歐陽佳，陳炳發(fā)

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

飛機裝配工裝功能模塊的成熟度評價

歐陽佳，陳炳發(fā)

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

為滿足飛機裝配工藝裝備的快速研制需求，根據(jù)飛機裝配工藝裝備功能模塊的結構特點，提出了裝配工藝裝備功能模塊成熟度的概念，構建了功能模塊成熟度模型。在此基礎上基于模糊理論，提出了專家調研法與層次模糊綜合評價方法，構建了成熟度評估模型。通過應用該評估方法評估計算某型號飛機APU艙門檢驗工裝移動卡板成熟度，為工裝項目管理人員控制工裝功能模塊研制過程提供了依據(jù)。

飛機工藝裝備；功能模塊；成熟度；評價

傳統(tǒng)的工藝裝備設計過程是分階段按時間順序串行排列的，是在上游階段完成后經(jīng)過嚴格的檢驗后交付與下游階段，在工裝設計上引起了許多問題: 工裝設計人員與工裝制造人員間缺乏溝通，工裝設計方案與制造工藝和生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境不相符；工裝設計部門在未與制造部門充分溝通情況下，選用了標準件和材料，在工裝發(fā)布后，發(fā)現(xiàn)設計過程中選用的標準件和材料存在問題，有時臨時更換也很難滿足工裝結構要求等。為了確保設計制造的有效銜接和控制，通過成熟度來控制和管理飛機裝配工裝設計過程，提高工裝一體化流程設計水平，從而最大限度的減少工裝設計發(fā)放后的更改，縮短設計和生產(chǎn)準備時間。因此，成熟度在工裝研制中應用起著至關重要的作用。

文中研究的工裝功能模塊成熟度是指在工裝設計過程中，對處于不同狀態(tài)的工裝進行階段性的評估和量化，用來描述工裝相關設計活動和目標完成的程度。為了使工裝結構模塊滿足設計要求，工裝部門設計人員可以通過控制工裝設計成熟度的動態(tài)變化進程使工裝功能模塊滿足設計要求。

現(xiàn)針對工裝功能模塊的并行設計過程進行了成熟度評估模型及評估方法的探討，采用專家評估與模糊綜合評估相結合的方法，并以某大型飛機APU艙門檢測工裝的具有移動功能的卡板組件為例，對其成熟度進行了評估，控制其研制過程。文中研究旨在控制和管理飛機工藝裝備功能模塊設計過程，實現(xiàn)對各個環(huán)節(jié)設計狀態(tài)準確把握，為工裝功能模塊的設計/工藝/制造的并行進行提過可靠依據(jù)，有效控制了飛機工裝設計的整體品質和進度。

1 工裝功能模塊成熟度模型

1.1 工裝功能模塊模型構建

成熟度模型MM(maturity model)是一套科學的體系和方法,表征某個事物從低級向高級發(fā)展、狀態(tài)不斷提升的過程，是生命周期研究方法具體運用的一個成果，也是用來描述如何提高或者獲得事物發(fā)展狀態(tài)的過程框。研究分析現(xiàn)有的成熟度模型，可以發(fā)現(xiàn)某些共同特性，主要體現(xiàn)在模型的開發(fā)目的、用途、內部結構和構成要素等方面。

在成熟度模型的基礎上，提出了裝配工裝功能模塊成熟度模型的基本概念。所謂的工裝功能模塊成熟度模型是一個等級描述的模型，是一種結構化與度量項目成熟度的方法，它為工裝設計部門，工裝制造車間等機構描述了一種設計成熟度的途徑，刻畫了工裝功能模塊的主要特征。

與裝配工裝設計相關的因素較多，因而要對工裝功能模塊進行準確的描述并不簡單，嘗試建立既包括工裝成熟度的諸多因素，又能直接描述成熟度狀況的描述體系是一個不錯的選擇，則可以從其他成熟度模型的研究獲得啟示，建立工裝功能模塊成熟度模型。建立工裝功能模塊成熟度模型可從與裝配工裝相關的六個外在表現(xiàn)來研究，分別為性能、模型、可制造性、可檢驗性、可維護性、創(chuàng)新性，從而工裝功能模塊成熟度模型由性能成熟度、模型成熟度、可制造性成熟度、可檢驗性成熟度、可維護性成熟度、創(chuàng)新性成熟度構成。

1.2 工裝功能模塊成熟度等級劃分

工裝設計周期是從飛機工藝裝備設計方案研制到正式發(fā)放完整的工裝模型所經(jīng)歷的全部時間，由五個并行關聯(lián)的階段組成，分別是性能成熟度周期，模型成熟周期，可制造性成熟周期，可維護成熟度周期，可檢驗成熟度周期，如圖1所示。

工裝功能模塊成熟度的劃分是在充分考慮企業(yè)自身的實際情況的基礎下進行的，其劃分和控制標準由企業(yè)的設計能力、制造水平等因素以及工裝的結構特點。

為了體現(xiàn)工裝功能的中間成熟過程，需要對工裝功能模塊成熟度進行等級劃分。根據(jù)工裝設計的實際工程要求，將工裝功能模塊的成熟度及其影響因素的評價等級劃分五個等級，分別為：非常成熟度，比較成熟，一般成熟，較不成熟，很不成熟，分別與成熟度級別：TML5、TML4、TML3、TML2、 TML1相對應，在各階段間設立控制節(jié)點M1、M2、M3、M4、M5。在工裝功能模塊設計生命周期中，該階段并行工作的開展需要滿足一定的條件，即上一階段成熟度達到控制節(jié)點要求。

1.3 工裝功能模塊成熟度關鍵過程域的確定

工裝功能模塊成熟度模型的每個等級都由幾個關鍵過程域組成，關鍵過程域指為達到該成熟度等級需要完成的一些核心活動。

1) 功能模塊設計起點的核心活動

設計起點的核心活動是指工裝方案的研究，設計與驗證的相關活動，通過對功能模塊的研究來實現(xiàn)工裝的設計和驗證。

2) 達到成熟度級別TML1后的核心活動

當方案研究和功能設計完善到一定程度即TML1成熟度級別時，工裝設計人員可以將此時的數(shù)模交給分析人員進行功能模塊模型空間分配、干涉分析和評估，實時了解數(shù)模設計與協(xié)調的情況。強度分析人員開始分析并校核模型強度。

3) 達到成熟度級別TML2后的核心活動

當達到TML2成熟度級別后，功能模塊數(shù)模的設計與協(xié)調也進展到了一定程度，工藝人員開始進行工藝相關活動。

4) 達到成熟度級別TML3后的核心活動

當達到TML3成熟度級別，意味著工裝功能模塊數(shù)模制造協(xié)調性較好，可以開展檢驗性活動。檢驗人員開始對功能模塊的安裝便捷與否和開敞性進行檢驗。

5) 達到成熟度級別TML4后的核心活動

達到TML4成熟度級別后，維護人員開始進行功能模塊的維護性設計、檢測與模擬工作。此活動的結束，意味著工裝功能模塊設計活動的完成。

2 裝配工裝功能模塊成熟度評價

2.1 工裝功能模塊成熟度綜合評估體系

工裝功能模塊設計成熟度評價集為兩層結構評價特征指標體系，評價指標合理與否對綜合評價影響極大,工裝功能模塊設計成熟度評價集為一個兩層的評價特征指標體系，評價指標體系如圖2所示。

圖2 工裝功能模塊設計成熟度評價體系

2.2 裝配工裝功能模塊成熟度評價模型

確定裝配工裝功能模塊成熟度綜合評估體系后，根據(jù)因素集構建評價模型并進行模糊計算，得到所需的工裝功能模塊成熟度。并提出了多級模糊綜合評價模型，其評估步驟如下：

1) 工裝功能模塊設計成熟度因素集劃分

2) 工裝功能設計成熟度的評價集劃分

工裝功能設計成熟度的評價集由集合V={v1，v2，……vk}表示，稱為工裝功能模塊設計成熟度評價集。第二級因素集對應的評價子集為Vi={vi1，vi2，……vis}，S為第二級因素集個數(shù)。

3) 一級模糊評價

對于每一因素集Ui={ai1，ai2，……aiki}，i=1,2……n的ki個第二級因素集，按照單因素評價模型進行評價，設wi={wi1，wi2，……wiki}為Ui的因素對應的權重集合，Ri={ri1,ri2……riki}表示Ui的因素及的總評價矩陣，Ci表示Ui的因素集模糊評價結果，Ci=wi·Ri=(ci1，ci2……cin)，i=1,2,……S。

4) 二級模糊評價

設W={w1，w2，……wi}為因素集U={U1，U2，……Un}的模糊權重集合,為C=(c1，c2……cn) =W·R。工裝功能模塊的因素集U={U1，U2，U3，U4，U5，U6}，{模型完成度U1、性能成熟度U2、創(chuàng)新性U3、可制造性U4、可維護性U5、可檢驗性U6}，各個因素集下包括不同數(shù)量的二級因素集，這些因素多為模糊不確定的，很難準確的評估每個的影響程度。針對因素子集的模糊性，將每個因素子集按其程度分為若干等級，得到相應的評判集。評判集通常由IPT負責人員給出。

3 實例

針對飛機APU艙門檢測工裝具有移動功能的卡板組件的設計，如圖3所示，繪制了如圖4所示卡板組件模型，根據(jù)模型中包含的功能模塊的數(shù)據(jù)，進行了該狀態(tài)下功能模塊的成熟度綜合模糊評價。首先進行專家打分，得出評判指標與評價集下的隸屬度矩陣，進而進行兩層綜合模糊評價，評估決策人員進行決策。

圖3 APU艙門檢驗工裝模型

圖4 帶移動功能的卡板組件MBD模型

3.1 權重確定

根據(jù)實際情況，邀請了某航空企業(yè)工裝部門的3名工裝設計專家和2名項目管理專家，完成工裝評估。專家權重系數(shù)表如表1所示。

表1 評估專家權重系數(shù)表

根據(jù)如上表格數(shù)據(jù)，得出專家權重分別為：{工裝設計專家1(δ1)，工裝設計專家2(δ2)，工裝設計專家3(δ3),項目管理專家4(δ4)，項目管理專家5(δ5)}={0.25，0.21，0.19，0.19，0.16 }。

3.2 因素集權重

工裝功能模塊結構評價體系中一級指標包括模型完成度U1、性能成熟度U2、創(chuàng)新性U3、可制造性U4、可維護性U5、可檢驗性U6，各包含不同數(shù)量的二級評價因素集。

每名專家對各因素級評判，以下僅列出工裝設計專家1對各級因素集的評判數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 一級因素集權重專家1賦值

續(xù)表2

創(chuàng)新性U30．12模型偏離度U310．5關鍵技術備度U320．5可制造性U4、0．20工藝設計完善程度U410．5可裝配性完善程度U420．5可檢驗性U60．16安裝便捷性U510．5檢驗開敞性U520．5

3.3 分值確定

五位專家對每個子因素集的評價指標進行判定，可以得到每個子因素集的隸屬矩陣。根據(jù)評價級別進行評價指標打分，以下僅列出了工裝設計專家1對評價指標的打分，如表3所示。

表3 各因素等級對該因素集的隸屬度(專家1)

3.4 層次模糊綜合評估

根據(jù)專家對各級因素級權重的確定和對二級評價因素評價，運用多級模糊綜合評價法進行工裝功能模塊成熟度評價。

1) 評價集模糊綜合評價

根據(jù)工裝功能模塊成熟度評價步驟，首先進行了一級模糊綜合評價。

功能模塊設計成熟度評價因素集合為U1=[U11，U12，U13]對應的權重ψ1==[ψ11,ψ12,ψ13]=[0.1 0.2 0.7]，第i位專家評估所得隸屬度矩陣為:

得出一級評審結果為：

2) 因素子集模糊綜合評價

功能模塊設計成熟度評價因素集合為U=[U1，U2，U3，U4，U5，U6]對應的權重ψ=[ψ1,ψ2,ψ3,ψ4,ψ5,ψ6]=[0.2 0.2 0.12 0.2 0.12 0.16]

專家1得到的結構為：

專家2得到的結構為：

專家3得到的結構為：

專家4得到的結構為：

專家5得到的結構為：

加如專家權重σ=[0.25 0.21 0.19 0.19 0.16]，得出評估結果：

C=[0.31 0.29 0.23 0.14 0.03]

3.5 評估分析

為了工裝功能模塊成熟度評判結果更加直觀，采用0到1之間的小數(shù)表示功能模塊成熟度的評價結果，評價級V=[非常成熟度(0.95)，比較成熟(0.75)，一般成熟(0.55)，較不成熟(0.35)，很不成熟(0.15)]，得出目標評價結果M=[0.95 0.75 0.55 0.35 0.15]· [0.31 0.29 0.23 0.14 0.03]=0.692，因此，移動卡板組件成熟度處于TML4級別(0.55

此時工裝部門將完成的移動卡板的數(shù)據(jù)共享到產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺，制造部門參考平臺上共享的移動卡板功能模塊MBD數(shù)據(jù)，從中獲得工裝部分已完善或者簡單的結構的制造信息，包括幾何信息，尺寸信息和材料規(guī)格信息，進行工裝材料預先準備和成品件的采購，從而縮短工時，提高工裝的研制效率。

4 結語

文中給出了裝配工裝功能模塊成熟度定義及評估模型，對某型號飛機APU艙門檢測工裝卡板功能模塊成熟度進行了多級模糊評估計算，得出了工裝功能模塊成熟度，為工裝后續(xù)研制提供了有效數(shù)據(jù)，有效控制飛機工裝設計的整體質量和進度。

[1] 高強，白玉玲，李敏，等. 航天地面設備產(chǎn)品成熟度等級定義探討[J]. 質量與可靠性，2012，4(160)：52-56.

[2] 周安寧，李文正. 面向飛機協(xié)同設計的零部件成熟度評估方法[J]. 中國機械工程，2013，24(1)：61-65.

[3] 陶劍，范玉青. 成熟度在飛機研制一體化流程的應用[J]. 北京航空航天大學學報，2006，32(9)：1117-1120.

[4] 陳陽平. 基于數(shù)字樣機的直升機協(xié)同設計研究與應用[D]. 南京：南京航空航天大學，2010.

[5] 王亞萍，白思俊，郭云濤. 基于全生命周期的國內飛機型號項目管理成熟度模型研究[J]. 航空制造技術，2013，(6)：70-72.

[6] 謝靜. 面向設計與制造協(xié)同的設計狀態(tài)成熟度模型[J]. 內江科技，2003，9：3-4.

[7] 鄒靈浩，郭東明，高航，等. 協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)設計成熟度的模糊預測方法[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2010，22(5)：791-796.

[8]卜廣志. 武器裝備體系的技術成熟度評估方法[J]. 系統(tǒng)工程理論與時間，2011，31(10)：1994-2000.

[9] 王立學，冷伏海，王海霞. 技術成熟度及其識別方法研究[J]. 情報分析與研究，2010，(3)：58-63.

[10] 朱毅麟.開展技術成熟度研究[J]. 航天標準化，2008，(2)：12-17.

Maturity Evaluation of Aircraft Assembly Tooling’s Functional Modular

OUYANG Jia,CHEN Bingfa

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China)

To meet the demand of aircraft assembly tooling’s rapid development, according to the structure features of aircraft assembly tooling, this paper puts forward the concept of maturity model of assembly tooling’s functional modue and builds its the maturity model. It uses the method of expert’s, investigation and hierarchical fuzzy comprehensive evaluation to establish the evaluation model of tool design maturity. Through the application of the evaluation method, it calculates the maturity of the aircraft inspection tooling APU cabin door and this provides the basis for the project managers to control the development of tooling’s functional module.

aircraft assembly tooling; functional module; maturity; assessment

歐陽佳(1990-)，女，江西吉安人，碩士研究生，研究方向：飛機工藝裝備。

V262.4

B

1671-5276(2015)05-0031-05

2014-03-07