淺析飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)

王響 覃芳艷 王鑫

摘要：飛機的設(shè)計與制造水平是衡量一個國家工業(yè)水平的重要標準，隨著計算機技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)以及智能技術(shù)的發(fā)展及其在飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制造中的使用，飛機工業(yè)的發(fā)展取得了較大的突破。本文主要介紹了飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，數(shù)字化技術(shù)以及加工技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)件中的具體應(yīng)用，最后介紹了飛機結(jié)構(gòu)件制造協(xié)同平臺。

Abstract： The design and manufacture level of aircraft is an important standard to measure the industrial level of a country. With the development of computer technology， digital technology and intelligent technology and its use in the design and manufacture of aircraft structural parts， the development of aircraft industry has made a great breakthrough. This paper mainly introduces the research and development of digital design and manufacturing technology of aircraft structural parts， the application of digital technology and processing technology in aircraft structural parts， and finally introduces the collaborative platform for aircraft structural parts manufacturing.

關(guān)鍵詞：飛機結(jié)構(gòu)件;數(shù)字化設(shè)計;制造技術(shù)

Key words： aircraft structural parts;digital design;manufacturing technology

中圖分類號：V262;V221? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0108-02

1? 飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

為提升飛機制造的效率，節(jié)約成本，美國率先在飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與加工制造中使用數(shù)字化技術(shù)，并運用數(shù)字化技術(shù)對傳統(tǒng)的飛機設(shè)計與制造的流程進行改進和優(yōu)化，經(jīng)過實踐證明，這一方式在提升效率節(jié)省成本方面極為有效，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，與傳統(tǒng)飛機制造技術(shù)相比，使用數(shù)字化技術(shù)進行改進后，飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計時間是原來的一半左右，飛機結(jié)構(gòu)件制造的時間節(jié)省了66%，裝工時間則僅為原來的十分之一，而在成本方面，飛機制造成本和維護成本均減少了一半，由此可見數(shù)字化技術(shù)在推動飛機制造技術(shù)的發(fā)展與進步方面有著重大的意義。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

為緊跟世界潮流與發(fā)展步伐，我國飛機制造企業(yè)積極引進國外數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)，經(jīng)過十多年的發(fā)展初見成效。當前，我國頭部飛機制造企業(yè)已經(jīng)完成了數(shù)字化設(shè)計軟件的初步研發(fā)，并搭建了數(shù)字化生產(chǎn)車間，實現(xiàn)了飛機制造過程中部分操作的數(shù)字化與智能化，然而我國當前飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制造技術(shù)的數(shù)字化還停留在初級階段，在集成度、柔性化、智能化方面與西方發(fā)達國家相比還有一定的差距。

2? 飛機結(jié)構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計技術(shù)

盡管當前我國飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計過程中全三維技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，并在縮短開發(fā)周期，節(jié)約飛機生產(chǎn)成本方面發(fā)揮著較大的作用，然而在應(yīng)用全三維技術(shù)的過程中，我國相關(guān)研發(fā)人員過于注重對飛機結(jié)構(gòu)件功能方面的作用，而忽視了在實際生產(chǎn)中具有強功能性的結(jié)構(gòu)件能否被成功制造出來，這導(dǎo)致研發(fā)人員設(shè)計的飛機結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)斷折，除此之外，飛機制造過程中涉及的零件非常多且復(fù)雜，難以通過單件大量制造的模式來進行學(xué)習(xí)和積累，因此，建立飛機結(jié)構(gòu)件的制造和設(shè)計知識的重用和融合技術(shù)就尤為關(guān)鍵，只有這樣才能夠打破兩者之間存在的信息隔膜，在飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計的過程中就考慮到制造問題，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件智能化設(shè)計。

2.1 制造工藝知識的識別

飛機結(jié)構(gòu)件繁多，其制造加工與組裝環(huán)節(jié)繁多且復(fù)雜，機器獲取制造工藝知識是飛機結(jié)構(gòu)件智能化設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。盡管飛機加工方面所涉及的知識復(fù)雜、流程繁多，但還是具有一定的特征和規(guī)律可循，即大多數(shù)的飛機結(jié)構(gòu)件加工都涉及零件的組成特征。特征技術(shù)是數(shù)字化制造業(yè)中集成信息的一種手段，通過特征技術(shù)能夠有效縮短工藝員編程的時間，降低其編程的難度，不僅如此，通過工藝信息的集成與共享還能夠提升零件設(shè)計與加工的速度，一定程度上提升零部件的質(zhì)量。

2.2 基于特征的三維模型參數(shù)化設(shè)計

飛機制造集成了多種高科技技術(shù)，是一個國家工業(yè)設(shè)計與制造水平的集中體現(xiàn)。隨著經(jīng)濟全球化的發(fā)展，當前工業(yè)企業(yè)之間的競爭更加激烈，要想在激烈的競爭中脫穎而出就必須改變傳統(tǒng)的飛機生產(chǎn)制造模式，改變只注重生產(chǎn)任務(wù)，不注重生產(chǎn)成本的飛機工業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)。特別是在飛機結(jié)構(gòu)件環(huán)節(jié)需要尤其注意，飛機結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)材料成本高昂，而且生產(chǎn)的周期也比較長，而不合理的飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計則會導(dǎo)致生產(chǎn)難度上升，提升生產(chǎn)成本的同時也會導(dǎo)致生產(chǎn)周期的延長，因此在飛機工業(yè)中，急需找到能夠快速、優(yōu)質(zhì)地設(shè)計飛機結(jié)構(gòu)件的方式，從而提升我國飛機工業(yè)的核心競爭力。

盡管飛機結(jié)構(gòu)件的構(gòu)造較為復(fù)雜，但通過特征技術(shù)能夠在一定程度上解決這一問題。從幾何方面著手，能夠?qū)w機的結(jié)構(gòu)件特征分為槽特征、筋特征、孔特征以及輪廓特征，除了對基本的幾何特征進行定義之外，還需要對零件的技術(shù)、材料等參數(shù)特征進行定義，而這些是飛機結(jié)構(gòu)件制造的過程特征，對于后續(xù)飛機結(jié)構(gòu)件加工有著重要影響。

在飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計的過程中，需要通過全三維模擬技術(shù)，利用可參數(shù)化的特征三維模型和工藝知識解釋器，在對飛機結(jié)構(gòu)件進行特征標準的過程中，融入飛機結(jié)構(gòu)件加工工藝，從而實現(xiàn)智能化設(shè)計，在飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計階段做到兼顧后續(xù)的加工制造，實現(xiàn)智能化設(shè)計。

3? 飛機結(jié)構(gòu)件加工技術(shù)

盡管我國在飛機制造方面一直緊跟世界潮流，在飛機結(jié)構(gòu)件的制造過程中已經(jīng)實現(xiàn)了部分流程的數(shù)字化，但由于飛機結(jié)構(gòu)件較為復(fù)雜，特別是在設(shè)計大型的結(jié)構(gòu)件時，我國技術(shù)水平仍與西方發(fā)達國家具有較大的差距，具體表現(xiàn)在：飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計編程的周期較長，而且編程的質(zhì)量較低，這導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)件在制造的過程中容易出現(xiàn)變形甚至是折斷，在這樣的背景下，飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計不得不進行人工干預(yù)，因此當前我國飛機結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制造中仍是以人工為主，而這不利于我國飛機制造業(yè)的自動化與集成化發(fā)展。因此對飛機結(jié)構(gòu)件智能化自動化制造進行研究，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件柔性制造對于提升我國飛機工藝水平具有重要的意義。

3.1 集成化工藝編程平臺

飛機結(jié)構(gòu)件工藝編程是影響飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為解決這一問題，我國相關(guān)專家提出了面向航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的用戶自定義加工特征建模方法和基于全息屬性命名的加工特征識別方法，開發(fā)基于特征技術(shù)的智能編程系統(tǒng)，進而使復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件智能化設(shè)計成為可能。這一系統(tǒng)以工藝知識庫、切削參數(shù)庫和制造資源庫做支撐，在實現(xiàn)對飛機結(jié)構(gòu)件制造加工工藝自動識別的基礎(chǔ)上，能夠?qū)︼w機結(jié)構(gòu)件制作加工的流程進行合理的設(shè)計，并完成對加工程序的編制、檢測數(shù)據(jù)的生成等的規(guī)劃，通過這一智能編程系統(tǒng)能夠解決飛機結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計難題。隨著這一系統(tǒng)的進一步研發(fā)和升級，系統(tǒng)將具備更加完善的功能，從而使所有的飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與編程都能夠在計算機內(nèi)完成，一方面能縮短飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計和制造的時間，提升生產(chǎn)效率，另一方面，能夠?qū)w機工藝工作者從繁雜的編程工作中解放出來，使其能夠有更多的時間和精力專注于工藝技術(shù)進行研發(fā)，對工藝知識進行更新。

3.2 數(shù)控設(shè)備智能化評估與保障

數(shù)控機床是進行飛機結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)和加工的主要機械之一，其功能的好壞直接影響到了結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，而在智能化自動化生產(chǎn)過程中，對于數(shù)控機床的精密程度提出了更高的要求，不僅如此，無人干預(yù)的自動化生產(chǎn)中，數(shù)控機床還需要具備自身性能和故障進行預(yù)測評估的能力，以確保飛機結(jié)構(gòu)件能夠正常生產(chǎn)。

傳統(tǒng)的數(shù)控機床主要依靠人工檢測評估來確保其精密程度，然而這樣的方式需要技術(shù)人員在對機器進行檢測后進行大量的分析，同時也無法實時對機床的精密程度進行檢測，需要進行人工干預(yù)。而德國DST機床公司所開發(fā)的機床精度自診技術(shù)則能夠較好的解決這一問題，通過這一技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對機床狀況進行預(yù)判，從而對可能存在問題的部分進行提前檢修和維護，提升機床的使用效率。

3.3 加工過程自適應(yīng)控制技術(shù)

要實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件的自動化、智能化制造與加工不僅需要實現(xiàn)編程的智能化和加工機床設(shè)備的智能化，還涉及對刀具、裝夾的控制，從而防止結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)變形和損壞。

自適應(yīng)裝夾夾具需要根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)件的變形程度對夾力進行相應(yīng)的調(diào)整，在基于特征中間加工狀態(tài)評估、加工過程中特征的剛性的基礎(chǔ)上，結(jié)合實時監(jiān)測的切削刀調(diào)整夾緊力，使得夾緊力和切削力是相匹配的，通過這樣的方式防止變形產(chǎn)生。不僅如此，還需要根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)件的特征對飛機結(jié)構(gòu)件進行分組和分類，綜合考慮加工尺寸和加工工藝，從而設(shè)計出不同模塊的編程，通過將標準化的工裝防止在不同的生產(chǎn)線上實現(xiàn)自動化生產(chǎn)飛機結(jié)構(gòu)件。

3.4 數(shù)字化生產(chǎn)管控

數(shù)字化生產(chǎn)管控是未來飛機結(jié)構(gòu)件自動化、智能化生產(chǎn)的大腦，它集成了工廠所有的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進行分析，并依據(jù)分析進行生產(chǎn)決策，對工廠資源進行統(tǒng)一的智能化的調(diào)配。在應(yīng)用這一技術(shù)的過程中，不僅需要實際工廠的配合，同時還需要打造虛擬化的工廠，通過在虛擬化的工廠中對生產(chǎn)計劃進行虛擬運行來判斷計劃是否合理，從而對生產(chǎn)計劃進行調(diào)整。同時也需要不斷將實際的工廠生產(chǎn)和經(jīng)營的狀況反饋到虛擬工廠中去，使其更好地 學(xué)習(xí)實際工廠的運行流程，更加精準地對實際工廠的運行流程進行模擬。

4? 飛機結(jié)構(gòu)件制造協(xié)同平臺

現(xiàn)代的飛機制造是一個龐大的工程，往往需要通過多個國家跨地區(qū)合作來完成。飛機結(jié)構(gòu)件體型較小，然而品類繁多，在生產(chǎn)和研發(fā)的過程中面臨著設(shè)計更改問題，在全球化合作生產(chǎn)的背景下，就需要生產(chǎn)制造者能夠?qū)υO(shè)計做出及時的更改。在傳統(tǒng)的飛機制造過程中，飛機的設(shè)計環(huán)節(jié)和加工制造環(huán)節(jié)往往是相對獨立的，從飛機的設(shè)計到飛機的生產(chǎn)制造往往是單向的，只會有飛機設(shè)計的相關(guān)數(shù)據(jù)流向生產(chǎn)制造端，而飛機制造過程中的數(shù)據(jù)卻鮮少向飛機設(shè)計端進行反饋。因此在飛機數(shù)字化設(shè)計與制造的基礎(chǔ)上還需要建立飛機設(shè)計端和制造端的多元溝通渠道，構(gòu)建飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與生產(chǎn)的協(xié)同平臺，只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)件制造數(shù)據(jù)多方共享，達到設(shè)計協(xié)同、制造協(xié)同、設(shè)計與制造協(xié)同的狀態(tài)。

5? 總結(jié)

在飛機結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制造過程中引入數(shù)字化技術(shù)，經(jīng)過實踐證明能夠有效提升飛機設(shè)計與制造的效率，并減少生產(chǎn)成本，然而飛機結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制造基于其小批量、品類多的特點還需要輔以自動化、柔性化生產(chǎn)，因此在未來飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計和制造的過程中還需要引入人工智能技術(shù)，構(gòu)建飛機結(jié)構(gòu)件協(xié)同設(shè)計與制造平臺，打破傳統(tǒng)的飛機結(jié)構(gòu)件設(shè)計與制造相分離的狀態(tài)，打造智能化生產(chǎn)工廠。

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