馮波 李曉明 楊龍

航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所 陜西 西安 710068

引言

機載電子設(shè)備一般是指完成飛行任務(wù)、作戰(zhàn)任務(wù)以及為保證飛行員與成員安全、舒適而安置在飛機上的、有獨立功能裝置的總稱[1]。作為飛機的耳目、大腦和神經(jīng)，通常是由電子元器件、印制板及機械零部件組成。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，綜合化程度的逐步提高，機載電子設(shè)備呈現(xiàn)出高性能、小型化的發(fā)展趨勢，而惡劣的機載環(huán)境與高精度和可靠性的要求，使機載設(shè)備的設(shè)計和制造技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

1 機載電子設(shè)備數(shù)字化研制體系

“飛機數(shù)字化工程”是我國航空工業(yè)系統(tǒng)為了推進和促進數(shù)字化設(shè)計技術(shù)在飛機設(shè)計制造領(lǐng)域的應(yīng)用而啟動的一項重要工程，其目的是通過應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)改變傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的設(shè)計周期長、設(shè)計質(zhì)量低、設(shè)計花費大等缺點[2]。機載電子設(shè)備的設(shè)計對重量、散熱、強度、電磁兼容、三防等技術(shù)指標(biāo)有著極為嚴(yán)格的要求；生產(chǎn)也具有品種多，批量小，造價昂貴等特點，這就決定了數(shù)字化設(shè)計與制造技術(shù)應(yīng)用的必然性。本文分析了機載設(shè)備的研制流程，提出了一種機載設(shè)備的數(shù)字化研制體系，運用數(shù)字化、信息化技術(shù)將產(chǎn)品的設(shè)計、仿真與制造統(tǒng)一起來，能夠有效地減少了設(shè)備的研制周期，提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量。

機載電子設(shè)備的數(shù)字化研制體系是按照項目管理與制造執(zhí)行的思想，以產(chǎn)品研制任務(wù)為起點，以數(shù)據(jù)流向為脈絡(luò)，以數(shù)據(jù)集成和利用為重點，按照需求、設(shè)計、仿真、制造一體化的思想組織系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型，將設(shè)計信息、仿真信息、工藝信息、生產(chǎn)信息有機地結(jié)合在一起，統(tǒng)一底層數(shù)據(jù)傳輸路徑，實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)、信息的正確傳遞和有效重用，并通過數(shù)據(jù)追溯、相互關(guān)聯(lián)和前后繼承等方式組織和生成數(shù)據(jù)。

1.1 數(shù)字化設(shè)計環(huán)境

以航電、飛控等電子設(shè)備為例，當(dāng)前的電子設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了高度的模塊化，機械結(jié)構(gòu)也由過去分散、獨立的機箱發(fā)展成為集成機架和LRM（外場可更換模塊）的機械結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計也因此呈現(xiàn)出總體設(shè)計－模塊設(shè)計－系統(tǒng)集成這種多部門分工合作的模式，如圖1所示。首先，項目主管根據(jù)任務(wù)及需求完成系統(tǒng)的總體設(shè)計，確定設(shè)備對外的功能要求，接口要求。然后根據(jù)功能將系統(tǒng)拆分為多個功能模塊，分別由不同部門負責(zé)。模塊負責(zé)人再按照硬件邏輯設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、布板設(shè)計、軟件設(shè)計等任務(wù)安排具體設(shè)計人員開始詳細設(shè)計。其中各個設(shè)計環(huán)節(jié)既呈現(xiàn)出獨立的功能性設(shè)計，又存在相互的制約與協(xié)作。如其中結(jié)構(gòu)形式限制著電器硬件的互聯(lián)方式及布板面積，硬件的器件選擇與排布又對散熱、強度、電磁、可靠性等指標(biāo)提出了性能要求。這就需要各個設(shè)計環(huán)節(jié)協(xié)同完成整體設(shè)計，達成各種指標(biāo)的妥協(xié)，最終完成設(shè)計任務(wù)。要想實現(xiàn)各種信息交匯，完成多部門多信息的協(xié)作與共享，就需要各種軟件系統(tǒng)的集成，再加上項目管理系統(tǒng)對任務(wù)的管理與反饋，就構(gòu)成了最簡單的數(shù)字化設(shè)計環(huán)境。

圖1 數(shù)字化設(shè)計環(huán)境

計算機輔助設(shè)計技術(shù)（CAD）是數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的基礎(chǔ)。始于20世紀(jì)50年代，開始時只是輔助繪制二維工程圖的圖形系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)和工程學(xué)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)以特征造型和參數(shù)化設(shè)計為基礎(chǔ)的建模方法和三維設(shè)計系統(tǒng)[3]。最近，基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)（MBD）以其無可比擬的直觀性和與其他計算機輔助技術(shù)的集成性，漸漸成為新的工程定義標(biāo)準(zhǔn)，達到了數(shù)字化設(shè)計的新階段。處于同等地位的硬件邏輯設(shè)計、布板設(shè)計、軟件設(shè)計也有其相應(yīng)的專業(yè)設(shè)計軟件，幫助設(shè)計師更方便、直觀地實現(xiàn)計算機輔助設(shè)計。

計算機輔助工程技術(shù)（CAE）是數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的內(nèi)在。設(shè)計是表，仿真分析是里，渾然一體不可分割。隨著CAE技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的深入，仿真分析工作已經(jīng)開始從設(shè)計后期的復(fù)核復(fù)算滲透到設(shè)計前期對設(shè)計進行指導(dǎo)，傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的設(shè)計模式正迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛诜抡娣治龅默F(xiàn)代設(shè)計模式。可以說，現(xiàn)代產(chǎn)品的設(shè)計過程本質(zhì)上就是一個設(shè)計與數(shù)值仿真分析之間緊密協(xié)同、反復(fù)選代的過程。

產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)（PDM）是數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的支撐，它貫穿產(chǎn)品設(shè)計的整個流程，管理產(chǎn)品設(shè)計過程中生成的各類數(shù)據(jù)、文檔以及相關(guān)驗證試驗報告。設(shè)計類數(shù)據(jù)主要包括結(jié)構(gòu)三維模型、二維圖紙，電布線三維模型、各類屬性表、電路原理圖、PCB板層圖、原理模型以及軟件代碼等。設(shè)計文檔主要包括與設(shè)計數(shù)據(jù)相關(guān)的各類描述性文件，如任務(wù)書、需求書、設(shè)計書、更改單或設(shè)計更改報告、對設(shè)計數(shù)據(jù)進行說明、解釋的各類報告等。仿真類數(shù)據(jù)主要包括仿真模型、仿真腳本文件、仿真后處理結(jié)果文件、用于協(xié)同任務(wù)仿真過程中進行載荷傳遞的仿真結(jié)果文件等。仿真類文檔主要包括仿真分析報告。

1.2 數(shù)字化制造環(huán)境

數(shù)字化設(shè)計與數(shù)字化制造緊密相連，數(shù)字化設(shè)計的本質(zhì)是為數(shù)字化制造服務(wù)的。數(shù)字化制造環(huán)境同樣包括了多種信息系統(tǒng)。其制造流程如圖2所示：首先，工藝人員讀取PDM系統(tǒng)中的設(shè)計信息，運用CAPP系統(tǒng)派生或創(chuàng)成等方法進行工藝編制及工藝管理，以發(fā)展中的三維CAPP而言，已經(jīng)可以實現(xiàn)可視化的交互式生成加工工藝，并結(jié)合CAM系統(tǒng)檢驗產(chǎn)品的工藝性，生成刀軌文件，根據(jù)不同DNC數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)控系統(tǒng)進行后置處理，生成NC程序，完成NC程序的管理功能等。通過裝配過程仿真技術(shù)，生成可視化的裝配工藝，用來指導(dǎo)產(chǎn)品的現(xiàn)場裝配。然后車間調(diào)度根據(jù)MES系統(tǒng)的計劃安排，根據(jù)ERP系統(tǒng)的資源情況，進行生產(chǎn)的排產(chǎn)。生產(chǎn)加工是數(shù)字化制造的核心，加工能力的提升能夠帶動整個制造產(chǎn)業(yè)的飛躍。分布式數(shù)字控制（DNC）正是為實現(xiàn)多臺機床NC程序的雙向傳輸和在線加工，實現(xiàn)NC程序海量存儲和集成化管理的工具。

圖2 數(shù)字化制造環(huán)境

2 結(jié)束語

機載電子設(shè)備數(shù)字化設(shè)計制造過程的實質(zhì)，是對一個產(chǎn)品進行細化分解，完成包括尺寸、重量、位置、熱耗、環(huán)境條件等多重物理信息的數(shù)字化建模，并以仿真校驗設(shè)計，然后將設(shè)計數(shù)據(jù)向零件制造、器件焊接、部件裝配、測量檢驗進行傳遞和處理的過程。在此過程中，如何運用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式、暢通的數(shù)據(jù)傳輸路徑、高效的數(shù)據(jù)獲取方法就成為衡量企業(yè)信息化進程的重要指標(biāo)。