多厂所协同的航空数字化制造系统分析与设计

1、航空制造工程概论课程报告得分：班级学 号姓 名日期多厂所协同的航空数字化制造系统分析与设计摘要：本文从多厂所协同的数字化制造系统解释了数字化协同设计制造对航空产业的作用与影响，提出并分析了多厂所协同的企业组织模式和各种企业组织形式之间的协调机制。分析了传统飞机制造模式和现代先进航空数字化设计制造技术，以及传统制造过程向先进航空制造技术转变过程。提出分析了数字化设计制造方案。以空中客车公司的A380客机为例，说明了多厂所协同制造过程和数字化设计制造对企业在产品竞争和市场生存中的意义。多厂所协同的航空数字化制造系统分析与设计在整个飞机制造行业起到了非常重要的作用，在将来会有越来越广泛的应用。关键词

2、:多场所协同 企业组织模式 数字化设计制造 空客A380引言：现代飞机制造具有气动外形要求严格、设计更改频繁、产品构型众多、零件材料及形状各异、内部结构复杂、空间十分紧凑、各类系统布置紧密以及零组件巨大等特点。因此飞机的研制过程是一个复杂的系统工程,应该多厂所协同研制, 充分发挥各厂所的优势, 共享产品开发的资源和经验。异地设计、制造、管理与协同工作是未来航空工业发展的必然趋势。近二、三十年来，随着计算机技术尤其是数字化技术及其应用的迅速发展，传统的飞机制造技术发生了根本性变革，数字化设计制造逐渐被应用到飞机的整体、部件和零件的设计和制造中。在新飞机研制过程中，已经广泛应用CAD/CAM/CA

3、E等基本单元技术，使得飞机产品设计的可制造性水平有较大提高。1. 多厂所协同的企业组织模式与协调机制1.1. 多场所协同研制模式分析现代飞机制造业是一个庞大的系统工程，必须走多企业联合研制的道路，多企业协同研制是航空工业发展的必然趋势。多企业协同研制有三种模式:协同设计、协同制造、协同设计与制造。1.1.1. 协同设计在飞机设计过程中，各部件设计所由主设计所组织协调，以共享的设计数据中心为基础，进行交互协作。由于现代飞机设计制造由多个单位合作完成，设计过程具有很长的周期，是一个分阶段不断迭代的过程，同时也是建立在基于Internet广域网环境的分布式的异地协同设计，各设计所间要进行频繁的设计交

4、互。1.1.2. 协同制造由于航空制造企业多为小批量多样化的生产模式，需求很不稳定，因此存在严重的生产能力不平衡的情况。因此建立统一的协同制造平台，实现制造资源的共享和各分厂间有效的协同，对于提高资源利用率，缩短生产交付的周期，提高整个航空产品开发研制的敏捷化都有举足轻重的作用。在飞机制造过程中，总装厂负责制造任务的分派，并且建立有统一的制造数据中心。建立各分厂的协同体系，主要为了充分利用各分厂制造资源，实现各分厂供应链的协同，实现企业内部的协同环境。另外，制造的协同还包括与外部供应商的协同，实现航空制造的采购和外协有效进行。1.1.3. 设计与制造协同部件设计所将需要制造的零部件工艺及工装制

5、造信息直接传递给部件制造厂，制造厂执行制造任务。同时，制造厂还负责对设计部门的设计更改信息进行及时地响应.设计制造的协同横跨产品全生命周期的两个阶段，设计所和制造厂间交互的信息盆巨大，同时涉及到设计更改的问题，因此必须建立设计制造协同平台，以实现设计和制造部门的交互。以型号项目为中心的多企业协同研制的组织结构包括顶层的整个型号的事业部，下级包括主管设计的主设计所和主管制造的总装厂。主设计所下包括众多分设计所负责部件设计，总装厂下由部件制造厂负责零部件制造。部件设计所和部件制造厂直接合作，决定零部件是采购还是直接制造。1.2. 多厂所协同的协调机制协同的核心在于解决冲突，多厂所分布式协同计划模式

6、中冲突类型可概括为任务冲突、过程冲突和资源冲突三种。多厂所协同的航空数字化制造在协同设计、协同制造、协同设计与制造中均存在冲突。针对冲突，拟采用冲突预消解、消解、协商和仲裁四步消解逻辑进行。1) 预消解。在问题定义阶段和方案设计阶段发现冲突，并解决冲突。2) 消解。在问题求解阶段检测到冲突后，及时运用知识、工具等资源予以解决，对不能解决的问题，转入第三方进行协商。3) 协商。对于问题求解者无法解决的冲突，与本方其他求解者进行协商。4) 仲裁。当对冲突无法达成一致协议，提请权威机构进行仲裁，仲裁后要求申请者执行相关决议。2. 传统制造过程向先进航空制造技术转变过程2.1. 传统飞机制造模式飞行器

7、产品的制造过程实质上是一个产品数据采集、建模、传递、拓延和加工处理的过程，最终形成的产品可以看成是数据的物质表现。所以，传统的飞行器制造过程是：设计文件、图纸模线样板标准样件各类成形模具、装配夹具，最后制造出飞行器产品。这种传统的工作方式是把飞行器的设计数据或信息，通过数十万件的标准工艺装备和生产工艺装备最终以模拟量形式传递到飞机产品上。这就是造成飞行器工艺装备数量巨大、生产准备周期和制造周期长、互换协调困难、质量难以保证、成本高等一系列困难的原因。所以，长期以来技术人员一直在苦苦探索采用新的技术手段来解决这些困难。最初采用计算机对飞机外形建立数字模型（即后来的 CAD技术）及数控加工两项新技

8、术，有一定的效果，但未从根本上解决问题。2.2. 现代先进航空数字化设计制造技术近几十年来，计算机技术（或称数字化技术）的飞速发展，硬件平台的价格性能比日趋低廉，CAD/CAPP/CAM 技术运用日趋普及，产品数据管理 PDM 和企业资源规划 ERP软件逐渐成熟，并行工程、精良生产和敏捷制造等先进思想日益完善，因特网 Internet 和企业内部网 Intranet 的使用越来越方便，便于企业建立虚拟产品开发环境，使飞机的无纸异地设计制造得以真正实现成为可能。飞行器制造业将真正成为不分国界的全球化行业。飞行器数字化设计制造技术将使设计与制造、技术与管理以及过程和质量，在并行工程思想的指导下，很

9、好地集成在一起，大大加速飞行器的研制过程，大幅度地降低制造成本，飞机的性能和质量将进一步提高，从整体上提高企业的经济效益，增强企业的竞争能力。这一技术的进一步发展，将使飞机设计制造的技术人员，不仅在虚拟环境中制造飞机，而且在虚拟环境中试验飞机性能的日子也为期不远。飞行器数字化设计制造技术大体上经历了如图表1所示的几个阶段：图表 13. 数字化设计制造系统方案3.1. 建立飞机内部轮廓数字模型 DIP（Digital Inboard Profile） 飞机产品工程设计从公司的销售和市场部门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就

10、作为进行初步产品数字建模（或称作产品数字化定义）的依据，建立飞机总体定义，它包括飞机的描述文档、三面图、外形气动布局和飞机内部轮廓图（Inboard Profile)。飞机内部轮廓图包括系统安排、空间分配和高速外形线等，通常绘制成二维图形，现在设计人员把它建成三维实体模型（在 CATIA 系统上）。这个三维数字内部轮廓定义模型称作 DIP。DIP 的模型数据是由各工程部门提拱的，所有结构和各种系统都分别构造成三维实体模型，由飞机总体设计组把这些三维模型综合起来，进行适当调整并扩充一些新内容，也即进行初步的数字预装配（Digital Preassembly），同时飞机气动组开发出飞机的气动外形，

11、利用 CATIA系统的曲面造型功能描述飞机的最终外形定义，并把它存储起来。3.2. 建立数字样机与数字化预装配 DPA（Digital Preassembly） 通常的一级和二级实物样机被在计算机上进行的数字化模拟预装配所替代。一级、二级和三级样机的术语是代表按通常标准划分的设计过程不同的阶段。1） 第一阶段数字化预装配（一级数字样机），它建立了零部件的基本形状、包容空间并协调各工程设计组之间的空间位置安排的飞机空间定义。用来支持所谓的“初步结构和系统界面定义”的飞机设计里程碑。2） 第二阶段数字化预装配（二级数字样机），在生产设计数据集（Data sets）发放前，为工程部门用来进一步进行产

12、品开发、验证设计构形等。这阶段 DPA工作进展主要体现在，为飞机的可达性，可维护性、可服务性、足够的可靠性、价值工程、人机工程以及支持装备的兼容性等进行了尽可能的详细设计，但尚未进行详细的装配和安装设计。3） 第三阶段数字化预装配（三级数字样机），是对详细设计零部件进行完整的数字化预装配，诸如有关飞机上的管道系统、导线束、控制电缆、绝缘毯、空气管路、燃油管线、液压管路、导线夹压板、角片支架、紧固件和连接孔等制造和安装的最后计算机描述。3.3. 主尺寸表面 MDS（Master Dimension Surfaces） 负责飞机气动部门的技术人员，对气动布局、气动性能、稳定性和可控制性研究后，确定

13、了飞机的最终气动性能，如飞机性能、飞行速度和航程、飞机的有效载荷、飞行性能和控制系统要求等，并确定了飞机的气动外形（包括翼型形状，整个机翼和发动机短舱的外形）。3.4. 几何结构设计和零件表生成此阶段的所有零组件都应构造成精确的三维实体模型（见图 6.46） 。但是也应根据当时的技术水平、设备能力和设计周期等条件，在协同设计组成员间进行协商，是否对全部零组件都要设计到每个细节。把这些零组件的实体模型再进一步进行数字预装配，进行零件对零件和零件对工装的设计集成，检查所有零组件配合情况，进行重量分析，维护的可达性检查，有无异常情况，是否满足功能需要等。同时，结构设计人员还应考虑到所有系统在结构中的

14、贯穿情况，有无干涉和留有一定必要间隙，连接件的位置，支架分布和过渡表面等多种情况。再由三维实体模型生成二维的工程图纸，标注尺寸和公差等，构成唯一的授权数据集（Data sets）。3.5. 工装设计流程在工艺设计工作完成装配单元划分与确定结构定位要求时，工艺装备工程部门结合装配工艺方案，启动工艺装备设计过程。在开始工艺装备设计时，是与制造工程部门一起来共同确定重要定义表面和尺寸(包括零部件发放以前标识的关键特性)，制定各类工艺装备的基本方案;同时，依据预发放的产品数据与工艺方案信息，进行工装骨架的设计及定位器的初步设计;当产品设计过程结束并在产品设计数据正式发放后，完善定位器的设计。工装的整个

15、协同设计过程如图表2所示。图表 24. 飞机的多场所数字化设计制造（以空客A380为例）空中客车公司拥有35年设计和建造飞机的历史。A380的建造当中，将多场所数字化制造工艺向前推进了一大步。4.1. A380的多场所协同制造过程空中客车公司在欧洲各地新修建了采用最现代化制造工具和技术的工厂。这些工厂以近似同步化的方式生产A380的各个部件并将之装配在一起。在英国威尔士的布劳顿，组装机翼的各个部件，组装完毕的机翼将由驳船运往莫斯廷，再从那里经特制的滚装船运往图卢兹。在德国汉堡，装配并安装组件与前机身的后段和后机身的基本飞行系统。在德国施泰德装配垂直尾翼。在西班牙雷亚尔港的工厂制造配备有方向舵的

16、垂直尾翼，装配完毕后运往图卢兹。在德国汉堡组装的机身部分运往威尔士的莫斯廷，在那里装载上一对机翼后，再运往法国的圣南泽尔。在圣南泽尔，将前机身的前段组装起来并与来自汉堡的前机身后段装配在一起。此外，还将组装在法国南特建造的、经陆路运至圣纳泽尔的A380全复合材料制成的中翼盒以及在西班牙雷亚尔港的制造的中机身腹部整流罩。包含有驾驶舱在内的机头的两个部件在法国米劳特制造，并经陆路运至圣南泽尔。组装完毕的机身部分将运往波亚克河的渡口。在西班牙格塔费制造的水平尾翼已经运抵那里。之后，将这些飞机部件运往图卢兹。至此，所有的部件集中完毕，开始组装，进行飞行设备和系统的安装和调试工作。经过一系列测试后，A380将飞往汉堡完成内饰和喷漆工作，之后在汉堡或图卢兹交付客户。4.2. A380的数字化协同研制空中客车公司在其A380客机的研制中也采用数字化协同研制技术，联合英国、法国、德国以及西班牙等国家进行多企业的协同设计制造，依托数字化协同平台，对原有的设计制造流程大规模重组，采用并行和协同的工作流程进行新产品的联合协作研制，缩短了研制周期，大大提高了其产品在国际市场上的竞争能力。如：空客公司为了加工A380的机翼专门选择了加拿大造的两台特大高速龙门铣床，用于实现数字化整体壁板加工。参考文献：1 付广磊.飞机主机厂所协同研