型、说明性文档、技术状态数据等，产品数据管理同时也管理与维护产品数据间的关联信息，如产品结构、构型、版本等信息。73.2.3 工程协同系统工程协同系统是由数字化设计系统、数字化试验系统、数字化制造系统等业务系统所组成的集合，从信息化的意义上来说，业务系统就是使能工具。工程协同系统是工程数据的主要生成源，各个业务系统通过数字样机进行数据交换。该系统包括：（1）数字化设计系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业业务软件，包含产品设计的各种专业软件和工具，专业仿真软件工具，设计评估工具等。（2）数字化试验系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业试验系统包括：数
22、字化强度试验、飞控试验、系统试验、电气试验、航电武器试验、地面联合试验等试验业务系统。（3）数字化制造系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业制造系统，包括：数控加工系统、数字化复合材料生产线、数字化钣金生产线、数字化切削生产线、数字化工装生产线、数字化焊接生产线、数字化电缆管线生产线等制造业务系统。（4）数据转换接口：业务系统之间的数据格式转换接口。3.2.4 工程过程控制系统工程过程控制系统包括基于数字样机的并行过程控制系统和项目管理系统。并行过程控制系统实现了设计、试验、制造等业务系统的过程集成。并行过程控制系统确定了一个任务应涉及哪些业务系统，并通过控制数字样机的成熟度，确定业务系统是否启用，是否能够访问数字样机，同时并行过程控制系统也监视业务系统的状态，从而使之围绕特定任务协调有序地运行。项目管理系统完成项目任务的计划、资源调配、IPT 组织管理、进度和质量监控等管理控制过程。3.2.5 工程支持系统工程支持系统主要向工程协同系统提供工程过程中所需的支持信息，包括
