先进教练机三维工艺设计平台架构研究

2013-10-11郑堂介贠周会

教练机 2013年3期

郑堂介，贠周会，赵爽，赵毅

（中航工业洪都，江西南昌330024）

0 引言

随着现代飞机技战术指标的不断提高、飞机结构的不断改进，新型材料也得到较多的应用，制造工艺技术取得了长足的进步。三维工艺设计手段在飞机设计领域已有了充分的工程实践，MBD技术也在飞机设计领域得到愈加广泛的应用。因此，构建完整的三维数字化制造体系，实现MBD设计体系中所包含的设计/制造信息向制造领域的传递和贯彻，整合企业现有的各类信息资源，集成企业相对独立的数字化工艺设计子系统，实现先进教练机产品数据的全三维数字量传递，是当前航空训效装备制造企业工艺信息化进程中亟待解决的问题。

1 工艺设计系统发展现状

1.1 国外发展现状

近年来，数字化制造技术发展非常迅速，尤其在飞机产品数字化制造工艺方面最具代表性。发达国家的飞机制造公司一直十分重视数字化制造工艺的研究和应用，其中，美国波音公司和洛克希德·马丁公司，在数字化制造工艺研究和应用方面，一直处于领先地位。

2000年，在洛克希德·马丁公司，联合攻击战斗机JSF项目获得成功。其主要特点是，倡导全球大协作，采用最先进的三维数字化设计制造技术。JSF项目数字化的主要标志：以数字样机为核心的虚拟飞机产品设计，以Internet和协同产品商务系统为平台的虚拟企业。并通过三维制造工艺系统，进行工艺设计、规划、仿真及优化，提早发现产品、工艺、资源设计中存在的不足，缩短了制造周期，节约了成本。JSF的数字化应用代表了航空制造业数字化的第三阶段——虚拟时代。

1.2 国内发展现状

我国三维数字化制造应用起步较晚，但是进展很快，在过去几年中，新型号工程给我国飞机工业数字化带来了新的契机，取得了一些可喜的成绩。部件级的几何样机在设计制造中得到广泛应用，计算分析已全面数字化、制造仿真也在逐步走向数字化。

在航空产品型号研制中，已经形成了100%几何样机，主机制造商的三维数字化工艺设计能力也有大幅度提高。近年来，国内某些航空制造企业采用国外先进的三维制造工艺系统并进行了客户化定制，进行三维制造工艺设计、制造仿真验证及优化、3D AO的生成及发放等，并初步开展了与设计项目管理(DPM)等系统的集成研究工作，实现了某部件的三维数字化虚拟制造，大大缩短了试制周期，提高了制造质量，减少了试制返工，在数字化制造工艺方面取得了一定的成果及进展。

某些飞行训效装备制造企业在数字化工艺设计平台应用方面，在行业中处于较为领先的地位，以某型高级教练机项目为牵引，企业在多年计算机辅助工艺设计系统应用的基础上，开发了基于先进教练机平台的中航CAPP系统，并在公司在研、在产的多个型号研制过程中进行了工程化实施应用。中航CAPP通过系统改进，其优点主要体现在以下四个方面：

1）软件体系架构由CS架构转化为BS架构；

2）在ePDM系统完成工艺分工的制造路线划分和PBOM构建；

3）支持jpg、CATPart、dwg多种图形文件的导入，后台自动转换为指令文档；

4）增强了数据统计、汇总功能，方便管理层及工程技术人员实时掌握工艺设计工作进展及指令归零情况，以便及时处置、应对。

5）与MES结合更紧密，开通了指令目录单功能；

2 工艺设计系统发展中存在的问题及差距

目前国内整个航空产品制造过程基本沿袭了数字量传递与模拟量传递相结合的工作模式，这种模式的不足之处逐渐在新技术新业务的发展过程中凸显出来，主要表现在：

工艺设计过程主要采用计算机辅助工艺过程设计（CAPP）系统进行，但基本上停留在二维产品设计的基础上；虽然某些型号采用了三维数模，但是与CAD系统没有建立紧密的联系；无法将制造工艺过程、制造零件及与制造过程有关的制造资源紧密结合在一起以实现制造过程的仿真；无法在工艺设计环境中进行三维的虚拟工艺验证，零部件能否准确安装，在实际安装过程中是否发生干涉、工艺流程、工序顺序是否合理，制造工艺装备是否满足制造需求，人员技能及制造工具是否达标等一系列问题无法在工艺设计阶段得到有效验证。上述任一环节在实际生产中出现问题都将影响飞机的研制周期，造成费用的损失。

近年来某些飞行训效装备制造企业在数字化工艺设计的部分环节取得了一些技术上的进步，但跟国内外先进航空制造企业相比，主要的差距表现在：

1)三维工艺设计、仿真及优化技术应用水平较低；

2)管理模式与生产方式没有按照数字化技术的发展要求发生实质性的变革；

3)数字化工艺设计、制造基础技术体系还没有建立，相关的规范和标准等尚需完善；

4)现有的中航CAPP/AMES/EPDM系统缺乏三维工艺设计能力；全三维装配过程的工艺设计缺少视频动画及仿真验证的有效支持。

5)飞机钣金件工程设计平台（AMES）的知识库、资源库等新技术没有得到推广应用；

6)企业各数字化工艺设计子系统缺乏有效的集成，工艺信息资源丞待有效整合。

3 三维工艺设计集成系统总体技术方案

3.1 三维数字化工艺设计理论的建立

通过研究基于三维模型的工艺过程表达方式、设计方式、管理方式和应用模式，确定基于三维模型的MBD建模规范，通过基于MBD的三维工艺设计、三维工艺指令的创建、发放及浏览技术、技术状态管理及CAPP/AMES/EPDM多工艺设计系统集成技术和业务流程建模等关键技术的研究，形成三维数字化工艺设计过程集成的理论体系。开发出适应于国内航空制造企业业务需求的三维数字化工艺过程原型系统，并在航空企业具体型号上进行初步应用验证。

3.2 三维工艺设计支持环境的构建

3.2.1 制造过程现场可视化

在现代飞机制造过程中，复杂作业过程在工艺指令中虽使用了大量的冗长文字描述，但仍有可能表述不清，以至引起误读误判，因对指令内容的理解偏差造成的误操作引起的生产事故时有发生，而视频和图像与文字描述相比，符合人类理解客观世界的认知方式，有着天生的优越性，它逼真的显现了现实的操作过程，现场工人一看便知，对指令的误读率几乎为零。通过在装配作业现场应用基于3D VIA Composer的三维数模轻量化视频演示，使用数字化装配工艺模拟技术满足零部件精确定位的要求；在复杂零件加工方面，通过在指令工序中添加零件制造模型（亦称多态模型）可以清晰的展现零件的加工全过程。图1为飞机部件装配过程视频演示截图。

图1 飞机部件装配过程视频演示截图

3.2.2 制造过程仿真

作为三维工艺设计过程的重要组成环节，通过基于三维模型的制造过程仿真系统的开发与应用，实现基于三维模型的结构化工艺过程仿真。对零件、组件、部件组成的制造单元进行可制造性、可装配性分析，检查结构设计的合理性；在零件工艺设计阶段，通过有限元分析软件（如ABAQUS）对零件成形过程进行分析；在部件装配工艺设计阶段，运用DELMIA软件的DPE模块辅助装配工艺的三维设计、BOM管理，借助DELMIA的DPM模块对装配过程进行仿真与优化。某新型教练机部件装配过程仿真如图2所示。

图2 某新型教练机部件装配过程仿真

3.2.3 三维工艺设计数据库的建立

得益于企业在钣金件数字化制造技术方面的技术积累，借助其工艺数据库研究新技术，构建三维工艺设计数据库支撑体系，包括：典型部件装配专家知识模型、典型工艺知识库、典型资源库等。实现对工艺参数、工艺知识的管理和利用，增强知识积累和知识重用技术的应用，优化工艺设计过程，提高工艺设计质量。重点研究工艺参数库、工艺知识库的组织及管理方法，规范工艺资源模型数据信息，建立典型工艺设计过程模板，补充到工艺知识库中，使企业的工艺经验和知识得到优化与重用。

3.2.4 三维工艺设计过程模型构建与优化

为满足先进教练机型号研制过程中三维全数字工艺设计的要求，满足对产品相关的数据、过程、资源的统一管理，基于单一数据源，以全数字量传递为手段，以数据流为导向，分析企业现有的工艺设计业务流程模型，基于企业在工艺设计方面的知识积累与创新，构建产品三维制造工艺信息流程模型，如图3所示。以产品三维工艺设计为基线，充分考虑企业业务实际，对产品制造工艺过程模型进行完善与优化，为打造全新的企业三维工艺设计集成平台做好准备。

3.3 三维工艺设计平台集成

在三维工艺设计平台集成方面，本着最大限度利用企业现有资源（软硬件平台、人力资源、信息资源）的原则，从全局的角度对企业工艺设计系统进行规划，在保证各部门现有产品数据可用的前提下，实现企业制造数据的统一规范管理；着手部门数据字典转换、进行统一编码；开发、开放各部门制造数据传递通道，整合企业各类工艺资源，确保三维工艺设计系统中上、下游数据传输流畅，实时交互，实现三维工艺设计过程中设计—仿真—制造的企业闭环。打造一体化的企业级的三维工艺设计平台，如图4所示。