史肖飛 王輝

摘要：本文通過面向裝配的模塊劃分技術(shù)、MBD設(shè)計技術(shù)和模塊成熟度技術(shù)的應用，探討解決現(xiàn)有飛機研制中暴露的設(shè)計與制造分離的問題，提出面向裝配的民用飛機設(shè)計制造一體化設(shè)計，使制造單位的工藝提前介入產(chǎn)品設(shè)計，在模塊劃分時充分考慮可裝配性、在模塊MBD定義時完整定義工藝信息、在模塊成熟度提升時進行工藝審查，實現(xiàn)設(shè)計與工藝的并行；并構(gòu)建設(shè)計與制造統(tǒng)一的工程數(shù)據(jù)平臺和協(xié)同設(shè)計環(huán)境，充分發(fā)揮模塊化設(shè)計和模塊化制造的優(yōu)勢，提升飛機設(shè)計制造效率和質(zhì)量，縮短研制周期。

關(guān)鍵詞：民用飛機；設(shè)計制造一體化；模塊化設(shè)計；裝配；成熟度

中圖分類號：V221文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.02.008

民用飛機研制是一項非常復雜、高度綜合的系統(tǒng)工程，研制時間漫長，專業(yè)覆蓋面廣，產(chǎn)品數(shù)據(jù)龐大。在國內(nèi)民用飛機研制中，長期以來存在著研發(fā)單位和制造單位的分離局面，導致產(chǎn)品、工藝、工裝、生產(chǎn)和檢驗等方面不能有效協(xié)同和融合[1]。如何解決產(chǎn)品設(shè)計完成之后，由研發(fā)單位將產(chǎn)品設(shè)計模型發(fā)放給制造單位，再由制造單位依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計模型進行工藝裝配的串行研制，從而導致產(chǎn)品研制周期加長的問題；當產(chǎn)品設(shè)計模型發(fā)生更改時，研發(fā)單位需要將新的產(chǎn)品設(shè)計模型發(fā)放給制造單位，由于更改過程中工藝協(xié)調(diào)不到位，模型更改數(shù)據(jù)的傳遞和貫徹不及時，造成設(shè)計制造協(xié)調(diào)困難，出現(xiàn)返工現(xiàn)象嚴重，影響飛機研制的進度和質(zhì)量，給飛機帶來研制周期的延長和研制成本的增加。上述兩個問題，已成為影響我國民用飛機設(shè)計制造技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸[2-3]。

為了解決好上述問題，提高飛機的研制效率和質(zhì)量，降低飛機的研制成本，通過對民用飛機研制過程中存在問題的梳理與研究，借鑒國外民用飛機研制經(jīng)驗，在民用飛機研發(fā)過程中，引入設(shè)計制造一體化研發(fā)理念，優(yōu)化模塊劃分技術(shù)，完善基于模型的定義（model based definition，MBD）設(shè)計技術(shù)和模塊成熟度技術(shù)，使制造工藝設(shè)計、工裝設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計并行開展；采用設(shè)計制造一體化的更改請求（requests for change， RFC）協(xié)同更改模式，減少研發(fā)過程中的設(shè)計反復和制造重復，縮短研制周期，實現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)型狀態(tài)的一致性、可控性和可追溯性。同時確保更改數(shù)據(jù)能夠及時、正確地貫徹到產(chǎn)品上，建立完整、有效、實時的設(shè)計與制造統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)真正意義上的面向裝配的設(shè)計制造一體化協(xié)同。

1設(shè)計制造一體化的目的和意義

我國早期的飛機研制是在蘇聯(lián)飛機設(shè)計和制造的模式上發(fā)展起來的，設(shè)計工作由飛機研發(fā)單位承擔，飛機的零部件制造和總裝集成由飛機制造單位來完成。雖然分工明確，責任清晰，但協(xié)調(diào)關(guān)系復雜，研制過程中由于各種協(xié)調(diào)問題造成的反復和返工非常常見，導致飛機研制中技術(shù)協(xié)調(diào)路徑狹長，技術(shù)決策遲滯，嚴重影響飛機的研制進度和研制質(zhì)量。隨著新的設(shè)計理念和手段的提升，特別是數(shù)字化設(shè)計工具的使用，在一定程度上提高了設(shè)計協(xié)調(diào)和技術(shù)決策的效率，但還是沒有真正解決設(shè)計與制造的瓶頸問題。

為了徹底解決設(shè)計與制造之間的技術(shù)瓶頸，提高飛機研制質(zhì)量，縮短研制周期，在充分分析現(xiàn)有研制模式的基礎(chǔ)上，以精益的思想，構(gòu)建設(shè)計制造一體化并行協(xié)同工作機制，打破以往的分工界面，優(yōu)化研制流程，初步建立了民用飛機設(shè)計制造一體化研制體系和研制模式，最大限度發(fā)揮并行協(xié)同的效益。

飛機設(shè)計制造一體化是指應用并行工程、協(xié)同設(shè)計制造的理念，以數(shù)字化信息技術(shù)對傳統(tǒng)的飛機研制模式進行改造，構(gòu)建產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計、協(xié)同制造環(huán)境，共享唯一數(shù)據(jù)源，過程可控可追溯，以實現(xiàn)縮短研制周期、節(jié)省研制成本、提升產(chǎn)品質(zhì)量的最終目的[4]。本文應用研究的主要內(nèi)容如下：

（1）面向裝配的模塊劃分技術(shù)

充分考慮制造分離面的劃分和制造的組裝工序，避免模塊或零組件的拆分和再次組合，使設(shè)計、工藝、生產(chǎn)制造、成本核算、人工時統(tǒng)計等圍繞同一個模塊開展工作。

（2）面向裝配的MBD設(shè)計技術(shù)

充分考慮生產(chǎn)制造的裝配工藝、工裝需求，利用MBD設(shè)計技術(shù)，確保設(shè)計與工藝、工裝數(shù)據(jù)的唯一性和準確性。

（3）面向裝配的模塊成熟度技術(shù)

在產(chǎn)品設(shè)計初期的模塊設(shè)計不斷優(yōu)化、不斷成熟的過程中，全面考慮工藝需求和裝配工序，應用模塊成熟度技術(shù)，減少迭代，充分發(fā)揮設(shè)計與制造并行工作優(yōu)勢。

2面向裝配的模塊劃分技術(shù)應用研究

2.1模塊化設(shè)計的需求來源

模塊化設(shè)計就是按照功能特性將飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為一個個相對獨立的構(gòu)型項，并以設(shè)計模塊為單元組織具體的零部件或相關(guān)信息來實現(xiàn)構(gòu)型項所規(guī)定的要求。模塊化設(shè)計的需求來源如下[5]：（1）客戶需求：安全和可靠性需求、系列化和多樣化需求、交付周期和準時交付的需求、降低全壽命成本的需求、維修性需求等。（2）公司商業(yè)利益的需求：上市時間和產(chǎn)品交付周期要求，擴大可重用性，加速新產(chǎn)品開發(fā)，增加客戶滿意度，達到商業(yè)上的成功。（3）工業(yè)化需求：適應大規(guī)模裝配生產(chǎn)的需要，降低成本，減少錯誤和返工，提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量，提高一次成功率。

2.2模塊化劃分的原則及考慮因素

以往的設(shè)計模塊劃分主要由設(shè)計人員負責完成。在實際型號應用中，站在設(shè)計人員角度，往往只考慮了產(chǎn)品功能獨立性、模塊顆粒度適中性、設(shè)計重用性、數(shù)據(jù)唯一性和完整性等因素，而沒有考慮工裝工藝的設(shè)計需求，沒有考慮生產(chǎn)制造的加工需求，僅僅保證了設(shè)計功能模塊的完整性。這樣容易造成研發(fā)單位發(fā)放到制造單位的設(shè)計模塊，不能直接應用到工裝工藝的設(shè)計工作中，還需通過拆分和重組設(shè)計模塊，才能開展工裝工藝設(shè)計工作，造成了型號周期的浪費和設(shè)計制造迭代的反復。

渦槳支線飛機研制中采用了面向裝配的模塊劃分技術(shù)，設(shè)計制造均以設(shè)計模塊作為最小工作單元，圍繞同一個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建制造裝配結(jié)構(gòu)樹。在設(shè)計人員進行設(shè)計模塊劃分時，邀請制造單位的工藝設(shè)計人員提前介入，充分考慮工藝可實現(xiàn)性和制造方便性，避免設(shè)計模塊在制造端被拆散重組；盡量保留設(shè)計模塊的完整性和在制造工藝中的一致性。

通過這種面向裝配的模塊劃分技術(shù)應用研究，將模塊化理念融入飛機設(shè)計、制造和構(gòu)型管理中，實現(xiàn)同一產(chǎn)品研制過程的各子模塊的并行設(shè)計與生產(chǎn)制造。既減少了設(shè)計工作量，又降低了技術(shù)錯誤的重復出現(xiàn)率，也提升了功能部件的互換性、維修性和生產(chǎn)性，使工藝和生產(chǎn)管理簡化、方便[6]。

在渦槳支線飛機研制過程中，按自上而下的方法，逐級建立了飛機產(chǎn)品各層級的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品的構(gòu)型管理從零散的零件管理提升到模塊化數(shù)據(jù)管理，解決了制造工藝設(shè)計重新拆分和組織設(shè)計模塊的難題，使串行工作模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿袇f(xié)同工作模式，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計和模塊化制造的優(yōu)勢，使制造裝配工藝更為簡單，設(shè)計制造符合性追溯更為清晰，為后續(xù)產(chǎn)品的制造奠定了基礎(chǔ)。具體體現(xiàn)在以下方面：（1）通過模塊化設(shè)計，可以提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)的重用性，加快系列化和個性化產(chǎn)品的開發(fā)；（2）推行先進的模塊化生產(chǎn)和裝配模式，縮短交付周期，降低成本；有利于產(chǎn)品的維修性和客戶增值服務；（3）有利于進行接口定義，通過建立部件交付規(guī)范，形成真正的主制造商—供應商模式的研制體系。

面向裝配的模塊化設(shè)計使產(chǎn)品研制主線實現(xiàn)了唯一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品信息，為打通產(chǎn)品數(shù)據(jù)設(shè)計與工藝、產(chǎn)品與工裝、產(chǎn)品與供應鏈、產(chǎn)品與質(zhì)量管控、產(chǎn)品與服務保障等系列相關(guān)的協(xié)同工作奠定了基礎(chǔ)，形成了基于物料清單（bill of material，BOM）的數(shù)據(jù)傳遞模式，如圖1所示。

3面向裝配的MBD設(shè)計技術(shù)應用研究

MBD設(shè)計技術(shù)就是在全三維設(shè)計環(huán)境下，定義飛機產(chǎn)品特征樹上零件、裝配件的材料描述、模型屬性、加工方法、工程注釋、連接定義等非幾何信息。它將三維設(shè)計信息、三維制造信息和產(chǎn)品管理信息共同定義到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型中，使制造單位以三維數(shù)字化模型為依據(jù)，開展工藝和工裝設(shè)計，以及后續(xù)的制造、裝配和檢驗等工作[7]。

但是在實際型號應用中，由于國內(nèi)長期存在研發(fā)單位和制造單位分離的實際現(xiàn)狀，每個型號又都有自己的特點，在MBD設(shè)計技術(shù)應用的過程中，由于MBD設(shè)計技術(shù)標準不夠完整，定義的設(shè)計、工藝、工裝、檢驗等數(shù)據(jù)不夠規(guī)范，往往表現(xiàn)出來的是對工作內(nèi)容定義不清、設(shè)計與工藝的關(guān)聯(lián)度弱、對設(shè)計與工藝的并行理解有所欠缺等問題，導致推諉扯皮和界面不清的現(xiàn)象常有發(fā)生，影響型號工作的有序推進。為解決和規(guī)避以上現(xiàn)象和問題，在渦槳支線飛機研制中，從MBD設(shè)計標準升級和設(shè)計模型標準化自動審核兩個方面開展研究。

3.1 MBD設(shè)計標準升級研究

近年來，隨著MBD設(shè)計技術(shù)的不斷推進，三維建模技術(shù)得到發(fā)展，相關(guān)的三維建模標準相繼發(fā)布。但對制造信息的MBD技術(shù)還只是對原來二維圖樣上制造信息的照搬，基本沒有考慮設(shè)計制造一體化的問題。雖然在三維數(shù)模中包含了制造信息，但如何將制造信息有效、準確、快速傳遞給制造部門，還停留在二維圖樣的水平，MBD技術(shù)的作用還沒有真正發(fā)揮出來。

針對上述問題，結(jié)合渦槳支線飛機型號研制，開展了基于MBD的設(shè)計制造一體化標準規(guī)范研究，對材料信息、工藝加工方法標注，裝配、連接信息、密封信息等工藝元素信息標注，工程注釋標注等MBD設(shè)計標準進行了升級完善。

首先，將上述制造信息按照技術(shù)標準和飛機型號需求進行梳理，按照MBD技術(shù)要求進行標準化和結(jié)構(gòu)化處理，建立基于MBD技術(shù)的材料信息標準庫、工藝加工方法標準庫和工程注釋標準庫。其次，基于現(xiàn)有的CATIA設(shè)計平臺，制定制造信息MBD三維標注使用標準，指導設(shè)計和工藝人員開展制造信息的MBD設(shè)計建模工作，保證制造信息的正確性。最后，對MBD模型三維標注進行了規(guī)范，明確了三維標注的幾何信息和非幾何信息內(nèi)容。幾何信息除了在三維實體上標注外，特征樹上還自動生成相應節(jié)點；非幾何信息直接標注在特征樹上。建模過程在特征樹自動生成的節(jié)點，如外部參考、過程元素、復合參數(shù)、鈑金參數(shù)等不屬于三維標注信息，形成模型三維標注的規(guī)范特征樹。零件和裝配件的特征樹信息如圖2所示。

3.2 MBD制造信息的審核研究

為保證三維設(shè)計數(shù)模設(shè)計制造信息的完整性，制定了三維設(shè)計數(shù)模的設(shè)計制造信息審核標準，并開發(fā)三維數(shù)模并行審核程序，在模型建模過程中和結(jié)束后，分階段對設(shè)計數(shù)模的設(shè)計信息/制造信息完整性和正確性進行審查，確保相關(guān)信息正確完整，并可被系統(tǒng)識別和提取，使設(shè)計人員與工藝人員在設(shè)計制造統(tǒng)一的協(xié)同平臺數(shù)字化協(xié)同環(huán)境（digital collaboration environment，DCE）上形成基于唯一數(shù)據(jù)源廠所一體化協(xié)同研制模式，提升并行程度，為后續(xù)制造工作的快捷性奠定基礎(chǔ)。

開展面向裝配的MBD設(shè)計技術(shù)應用研究，在產(chǎn)品設(shè)計階段，制造工藝設(shè)計人員提前介入產(chǎn)品設(shè)計工作，以設(shè)計模塊為最小構(gòu)型管理單元，對模塊中零組件三維數(shù)模結(jié)構(gòu)、可制造性、材料信息、標注等進行并行審查，確定零組件的可加工性。當產(chǎn)品數(shù)模不利于加工工藝實現(xiàn)或者存在明顯設(shè)計缺陷時，工藝人員可與設(shè)計人員在線交流，圍繞零件的工藝性、結(jié)構(gòu)符合性、設(shè)計初始意圖進行在線研討，在滿足設(shè)計要求的同時，盡量使產(chǎn)品便于機械加工與檢測，在產(chǎn)品數(shù)模正式發(fā)布前完成預審查[8]。

在DCE平臺上，將工藝設(shè)計所需要的信息與產(chǎn)品設(shè)計人員進行充分溝通和確認，由產(chǎn)品設(shè)計人員在進行模型設(shè)計時，一方面將反映產(chǎn)品材料信息、加工方法、模型屬性、工程注釋等設(shè)計元素信息定義在設(shè)計模塊（design module，DM）中；另一方面將反映產(chǎn)品的裝配、連接信息、密封信息、版次信息等工藝元素信息定義在R-DM模塊中。從而實現(xiàn)工藝設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)協(xié)同，解決了以往設(shè)計定義信息與工裝工藝需求不一致問題，提高了產(chǎn)品的可制造性、可裝配性和維修性。

4面向裝配的模塊成熟度技術(shù)應用研究

三維模型成熟度技術(shù)在很多型號中得到了應用，但是往往表現(xiàn)出設(shè)計與制造脫離的現(xiàn)象。

由于研發(fā)單位和制造單位的分離，研發(fā)單位有研發(fā)平臺，制造單位有制造平臺，數(shù)據(jù)平臺不統(tǒng)一，并沒有真正將工藝并行工作提前到產(chǎn)品初步設(shè)計階段。只有當設(shè)計模型具備一定成熟度后，通過設(shè)計模型的數(shù)據(jù)發(fā)放，制造單位的工裝工藝設(shè)計人員才能看到設(shè)計人員的成熟模型，如果發(fā)現(xiàn)制造裝配性差、工藝實現(xiàn)難的情況，只能拒回研發(fā)單位的設(shè)計，由設(shè)計完善后再次發(fā)放設(shè)計模型。這樣型號研制效率低下，設(shè)計反復周期長，影響制造單位的開工生產(chǎn)。

分析其原因，主要是設(shè)計人員在進行模型設(shè)計時，僅僅使用模型成熟度來表達自己設(shè)計的三維模型的成熟過程，而對設(shè)計模型的可制造性考慮較少，沒有將可制造性納入模型的成熟度評估范圍。為解決這個問題，應從以下兩方面提出解決方案。

4.1優(yōu)化現(xiàn)有的三維設(shè)計模塊成熟度評判標準

飛機設(shè)計模塊的成熟度一般定義7級（MM1～MM7），其中，MM1～MM3屬于二級數(shù)字樣機階段，MM4～MM7屬于三級數(shù)字樣機階段。各級成熟度標識與設(shè)計模塊狀態(tài)一一建立了對應關(guān)系，具體見表1。

在上述的飛機產(chǎn)品設(shè)計中，各級成熟度判定標準的定義偏重設(shè)計與設(shè)計之間的協(xié)調(diào)，對制造、工藝、裝配信息的考慮較少，通過模塊成熟度的控制沒有能夠解決制造工程中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計問題。

在渦槳支線飛機的研制中，針對以往飛機研制中出現(xiàn)的問題，結(jié)合飛機研制階段及項目研制里程碑計劃，基于模塊化設(shè)計對成熟度評判標準進行了研究，完善和補充了對制造信息的成熟度考慮因素，對相應的模塊成熟度等級定義了設(shè)計與設(shè)計、設(shè)計與工藝協(xié)同工作的內(nèi)容及要求，制定了包含制造信息要素的模塊成熟度評判標準。模塊成熟度設(shè)計制造并行工作的內(nèi)容如圖3所示。

4.2基于統(tǒng)一成熟度標準的設(shè)計制造協(xié)同工作

為保證飛機數(shù)據(jù)的準確性和一致性，渦槳支線飛機以設(shè)計模塊為單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源，構(gòu)建了一個面向產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)管理平臺，將傳統(tǒng)的工程物料清單（engineering bill of material，EBOM）向工藝物料清單（process bill of material，PBOM）重構(gòu)的工藝規(guī)劃模式轉(zhuǎn)化為EBOM/ PBOM融合定義，共用底層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，解決了過去在BOM重構(gòu)過程中出現(xiàn)的差錯，為下游制造提供了符合要求的、一致的物料清單[9]。

設(shè)計人員和工藝人員依據(jù)成熟度開展產(chǎn)品設(shè)計、工藝審查、工藝路線定義、工藝派生件設(shè)計、裝配工裝設(shè)計等工作，在工藝可行性審查階段完成工藝路線的定義，實現(xiàn)從基于數(shù)據(jù)發(fā)送接收的串行模式轉(zhuǎn)向設(shè)計制造一體化并行模式。

渦槳支線飛機基于完整的全機結(jié)構(gòu)化設(shè)計數(shù)據(jù)，構(gòu)建自頂向下消耗式全機裝配數(shù)據(jù)制造物料清單（manufacturing bill of material，MBOM）。實現(xiàn)了設(shè)計CI-CS-DM的消耗、設(shè)計DM-零組件的消耗、設(shè)計零組件-零件的消耗，確保設(shè)計數(shù)據(jù)的完整性、準確性和一致性，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計和模塊化制造的優(yōu)勢，使制造裝配工藝更為簡單清晰。

在產(chǎn)品設(shè)計的模塊成熟度階段，利用統(tǒng)一的服務器與數(shù)據(jù)庫，通過模塊成熟度提升流程控制和工藝可行性審查確認環(huán)節(jié)，規(guī)范成熟度數(shù)據(jù)審簽及工藝預審查的審簽流程，指導設(shè)計、工藝及相關(guān)審核、批準人員進行數(shù)據(jù)的審簽工作，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造工藝的協(xié)同設(shè)計和數(shù)據(jù)發(fā)放的有效管控。

設(shè)計制造的一體化協(xié)同工作，使得在產(chǎn)品設(shè)計階段及早發(fā)現(xiàn)并解決工藝性問題，減少后期的設(shè)計更改，提升產(chǎn)品的可制造性，也使得工藝審查和設(shè)計提前到產(chǎn)品初步設(shè)計階段，顯著提升設(shè)計制造的并行程度，提高設(shè)計到工藝的工作效率，大大縮短了設(shè)計到制造的研制周期。

5結(jié)束語

通過對基于模塊化的民用飛機設(shè)計制造一體化應用深入研究，提煉出面向裝配的模塊化劃分原則和方法，建立了面向裝配的設(shè)計制造一體化MBD設(shè)計標準規(guī)范，完善了面向裝配的設(shè)計模塊成熟度評判標準，實現(xiàn)了設(shè)計與制造的并行協(xié)同，并通過了型號驗證。

該技術(shù)在現(xiàn)有型號民用飛機上得到了應用，結(jié)果表明，面向裝配的民用飛機設(shè)計制造一體化技術(shù)的應用可以提高設(shè)計與工藝、工裝的協(xié)同設(shè)計優(yōu)勢，縮短了民用飛機的研制周期，為國內(nèi)民用飛機的更快發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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（責任編輯王為）

作者簡介

史肖飛（1979-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：飛機總體設(shè)計。

Tel：13519167560

E-mail：leight108@163.com

Research on Civil Aircraft Design and Manufacturing Integration for Assembly

Shi Xiaofei*，Wang Hui

AVIC Xifei Civil Aircraft Co.，Ltd.，Xian 710089，China

Abstract： Through the application of module division technology， MBD design technology and module maturity technology， this paper discusses and solves the problem of separation of design and manufacturing exposed in the development of existing aircraft， and puts forward research on civil aircraft design and manufacturing integration for assembly， which enables the process of manufacturing units to intervene in product design in advance， and fully considers the assembly ability in module division and the determination in module MBD fully defines the process information， conducts process review when the module maturity is improved， and realizes the parallel of design and process. It also constructs a unified engineering data platform and collaborative design environment for design and manufacturing， gives full play to the advantages of modular design and modular manufacturing， improves the efficiency and quality of aircraft design and manufacturing， and shortens the development cycle.

Key Words： civil aircraft； design and manufacturing integration； module design； assembly； maturity