【正文】 元中各組成元素相互位置的方法。裝配基準是指保證飛機外形準確度所采用的零件的定位基準，是在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計時確定的。裝配順序是指裝配單元中各構(gòu)造元素的先后安裝次序。主要內(nèi)容如下： （ i） 劃分裝配單元和確定裝配順序。首先，將運用 PERT 技術(shù)將航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 11 P3R 集成在設(shè)備數(shù)字模型中，以確定設(shè)備之間的相互關(guān)系，通過生產(chǎn)線仿真，輸出運行結(jié)果數(shù)據(jù)。生產(chǎn)仿真預(yù)防了設(shè)計規(guī)劃中存在的問題，降低了設(shè)計規(guī)劃與生產(chǎn)之間的不確定性，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性 和產(chǎn)品的成功率。數(shù)字化工廠技術(shù)的應(yīng)用能夠解決車間布局設(shè)計，實現(xiàn)信息自動化提取及其系統(tǒng)集成，虛擬車間布局可以生成最優(yōu)化車間布局方案。傳統(tǒng)的布局方法通常將兩者分割開來，作為兩個單獨的問題進行求解，即先進行單元布 局，再進行物流路徑布局。如果采用傳統(tǒng)方法，利用簡單的計算機輔助二維平面設(shè)計，或采用現(xiàn)場布置的方法，由于無法實現(xiàn)預(yù)估未知因素，缺少對各種設(shè)計方案的分析比較，將很難得到最優(yōu)方案，而且一旦需要調(diào)整方案，其過程會非常繁瑣。通過可視化技術(shù)和智能終端從分布式數(shù)控 (Distributed Numerical Control， DNC)系統(tǒng)和 MES 獲取相關(guān)數(shù)據(jù)信息對制造資源的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和管理。生產(chǎn)計劃與控制數(shù)據(jù)可以通過 ERP 系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng) ( Manufacturing Execution System ， MES)系統(tǒng)進行創(chuàng)建和執(zhí)行。數(shù)字化車間是數(shù)字化工廠技術(shù)在車間層的具體應(yīng)用，本文構(gòu)建的數(shù)字化車間布局仿真的框架如圖 31 所示。最后，以某軍工制造企業(yè)的數(shù)控加工車間為例，對車間的生產(chǎn)線布局進行了重新設(shè)計和仿真驗證，證明了模型的有效性 。 第三章 數(shù)字化車 間 為降低產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃與制造之間的不確定性，提高生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性，構(gòu)建了而向數(shù)宇化車間的布局與生產(chǎn)仿真框架；針對傳統(tǒng)設(shè)計與制造過程中產(chǎn)品數(shù)據(jù)零散，不能保證各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)一致性的缺陷，提出了基于單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源的制造資源庫模型，對制造過程中的所有資源進行有效管理。在建模時首先利用 Formular 命令建立參數(shù)，并為這些參數(shù)合理地命名，在建立模型時把這些參數(shù)同模型的主要尺寸關(guān)聯(lián)起來，之后利用 Design Table 的命令把這些模型參數(shù)存儲到表格中，最后將數(shù)據(jù)表格與模型同時入庫，也就是Catalog 功能，在使用時實時利用表格之中的參數(shù)進行模型的驅(qū)動，生成新的模型，從而形成標準件的系列化和組合化，一次建模、重復(fù)引用 。目前國內(nèi)外飛機設(shè)計制造領(lǐng)域，機加、鈑金類的金屬零件已率先實現(xiàn)了在 CATIA 環(huán)境下的全三維數(shù)據(jù)集定義，三維模型完全取代了傳統(tǒng)的工程圖紙，實現(xiàn)了無紙化設(shè)計制造。線框造型與曲面造型無法滿足需求，隨著計算機技術(shù)的不斷進步，很快被實體造型取代，實體造型解決了之前飛機設(shè)計的問題，還增加三維實心部分表達，可以在一個完整的幾何模型上實現(xiàn)零件計算、有限元分析、數(shù)控加工和圖 形的生成。 數(shù)字化建模技術(shù)的應(yīng)用正迅速改變著傳統(tǒng)制造業(yè)的 工作模式，數(shù)字化建模技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從手工繪圖到二維 CAD 的應(yīng)用，再到二維 +三維設(shè)計模式，一直到現(xiàn)在的全三維建模技術(shù) MBD 3 個發(fā)展歷程，實現(xiàn)了從平面投影技術(shù)到全三維實體模型數(shù)字樣機以及完整數(shù)字化產(chǎn)品定義的轉(zhuǎn)變 。 產(chǎn)品數(shù)字模型在飛機應(yīng)用 由于飛機產(chǎn)品具有嚴格的氣動外形和重要要求，并且內(nèi)部空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零件部件尺寸而剛性小等特點，飛機產(chǎn)品的設(shè)計工作圖紙難以精確地描述飛機的幾何外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各種加工要求，這樣導(dǎo)致飛機設(shè)計、制造和質(zhì)量控制工作的各方面困難。 （ v） 產(chǎn)品的三維模型可以直接通過投影自動生成二維工程圖。 （ iii） 三維 CAD 系統(tǒng)具有高級曲面造型工具，能夠構(gòu)造各種復(fù)雜的產(chǎn)品形狀。與二維圖紙相比，三維開發(fā)設(shè)計模式優(yōu)勢如下： （ i） 三維 CAD 可視化程度高、形象直觀、設(shè)計效率高，能為企業(yè)數(shù)字化提供完整的設(shè)計、工藝和制造信息。結(jié)構(gòu)關(guān)系一般用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹表示，詳細的非幾何信息用屬性表示，裝配約柬關(guān)系 (包含面貼合、面對齊、角度定位等 )由 CAD 系統(tǒng)提供的工具建立，裝配順序規(guī)劃和路徑規(guī)劃則是建立規(guī)劃模型。仿真分析的充分 利用，可以減少實際物理試驗的次數(shù)，從而大大降低研制成本。模型之間的管理和集成是解決設(shè)計分析過程中模型有效性的關(guān)鍵。功能 與性能仿真是利用計算機的計算能力，采用數(shù)值計算的方法模擬產(chǎn)品的功能或者性能，一般不能直接在詳細設(shè)計階段產(chǎn)生的零件幾何模型上進行，必須進行一定的轉(zhuǎn)換或者處理，建立符合仿真分析的模型。在一定的設(shè)計規(guī)范下，以方案報告、草圖等形式完成設(shè)計，該階段生產(chǎn)方案因產(chǎn)品對象不同而不同。不同階段包括了不同的模型和信息。產(chǎn)品的設(shè)計信息表達形式主要是產(chǎn)品的幾何信息存儲在 IDM 系統(tǒng)和產(chǎn)品的非幾何信息存儲 APL 系統(tǒng)。 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 7 第二章 數(shù)字化建模 產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù) 產(chǎn)品數(shù)字化模型是產(chǎn)品信息的載體，包含了產(chǎn)品功能信息、性能信息、結(jié)構(gòu)信息、零件幾何信息、裝配信息、工藝和加工信息等。利用網(wǎng)絡(luò)可以將分布在世界各地的資源匯集起來，實現(xiàn)信息傳遞和資源共享。 隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于多媒體計算機系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化制造技術(shù)為現(xiàn)代制造系統(tǒng)的并行作業(yè)、分布式運行、虛擬協(xié)作、遠程操作與檢修等提供可能。傳統(tǒng)工藝串行設(shè)計成本高、研制周期長。數(shù)字化制造是數(shù)字化設(shè)計的延伸，數(shù)字化技術(shù)將改變制造業(yè)的設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)方式，從而推動產(chǎn)業(yè)形態(tài)和制造模式的深刻變革 。數(shù)字化技術(shù)是產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，它將促進產(chǎn)品和工藝設(shè)計更趨現(xiàn)代化，加工制造更加精密、快速，制造系統(tǒng)更加柔性、智能。 發(fā)展方向 美國政府提出 “再工業(yè)化 ”戰(zhàn)略，旨在提升數(shù)字化設(shè)計、制造能力。仿真優(yōu)化是在仿真模型中，對生產(chǎn)線進行物流仿真，同時對工藝規(guī)劃的方案進行驗證。工藝規(guī)劃是在構(gòu)建的虛擬平臺上，將工藝大綱與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)合，對 產(chǎn)品的加工工藝和裝配進行合理規(guī)劃。 圖 1 1 數(shù)字化工廠基本功能 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 6 合理的車間設(shè)備布局可以節(jié)約大量的物料運輸費用，提高使用率。 （ v） 應(yīng)用工具 產(chǎn)生虛擬環(huán)境的工具集、各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具、設(shè)備控制程序的生成器、各種報表的輸出工具等。 （ iii） 虛擬現(xiàn)實技術(shù) 文本信息很難滿足制造業(yè)的需求，隨著三維造型技術(shù)發(fā)展，三維實體造型技術(shù)已得到普遍的應(yīng)用具有沉浸性的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，使用戶能身臨其境地感受產(chǎn)品的 設(shè)計過程 和制造過程，使仿真的旁觀者成為虛擬環(huán)境的組成部分。 （ ii） 優(yōu)化仿真技術(shù) 隨著虛擬設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，在計算機中進行產(chǎn)品零件的三維造型、裝配分析和數(shù)控加模擬技術(shù)以及以工程分析技術(shù)不斷發(fā)展和完善，這種技術(shù)進一步向制造過程領(lǐng)域發(fā)展。 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 5 數(shù)字化工廠的關(guān)鍵技術(shù) （ i） 數(shù)字化建模技術(shù) 通常研究的制造系統(tǒng)是非線性離散化系統(tǒng)，需要建立產(chǎn)品模型、資源模型制造設(shè)備、材料、能源、工夾具、生產(chǎn)人員和制造環(huán)境等、工藝模型工藝規(guī)則、制造路線等以及生產(chǎn)管理模型系統(tǒng)的限制和約束關(guān)系。 從狹義角度而言，數(shù)字化工廠是以資源、操作和產(chǎn)品為核心，將產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)數(shù)字化，在現(xiàn)有實際制造系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實環(huán)境中，對生產(chǎn)過程進行計算機仿真和優(yōu)化的虛擬制造方式。 從廣義角度而言，數(shù)字化工廠是以制造產(chǎn)品和提供服務(wù)的企業(yè)為核 心，由核心企業(yè)以及一切相關(guān)的成員 (包括核心制造企業(yè)、供應(yīng)商、軟件系統(tǒng)服務(wù)商、合作伙伴、協(xié)作廠家、客戶、分銷商等 )構(gòu)成的，使一切信息數(shù)字化的動態(tài)組織方式。除了要對產(chǎn)品開發(fā)過程進行建模與仿真外，還要根據(jù)產(chǎn)品的變化對生產(chǎn)系統(tǒng)的重組和運行進行仿真，使生產(chǎn)系統(tǒng)在投入運行前就了解系統(tǒng)的使用性能，分析其可靠性、經(jīng)濟性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)過程優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)制造提供支持。 “數(shù)字化工廠”規(guī)劃系統(tǒng)通過同一的數(shù)據(jù)平臺，通過具體的規(guī)劃設(shè)計和驗證預(yù)見所有的制造任務(wù)，在進步質(zhì)量的同時減少設(shè)計時間，加速產(chǎn)品開發(fā)周期，消除浪費，減少為了完成某項任務(wù)所需的資源數(shù)目等，實現(xiàn)主機廠內(nèi)部、生產(chǎn)線供給商、工裝夾具供給商等的并行工程。在 ARJ21 飛機的基礎(chǔ)上， C919 飛機采用自動化生產(chǎn)線，突出數(shù)字化裝配協(xié)調(diào)技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)型的自動化柔性裝配生產(chǎn)線 。 相對而言，中國航空工業(yè)起步比較晚，目前我們能還只是向現(xiàn)代航空制造技術(shù)邁進起步階段，航空制造也走過了“維修 仿制 改進 研制”的路程，建設(shè)一個現(xiàn)代化的航空制造工程體系，進入飛機裝配的數(shù)字化時代，縮短研制周期、降低研制成本。名的聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機 JSF項目通過建立基于協(xié)同平臺的全球化虛擬企業(yè)，覆蓋飛機全生命周期全面采用數(shù)字化技術(shù)，使飛機設(shè)計時 間減少 50%，工裝減少 90%，總裝工裝減少 95%，零部件數(shù)量減少 50%，制造周期縮短 67%，制造成本降低 50%，使用維護成本降低50%。 B767X的設(shè)計上用 CATIA 對全部零件進行三維數(shù)字化設(shè)計，數(shù)字化預(yù)裝配和并行工程。 90 年代發(fā) 展起來的快速成型技術(shù)（ Rapid prototyping， RP） ,可以對產(chǎn)品進行快速評價 ?修改及功能試驗 ,有效地縮短了開發(fā)產(chǎn)品的時間。進入 80年代 ,出現(xiàn)了計算機集成制造系統(tǒng) (Computer Integrated Manufacturing System， CIMS),使波音公司的飛機在設(shè)計 ?制造和管理的時間由原先的八年縮短到三年。T 公司研制成功帶ATC的加工中心和 UT公司研制成功了帶自動換刀方式的世 界上第一臺加工中心。數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)（ DPD）是產(chǎn)品設(shè) 計 和 工 藝 規(guī) 劃 階 段 采 用 數(shù) 字 化 手 段 ， 以 產(chǎn) 品 過程 資源（ ProductProcessResource， PPR）核心建立模型，用數(shù)字樣機（ Digital Mock Up， DMU）進行產(chǎn)品模型試驗，便于產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計和改型設(shè)計，加速產(chǎn)品的工藝規(guī)劃。 產(chǎn)品設(shè)計信息是產(chǎn)品開發(fā)的整個的源頭，為延續(xù)研制產(chǎn)品進行后續(xù)階段。中國航空工業(yè)第一集團公司為了完成信息化建設(shè)，迎接國際航空市場激烈的競爭和挑戰(zhàn)，提出了基于信息技術(shù)、實現(xiàn)跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略構(gòu)想。 采用數(shù)字化設(shè)計制造集成技術(shù)是保證飛機快速研制的必要手段。數(shù)字化制造是通過信息技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)所有生產(chǎn)設(shè)備是識別、感知、互聯(lián)，并通過生產(chǎn)過程數(shù)字化系統(tǒng)將這些信息過程融合起來，從而實現(xiàn)資源、信息、物流和人的交流和互動。 關(guān)鍵詞：數(shù)字化、虛擬制造、網(wǎng)絡(luò)制造、制造管理 第一章 概論 研究背景 隨著世界政治格局變化以及經(jīng)濟全球化的特點，進入 20 世紀 90 年代以來，世界航空工業(yè)正在形成設(shè)計、生產(chǎn)與市場的全球化，降低飛機全生命周期內(nèi)的成本以及提高飛機的質(zhì)量（舒適性、可靠性、經(jīng)濟性、環(huán)保性）成為現(xiàn)代飛機研制的重要指標。論述數(shù)字化研制體系從市場調(diào)研、建模、工藝規(guī)劃、設(shè)計、加工、數(shù)字化裝配、維護和 制造管理進行構(gòu)建，實現(xiàn)對產(chǎn)品設(shè)計、功能、制造過程的仿真和產(chǎn)品原型制造，低成本方便快捷獲得所需產(chǎn)品。 2022～ 2022 學(xué)年第二學(xué)期 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及研制流程構(gòu)建 航空航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系及其研制流程構(gòu)建 1 目錄 摘要 ........................................................................................................................ 2 第一章 概論 ..