飞机数字化产品的过去、现在和未来

作者：中航第一飞机设计研究院 宁振波

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 摘要：本文简要分析了国内外飞机数字化设计、制造、管理方面的发展历程，并以JSF的数字化应用体系为样板，设想了未来我们飞机数字化的发展方向。 关键词：飞机 数字化 产品 数字样机 1．引言 数字化产品指采用计算机软、硬件技术，以网络为基础，以数据库为平台；在产品从采办—研制—设计—制造—交付—培训—维护—报废的全生命周期中，以三维CAD设计为核心，将CAE/CAT/CAPP/CAM/CALS/PDM等计算机技术全面应用到产品的设计、制造、管理、售后服务等环节，所形成的用户需要的产品。 数字化产品和传统产品的最大区别就是改模拟量传递为数字量传递；把串行工作模式变为并行工作模式。其带来的必然结果是缩短产品研制周期，提高产品质量，降低研制成本。 由于飞机制造业在数字化产品设计、制造领域的领先地位，以下就以国内外飞机制造业的数字化产品设计、制造为例；说明数字化产品的发展历程。 国外在飞机制造业应用三维数字化技术大至可分为三个阶段：部件数字样机阶段（1986-1992），全机数字样机阶段（1990-1995），数字化生产方式阶段（1996-2003）。 2．国内外飞机数字化产品发展历程分析 2．1．国外飞机数字化产品发展历程 2．1．1．部件数字样机阶段 波音公司于1986年开始采用三维数字化技术分别对747-400液压管路系统、PD41段三维概念设计和空间布置、767-200 RB211三维数字样机及制造、737-500三维生产过程、V-22管路电缆协调验证、767-200飞行舱三维制造过程、757-46段数字化预装配、767-200 43段三维设计和制造过程、777 41段驾驶舱100%三维设计过程等进行了应用验证。 在此过程中获得了大量经验与教训，制订了一系列有关数字化设计制造的规范、手册、说明等技术文件，同时按精益生产思想不断改进研制过程，基本上建立起数字化设计制造技术体系，为全面应用数字化技术奠定了组织和管理方面的基础。 2．1．2．全机数字样机阶段 波音-777飞机作为世界上第一个采用全数字化定义和无图纸生产技术的大型工程项目，成为20世纪九十年代制造业应用信息技术的标志性进展。波音777飞机开发、研制、制造一次试飞成功的根本途径就是采用数字化技术和并行工程。 波音公司在多年数字化技术试验的扎实的基础上，具有充分的技术积累和组织管理经验，它就在研制波音777新机过程中全面应用了这一新技术，主要体现在三个方面，零部件的100％三维数字化定义、数字化预装配和以精益制造思想为指导共建立238个设计建造团队（DBT）实施并行工程。在此过程中，采用数字化预装配取消了主要的实物样机，修正了2500处设计干涉问题，便于测定间隙、确定公差以及分析重量、平衡和应力等，使设计更改和返工率减少了50％以上，装配时出现的问题减少了50％～80%，使777飞机于1994年4月提前一年上天。 2．1．3．数字化生产方式阶段 美国联合攻击战斗机（JSF）是20世纪最后一个重大的军用飞机研制和采购项目。在波音公司和同洛克希德·马丁公司的竞争中，后者最终胜出并取得了这笔价值1890亿美元的巨额生意。 JSF项目的竞争胜利者，以洛克希德、马丁公司为首的由30个国家的50家公司组成的团队，采用数字化的设计制造管理方式，以项目为龙头，充分发挥合作伙伴的最优能力，初步形成了跨越整个航空工业的全球性的虚拟企业。 JSF具有最佳的多变共用性：在一个原型机上同时发展成不同用途的三个机种，在一条生产线上同时生产三个不同的机种，互换性达到80％。 据初步分析，JSF采用数字化的设计、制造、管理方式后的效果如下： 设计时间减少 50%，制造时间减少 66%，总装工装减少 90%，分立零件减少 50%，设计制造维护成本分别减少 50%。 在设计、实验、制造之外，为对整个JSF项目进行管理，已出现数量惊人的软件，估计有一千五百万行代码将对飞机提供支持，其中包括飞机机载软件六百万行，地面测试和配置管理软件九百万行。要启动这些程序需要准备好35个软件进程和大约400个软件工具。 为使洛克西德-马丁公司为主的全球50家企业可以协同设计、制造、测试、部署以及跟踪JSF整个项目的开发，从而按时完成JSF合同。洛克西德-马丁公司没有采用ERP系统，重新改组公司的流程，而采用了全生命周期管理(PLM)软件为集成平台，构建了全球性的虚拟企业。 由于JSF产品的复杂性，只有采用数字化生产方式才能作到。 JSF的数字化技术包括以下几个方面：基于Web的数据交换和共享，它的数字化体系由四个平台组成，暨集成平台，网络平台，业务平台和商务平台。 l 集成平台采用TEAMCENTER产品全生命周期管理软件（PLM）； l 网络平台采用VPN、LAN、WAN 、Internet和各种应用系统组成的应用平台。 l 业务平台由各种应用软件构成，如：文档管理，虚拟现实，材料管理，零件管理，CAD设计软件及相关接口，数字化工厂的设计仿真软件包，企业资源计划和工厂管理软件。 l 商务平台包括为用户提供访问其他系统数据的各类接口。 2．2．国内飞机数字化产品发展历程 国内数字化技术起源于70年代末、80年代初，通过“六五”～“九五”计划期间的“7760 CAD/CAMM系统”、“CIEM”、飞机异地无纸设计、“航空CIMS”等项目的多年预研，最终得到了大规模的工程应用。 2．2．1．数字化设计 中航第一飞机研究院2000年在“飞豹”飞机研制中全面采用了数字化设计、制造和管理技术，在飞机全机研制和应用中取得了重大突破。数字化设计技术和产品数据管理得到应用，在国内应用水平领先，发挥了先导和示范作用。数字化设计制造管理的基础条件建设初具规模。 中航第一飞机研究院根据飞机的研制特点全面应用了数字化设计技术，取得了显著成效。实现了飞机整机和部件、零件的全三维设计，突破了数字化样机的关键应用技术，建立了相应的数字化样机模型，在此基础上实现了部件和整机的虚拟装配、运动机构仿真、全面装配干涉的检查分析、空间分析、拆装模拟分析、人机工程、管路设计、气动分析、强度分析等，显著地加快了设计进度，提高了飞机设计的质量，飞机的可制造性大幅度提高。在PDM系统的应用中，也一定程度地实现了对飞机产品结构、设计审签、数据发放、设计文档(包括CAD模型)的管理与控制。最终建立了全机数字样机(具有51897个零件、43万个标准件、共形成37G的三维模型的数据量)，并以三维模型(全部数控零件共487个)和二维工程图样的方式向工厂发放数据。 通过应用初步建立了数字化技术体系的雏形，包括三维数据技术体系、数字化标准体系、三维标准件库、材料库，以及实施数字化设计的部分标准规范，在实施并行工程方面也已取得了一些经验。在实施数字化设计/制造的集成和数据管理方面作了许多工作。初步编写开发的数百份数字化设计、管理文件，开发的标准件库有GB、GJB、JB、HB等；类别有结构、机械系统、管路、电器等，共有50000多个，都已在飞机设计中得到了应用，已取得了一定的经验。 中航第一飞机研究院在此基础上，在新支线飞机研制中水平又有了新的提高。开始采用VPM（虚拟产品管理）系统进行设计过程和产品数据的管理。确定了产品结构体系和产品数据体系。初步实现了任务流的管理、产品结构和构型管理及DMU（数字样机）的管理。 数字化设计技术的推广应用已为中航第一飞机研究院和制造厂商西飞公司带来了巨大的效益： l 设计周期由常规的2.5年缩短到1年。设计周期缩短60%。 l 减少设计返工40%，提高了设计质量。 l 制造过程中工程更改单由常规的5000-6000张减少到1081张。 l 工装准备周期与设计同步，缩短了制造周期；保证了飞机的研制进度。 从1999年底的开始研制到2002年7月1日飞机的首次上天，仅用了两年半时间。这一点充分说明了数字化设计、制造技术的优越性。 “飞豹”飞机全机数字样机研制已通过今年八月的国家级科技进步奖答辩，预计将获二等奖。 成都飞机研究所在超七“枭龙”飞机研制中，也全面应用了数字化设计制造技术。包括采用全机外形的三维数字化定义、超七起落架舱的干涉检查分析、运动机构模拟、空间分析，建立了全机结构的数字样机，并以三维模型(全部数控零件)和二维工程图样的方式向工厂发放数据。初步建立了数字化的技术体系，包括数字化设计标准的部分规范，部分材料库。在实施数字化设计/制造的集成和数据管理方面作了许多工作，也为今后发展积累了一定的经验。 2．2．2．工艺和制造 飞机工厂均已采用了CAPP系统进行工艺设计，数字化工艺设计的覆盖面已经具有相当规模，在新的型号飞机当中覆盖面几乎100%。 在系统的集成方面，多个工厂数控车间使用的CAPP系统实现了与CAD/CAM的集成，同时利用PM系统将工艺文档管理起来。系统与刀具库和切削参数库也作了集成。一些工厂的CAPP系统已经实现了与材料库、设备库、工艺数据库、典型工艺库、工装、量具的集成。 各个工厂普遍采用了CAM系统进行数控编程，主要软件为CATIA和UG。数据来源为设计所提供的三维CAD模型。与外形有关的飞机零件和工装实现了100% 的CAM数控编程。在数控弯管、板金下料方面，CAM的应用也已经比较普及，数控弯管可以直接根据设计的数据进行数控弯管编程并弯成各种规格的管路。除了应用引进的软件外，某单位还合作开发了针对飞机梁、框、肋类零件的CAD/CAPP/CAM集成系统，编程效率优于国外引进的CAM系统，各个单位都普遍采用了数控程序仿真软件Vericut，通过仿真检查程序的正确性，减少了泡沫塑料或木头材料的试切环节，提高了数控机床的利用率，数控程序的一次成功率提高到95%。有些工厂在通过Vericut仿真检查后，就直接加工正式零件。 2．2．3．数字化基础设施建设 航空工业是最早应用计算机技术的行业，经过多年的发展，已拥有相当规模的信息化基础设施。全集团公司现已配备工作站及微机上万台，各类大型设计、分析、制造软件几千套和各类管理软件千余套。部分单位已经建立了园区网，并在科研生产和管理中发挥了积极的作用。 集团公司已建成可运行机密以下（含机密）信息的专网—金航网络，已具有通过北京网络运行中心和西安、沈阳、上海、成都、阎良、哈尔滨、洛阳、贵阳、襄樊、无锡、南京等全国性的地区节点，实现集团公司总部与所属企事业机构、以及所属企事业机构相互之间的互联互通的能力，并完成了所属厂所的接入，为集团公司信息化奠定了必要的网络设施基础。 在飞机研制过程中，各单位都制定了一些有关数字化设计/制造的标准，为型号研制规范化，保证质量奠定了基础。目前还在进一步制定和拓展。 2．3．小结 l 无论从国外还是国内数字化情况看，都较大的缩短了飞机研制周期，减少了费用，降低了成本，提高了质量。 l 从JSF飞机的数字化发展来看,数字化从根本上改变了现行的设计制造管理的方式、方法和手段，必将推动制造业的技术革命。 l 数字化生产方式是以数字化为基础，以项目为龙头，构建全球性虚拟企业，组成最优能力中心，增强了项目和企业的灵活性和敏捷性，是解决机构调整的行之有效的方法和途径。 l 数字化及数字化生产方式是世界飞机制造业的发展趋势，开展国际合作，实现与国际接轨，应当努力推进数字化工作。 3．数字化产品的未来发展 近几年，波音为了继续保住其在飞机制造业的霸主地位，筹巨资实施飞机定义和构型控制/制造资源管理DCAC/MRM企业信息系统，为保证该计划的实施，波音公司的总裁克服各种阻力，对企业结构和流程进行了大的调整，取得了极其重要的效果，该计划预计到2004年完成。波音公司取得的成功，展示了数字化设计制造的巨大潜力和优越性。 我们理解：未来的数字化产品制造企业应具有三大特征： 1．全过程数字化：产品从市场需求开始，概念设计、初步设计、详细设计、试验仿真、生产制造、市场营销、售后服务、直至产品报废的全生命周期各个环节均实现数字化。 2．全方位数字化：同一产品涉及的每一个基层企业、研究院所、公司总部等在科研、生产、管理及经营中全面实现数字化。 3．全产品数字化：产品本身及所包括的机械系统、发动机、光学仪器、强电系统、弱电系统、电磁等全部配套产品全部采用三维数字化设计、形成全机数字产品模型。不但在几何上，而且在属性上全部采用数字化方式描述。 关于数字化产品的未来，我这里想重复一个传奇人物的名言。“CATIA之父”Francis Bernard对未来数字化产品的构想。“总有一天，我们不必再重复发明任何东西。我们会有一个巨大的数据库来储存、检索、共享人们的创意(idea)。如果这样，人们就不必再浪费时间去钻研别人已有的创意，只须利用这些创意来设计新产品即可。‘知识工程’ 暨为实现这个构想的第一步，他所要做的是开始积累人们的创意。” 名词注释 CALS（Continuous Acquisition and Life-cycle Support）,中文译为“持续采办和全寿命支持”，暨 “计算机辅助后勤保障”。 CIEM （Computer Integrated Engineering Manufacture）计算机集成工程制造。 DCAC/MRM：(Defination of Configeration And Control/ Manufacture Resource Management)飞机构型定义和控制/制造资源管理。 VPM（Virtural Product Management）虚拟产品管理。 参考资料 1．范玉青著。现代飞机制造技术。北京：北京航空航天大学出版社，2001年6月 2．美国联合攻击战斗机（JSF）研制概况，http://www.999junshi.com/juan/z_xbq/ 3．PLM Solutions，产品全生命周期管理市场的领导者，www.eds.com(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/28/2006)