面向裝配的民用飛機設計制造一體化應用研究

史肖飛 王輝

摘要：本文通過面向裝配的模塊劃分技術、MBD設計技術和模塊成熟度技術的應用，探討解決現有飛機研制中暴露的設計與制造分離的問題，提出面向裝配的民用飛機設計制造一體化設計，使制造單位的工藝提前介入產品設計，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，實現設計與工藝的并行；并構建設計與制造統一的工程數據平臺和協同設計環境，充分發揮模塊化設計和模塊化制造的優勢，提升飛機設計制造效率和質量，縮短研制周期。

關鍵詞：民用飛機；設計制造一體化；模塊化設計；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、高度綜合的系統工程，研制時間漫長，專業覆蓋面廣，產品數據龐大。在國內民用飛機研制中，長期以來存在著研發單位和制造單位的分離局面，導致產品、工藝、工裝、生產和檢驗等方面不能有效協同和融合[1]。如何解決產品設計完成之后，由研發單位將產品設計模型發放給制造單位，再由制造單位依據產品設計模型進行工藝裝配的串行研制，從而導致產品研制周期加長的問題；當產品設計模型發生更改時，研發單位需要將新的產品設計模型發放給制造單位，由于更改過程中工藝協調不到位，模型更改數據的傳遞和貫徹不及時，造成設計制造協調困難，出現返工現象嚴重，影響飛機研制的進度和質量，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計制造技術發展的重要瓶頸[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驗，在民用飛機研發過程中，引入設計制造一體化研發理念，優化模塊劃分技術，完善基于模型的定義（model based definition，MBD）設計技術和模塊成熟度技術，使制造工藝設計、工裝設計與產品設計并行開展；采用設計制造一體化的更改請求（requests for change， RFC）協同更改模式，減少研發過程中的設計反復和制造重復，縮短研制周期，實現產品構型狀態的一致性、可控性和可追溯性。同時確保更改數據能夠及時、正確地貫徹到產品上，建立完整、有效、實時的設計與制造統一的產品數據源，實現真正意義上的面向裝配的設計制造一體化協同。

1設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飛機設計和制造的模式上發展起來的，設計工作由飛機研發單位承擔，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，但協調關系復雜，研制過程中由于各種協調問題造成的反復和返工非常常見，導致飛機研制中技術協調路徑狹長，技術決策遲滯，嚴重影響飛機的研制進度和研制質量。隨著新的設計理念和手段的提升，特別是數字化設計工具的使用，在一定程度上提高了設計協調和技術決策的效率，但還是沒有真正解決設計與制造的瓶頸問題。

為了徹底解決設計與制造之間的技術瓶頸，提高飛機研制質量，縮短研制周期，在充分分析現有研制模式的基礎上，以精益的思想，構建設計制造一體化并行協同工作機制，打破以往的分工界面，優化研制流程，初步建立了民用飛機設計制造一體化研制體系和研制模式，最大限度發揮并行協同的效益。

飛機設計制造一體化是指應用并行工程、協同設計制造的理念，以數字化信息技術對傳統的飛機研制模式進行改造，構建產品的協同設計、協同制造環境，共享唯一數據源，過程可控可追溯，以實現縮短研制周期、節省研制成本、提升產品質量的最終目的[4]。本文應用研究的主要內容如下：

（1）面向裝配的模塊劃分技術

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，使設計、工藝、生產制造、成本核算、人工時統計等圍繞同一個模塊開展工作。

（2）面向裝配的MBD設計技術

充分考慮生產制造的裝配工藝、工裝需求，利用MBD設計技術，確保設計與工藝、工裝數據的唯一性和準確性。

（3）面向裝配的模塊成熟度技術

在產品設計初期的模塊設計不斷優化、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，減少迭代，充分發揮設計與制造并行工作優勢。

2面向裝配的模塊劃分技術應用研究

2.1模塊化設計的需求來源

模塊化設計就是按照功能特性將飛機產品結構劃分為一個個相對獨立的構型項，并以設計模塊為單元組織具體的零部件或相關信息來實現構型項所規定的要求。模塊化設計的需求來源如下[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）公司商業利益的需求：上市時間和產品交付周期要求，擴大可重用性，加速新產品開發，增加客戶滿意度，達到商業上的成功。（3）工業化需求：適應大規模裝配生產的需要，降低成本，減少錯誤和返工，提高產品裝配質量，提高一次成功率。

2.2模塊化劃分的原則及考慮因素

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

渦槳支線飛機研制中采用了面向裝配的模塊劃分技術，設計制造均以設計模塊作為最小工作單元，圍繞同一個產品結構樹構建制造裝配結構樹。在設計人員進行設計模塊劃分時，邀請制造單位的工藝設計人員提前介入，充分考慮工藝可實現性和制造方便性，避免設計模塊在制造端被拆散重組；盡量保留設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應用研究，將模塊化理念融入飛機設計、制造和構型管理中，實現同一產品研制過程的各子模塊的并行設計與生產制造。既減少了設計工作量，又降低了技術錯誤的重復出現率，也提升了功能部件的互換性、維修性和生產性，使工藝和生產管理簡化、方便[6]。

在渦槳支線飛機研制過程中，按自上而下的方法，逐級建立了飛機產品各層級的產品結構，使產品的構型管理從零散的零件管理提升到模塊化數據管理，解決了制造工藝設計重新拆分和組織設計模塊的難題，使串行工作模式轉變為并行協同工作模式，充分體現了模塊化設計和模塊化制造的優勢，使制造裝配工藝更為簡單，設計制造符合性追溯更為清晰，為后續產品的制造奠定了基礎。具體體現在以下方面：（1）通過模塊化設計，可以提高產品數據的重用性，加快系列化和個性化產品的開發；（2）推行先進的模塊化生產和裝配模式，縮短交付周期，降低成本；有利于產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計使產品研制主線實現了唯一數據源的產品信息，為打通產品數據設計與工藝、產品與工裝、產品與供應鏈、產品與質量管控、產品與服務保障等系列相關的協同工作奠定了基礎，形成了基于物料清單（bill of material，BOM）的數據傳遞模式，如圖1所示。

3面向裝配的MBD設計技術應用研究

MBD設計技術就是在全三維設計環境下，定義飛機產品特征樹上零件、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。它將三維設計信息、三維制造信息和產品管理信息共同定義到產品的三維數字化模型中，使制造單位以三維數字化模型為依據，開展工藝和工裝設計，以及后續的制造、裝配和檢驗等工作[7]。

但是在實際型號應用中，由于國內長期存在研發單位和制造單位分離的實際現狀，每個型號又都有自己的特點，在MBD設計技術應用的過程中，由于MBD設計技術標準不夠完整，定義的設計、工藝、工裝、檢驗等數據不夠規范，往往表現出來的是對工作內容定義不清、設計與工藝的關聯度弱、對設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象常有發生，影響型號工作的有序推進。為解決和規避以上現象和問題，在渦槳支線飛機研制中，從MBD設計標準升級和設計模型標準化自動審核兩個方面開展研究。

3.1 MBD設計標準升級研究

近年來，隨著MBD設計技術的不斷推進，三維建模技術得到發展，相關的三維建模標準相繼發布。但對制造信息的MBD技術還只是對原來二維圖樣上制造信息的照搬，基本沒有考慮設計制造一體化的問題。雖然在三維數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技術的作用還沒有真正發揮出來。

針對上述問題，結合渦槳支線飛機型號研制，開展了基于MBD的設計制造一體化標準規范研究，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設計標準進行了升級完善。

首先，將上述制造信息按照技術標準和飛機型號需求進行梳理，按照MBD技術要求進行標準化和結構化處理，建立基于MBD技術的材料信息標準庫、工藝加工方法標準庫和工程注釋標準庫。其次，基于現有的CATIA設計平臺，制定制造信息MBD三維標注使用標準，指導設計和工藝人員開展制造信息的MBD設計建模工作，保證制造信息的正確性。最后，對MBD模型三維標注進行了規范，明確了三維標注的幾何信息和非幾何信息內容。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點，如外部參考、過程元素、復合參數、鈑金參數等不屬于三維標注信息，形成模型三維標注的規范特征樹。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

為保證三維設計數模設計制造信息的完整性，制定了三維設計數模的設計制造信息審核標準，并開發三維數模并行審核程序，在模型建模過程中和結束后，分階段對設計數模的設計信息/制造信息完整性和正確性進行審查，確保相關信息正確完整，并可被系統識別和提取，使設計人員與工藝人員在設計制造統一的協同平臺數字化協同環境（digital collaboration environment，DCE）上形成基于唯一數據源廠所一體化協同研制模式，提升并行程度，為后續制造工作的快捷性奠定基礎。

開展面向裝配的MBD設計技術應用研究，在產品設計階段，制造工藝設計人員提前介入產品設計工作，以設計模塊為最小構型管理單元，對模塊中零組件三維數模結構、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。當產品數模不利于加工工藝實現或者存在明顯設計缺陷時，工藝人員可與設計人員在線交流，圍繞零件的工藝性、結構符合性、設計初始意圖進行在線研討，在滿足設計要求的同時，盡量使產品便于機械加工與檢測，在產品數模正式發布前完成預審查[8]。

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

4面向裝配的模塊成熟度技術應用研究

三維模型成熟度技術在很多型號中得到了應用，但是往往表現出設計與制造脫離的現象。

由于研發單位和制造單位的分離，研發單位有研發平臺，制造單位有制造平臺，數據平臺不統一，并沒有真正將工藝并行工作提前到產品初步設計階段。只有當設計模型具備一定成熟度后，通過設計模型的數據發放，制造單位的工裝工藝設計人員才能看到設計人員的成熟模型，如果發現制造裝配性差、工藝實現難的情況，只能拒回研發單位的設計，由設計完善后再次發放設計模型。這樣型號研制效率低下，設計反復周期長，影響制造單位的開工生產。

分析其原因，主要是設計人員在進行模型設計時，僅僅使用模型成熟度來表達自己設計的三維模型的成熟過程，而對設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優化現有的三維設計模塊成熟度評判標準

飛機設計模塊的成熟度一般定義7級（MM1～MM7），其中，MM1～MM3屬于二級數字樣機階段，MM4～MM7屬于三級數字樣機階段。各級成熟度標識與設計模塊狀態一一建立了對應關系，具體見表1。

在上述的飛機產品設計中，各級成熟度判定標準的定義偏重設計與設計之間的協調，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現的設計問題。

在渦槳支線飛機的研制中，針對以往飛機研制中出現的問題，結合飛機研制階段及項目研制里程碑計劃，基于模塊化設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計與設計、設計與工藝協同工作的內容及要求，制定了包含制造信息要素的模塊成熟度評判標準。模塊成熟度設計制造并行工作的內容如圖3所示。

4.2基于統一成熟度標準的設計制造協同工作

為保證飛機數據的準確性和一致性，渦槳支線飛機以設計模塊為單一產品數據源，構建了一個面向產品全生命周期的數據管理平臺，將傳統的工程物料清單（engineering bill of material，EBOM）向工藝物料清單（process bill of material，PBOM）重構的工藝規劃模式轉化為EBOM/ PBOM融合定義，共用底層結構數據，解決了過去在BOM重構過程中出現的差錯，為下游制造提供了符合要求的、一致的物料清單[9]。

設計人員和工藝人員依據成熟度開展產品設計、工藝審查、工藝路線定義、工藝派生件設計、裝配工裝設計等工作，在工藝可行性審查階段完成工藝路線的定義，實現從基于數據發送接收的串行模式轉向設計制造一體化并行模式。

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

在產品設計的模塊成熟度階段，利用統一的服務器與數據庫，通過模塊成熟度提升流程控制和工藝可行性審查確認環節，規范成熟度數據審簽及工藝預審查的審簽流程，指導設計、工藝及相關審核、批準人員進行數據的審簽工作，實現產品設計與制造工藝的協同設計和數據發放的有效管控。

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

5結束語

通過對基于模塊化的民用飛機設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計制造一體化MBD設計標準規范，完善了面向裝配的設計模塊成熟度評判標準，實現了設計與制造的并行協同，并通過了型號驗證。

該技術在現有型號民用飛機上得到了應用，結果表明，面向裝配的民用飛機設計制造一體化技術的應用可以提高設計與工藝、工裝的協同設計優勢，縮短了民用飛機的研制周期，為國內民用飛機的更快發展奠定基礎。

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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