航空产品数字化结构体系的构建

数字化设计制造技术基础作业航空产品数字化结构体系的构建学号：12032205学生姓名：廖旋任课教师：叶海潮2015年5月目录摘要…………………………………………………………………………………1引言…………………………………………………………………………………11我国航空数字化现状……………………………………………………………12航空制造业数字化总体框架研究………………………………………………22.1总体框架设计要求…………………………………………………………22.2数字化框架组成……………………………………………………………32.3基础环境……………………………………………………………………42.4总体框架工作机制…………………………………………………………43数字化制造关键技术……………………………………………………………63.1工艺设计及仿真……………………………………………………………63.2工艺管理……………………………………………………………………103.3数字化制造的价值…………………………………………………………134飞机数字化装配技术……………………………………………………………155结束语……………………………………………………………………………16参考文献……………………………………………………………………………161航空产品数字化结构体系的构建摘要：本文从我国航空数字化现状讲起，首先介绍了数字化总体框架研究的概念，设计要求，系统组成，基础环境，工作机制等内容，然后详细分析了数字化制造中的关键技术以及制造企业应用数字化制造技术能够产生的价值并简单介绍了飞机数字化装配技术。关键词：数字化总体框架智能化网络化信息化数字化装配引言：制造技术已从物质形式的制造向信息制造转变，产品中知识信息的价值占据越来越高的比例，这不但反映在产品本身，而且体现在产品的整个生命周期，特别是生产制造环节，随着信息技术的发展，不断出现了新的制造理念和制造系统，如FMS、CIMS、敏捷制造和网络化制造等。这些技术从制造的现实出发，对制造过程中产生的数据进行数字化，并对它们进行加工处理，产生相关信息，在制造系统中进行存储和交换，并直接应用于对生产过程的管理和控制，进一步可对信息进行分析加工产生相关知识，使制造系统的“智能”得到提高，通常把这种生产方式称为数字化制造。另一方面，随着仿真技术的发展和虚拟现实技术的产生，另一种概念的数字化工厂随之产生，这个工厂生存于数字信息世界，在真实工厂或生产过程还没有开始前，这个工厂在虚拟空间中运作，对真实工厂进行虚拟现实的仿真，提供优化的结果，这是现在数字化工厂主要研究和应用的内容。中国制造业企业正处于调整和转型的关键时期。由‘中国制造’转向‘中国创造’已上升为国家战略，航空制造业也是如此。21我国航空数字化现状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、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。2航空制造业数字化总体框架研究2.1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，只有发挥各自的技术和资源优势，才能降低成本，分摊风险，共享市场。构建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。3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，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。2.2数字化框架组成2.2.1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。2.2.2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。2.2.3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：4（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。2.2.4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。2.2.5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，包括质量、五性（可靠性、可维修性、可测性、保障性和安全性）、标准、适航、情报资料、研制知识等信息，这些信息可以是模板、文件以及其他对象等形式。该系统同时也提供了质量、五性、标准和适航等方面的控制和评估功能。2.3基础环境基础环境包括计算机系统、网络系统和数据库系统等，是企业内部和企业间信息交换的基础。52.4总体框架工作机制产品研制业务关系表现在业务数据关系和业务流程关系两个方面，从信息化的角度来看，总体框架应实现信息的集成和过程的集成。因此，制造业数字化的总体框架由纵向的工程过程控制、横向的工程工作面和作为支撑的基础环境所构成，其中工程过程控制实现过程的集成，工程工作面实现信息的集成。工程工作面是产品研制过程的时间断面。在工程工作面中，工程协同系统是工程研制中数字化设计、试验和生产等方面业务系统的集合；数字样机系统对产品数据进行映射生成了数字样机；产品数据管理系统负责管理产品相关的所有数据；工程支持系统提供工程支持信息的共享。工程协同系统中的业务系统之间的数据交换是通过数字样机来进行的；数字样机系统根据业务系统的不同要求，对产品数据管理系统所管理的产品数据进行过滤，生成相应的数字样机；工程协同系统可以从工程支持系统中得到质量、标准等信息。工程工作面实现了信息的集成。工程过程控制分为两条主线：一条主线是基于数字样机的并行过程，所控制的对象是工程协同系统中的各个业务系统，并行过程采用成熟度控制的机制；另一条主线是项目管理过程，采用任务节点控制的机制。项目管理过程控制的是点，而并行过程控制的是线，并行过程由项目管理过程触发，工程过程控制实现了过程的集成。项目管理过程可以理解为对工程过程的任务节点（里程碑）的控制过程，任务节点主要描述了任务的进度、资源需求和任务间的关系等。在一个任务开始前，需要配置相应的资源（包括人员和物料、设备等），由IPT小组执行此项任务。通常，一个任务是否完成，是由并行过程控制系统返回的状态来确定的，对里程碑（阶段评审）来说，需要阶段评审的结论来支持。阶段评审的内容可以包括：质量、标准、五性和用户意见等方面。当一个任务结束后，为之所配置的资源将被释放，随着一个新任务的启动，新的资源配置也将完成。因此，项目管理过程同时也包含了IPT组织的动态变化过程。按照过程定义，并行过程确定哪些业务系统参与任务的执行。业务系统之间6的协同是以数字样机为共同的信息基础，并行过程通过控制数字样机的成熟度，来限制各个业务系统访问数字样机。并行过程监控各业务系统的运行状态，并根据数字样机的成熟度、过程定义实现对各个业务系统的协同控制。工程工作面、工程过程控制和基础环境，三个部分构成了以数字样机为中心、以产品数据管理为手段、以工程过程控制为主线的制造业数字化总体框架。3.数字化制造关键技术3.1工艺设计及仿真3.1.1CAM及数控仿真技术如今越来越多的制造企业引入了数控加工设备，有复杂精密加工需求的企业甚至装备了比较高端的高速铣、五轴加工中心等高端设备。为了从这些设备投资中取得回报，企业必须能够高效利用这些先进的加工设备。而如何快速的进行NC代码程序的编制并在加工实物之前进行仿真成为充分发挥这些数控机床能力的关键——于是CAM技术应运而生。CAM技术通过计算机系统与生产设备直接的或间接的联系，进行对机床的生产加工过程进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。主要包括使用计算机来完成数控编程、数控机床仿真、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配、调试这些工作。CAM的核心，是利用可视化的方式，根据加工路径以及工装设备，模拟现实中的机床加工零件的整个过程并自动生成机床可以识别的NC代码。此项技术的关键，是能够真实的模拟现实的2.5轴、三轴、五轴等数控机床的运动，能够支持并识别不同厂商不同型号的数控机床。由于加工技术的不断进步，事实上CAM技术也在不断发展和细分，例如有专门致力于叶片加工的CAM软件，还有专门致力于瑞士型纵切机床、车削中心编程的CAM软件等等。数控仿真技术则可以对数控代码的加工轨迹进行模拟仿真、优化。同时，也支持对机床运动进行仿真，从而避免在数控加工过程中，由于碰撞、干涉而对机床造成损坏。73.1