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1、 全三維研制技術推動飛機研制體系變革 觀全球飛機研制，數(shù)字化技術已成為各大飛機公司提升企業(yè)研發(fā)效能，優(yōu)化企業(yè)研制流程，提升企業(yè)創(chuàng)新能力的有效工具。近年來，國際聞名航空公司在大型軍民用飛機的研制中，充分利用數(shù)字化技術創(chuàng)新研制模式來改變飛機研制方法，并把數(shù)字化技術的應用貫穿于飛機研制的全生命周期中，這在空客 A380 客機和波音 787 客機的研制中體現(xiàn)得尤為突出。數(shù)字化技術的應用能力已成為企業(yè)的核心競爭力，是企業(yè)產品創(chuàng)新進展的最有力工具。我國航空工業(yè)在多年的數(shù)字化技術應用進展方面一直緊追國際聞名航空標桿企業(yè)，逐步形成了適合我國飛機數(shù)字化研制的應用體系，在多個重點型號研制中發(fā)揮

2、了重要作用，有效提升了飛機研制的效率和質量。 中航工業(yè)第一飛機設計研究院（以下簡稱一飛院）是我國航空工業(yè)大型飛機的研究單位，在多年的進展中一直把數(shù)字化技術作為優(yōu)化研究院業(yè)務流程、提升研究院核心競爭力的有力工具。在多個型號研制中，緊貼型號研制需求，持續(xù)進行技術創(chuàng)新，按照“一個型號上一個臺階”的進展思路，確定每一個型號的數(shù)字化技術應用目標，持續(xù)進展與飛機設計過程相融合的飛機研制數(shù)字化平臺，通過技術手段的持續(xù)創(chuàng)新，推動各重點型號的快速研制。一飛院的數(shù)字化應用技術走過了全機數(shù)字樣機、產品數(shù)據(jù)治 理、跨地域并行設計、基于 MBD 的全三維關聯(lián)設計及并行協(xié)同研制的 4 個時期，

3、實現(xiàn)了甩圖版、甩圖紙和全三維關聯(lián)設計的 3 個技術跨過，確保 所承擔的每一個重點型號研制任務按節(jié)點高質量完成。目前，基于 MBD 的全三維研制技術、關聯(lián)設計技術、并行協(xié)同研制技術等已在型號中得到全面應用，推動了所承擔飛機型號的快速研制。 全三維研制技術 三維技術在十幾年前就差不多顯現(xiàn)同時得到應用，但真正能貫穿全生命周期的全三維技術則在近幾年剛剛開始并在國內得到規(guī)?；瘧?，其典型特點是基于模型的定義技術（ Model Based Definition ，MBD) 。 在傳統(tǒng)的三維技術中，由于受技術的限制，

4、工程技術人員所建立的產品數(shù)字模型僅是三維幾何模型，而尺寸和公差標注、表面處理方法、熱處理方法等工藝信息還在二維圖紙上標識，制造工藝設計人員也無法依據(jù)三維模型描述工藝過程、裝配過程、檢驗過程及制造過程所需的信息。 這就使得在制造環(huán)節(jié)仍要以二維圖紙作為制造依據(jù)，盡管大量的數(shù)控件可直截了當通過三維模型驅動數(shù)控設備進行加工，但整體的制造體系仍為傳統(tǒng)的基于二維的體系，研制方式并沒有從全然上發(fā)生變化，也未真正建立和形成全三維的研制體系。三維設計技術在這一時期要緊在設計部門得到規(guī)?；瘧?，但并沒有真正貫穿飛機研制的全生命周期。 1997 年，美國機械工程師協(xié)會開始

5、進行有關 MBD 標準的研究和制定工作，并于 2003 年形成了美國國家標準“ Y14.41 DIGITALPRODUCTDE FINITION DATAPRACTICES ”（數(shù)字化產品定義數(shù)據(jù)實施） 。此后，在此標準基礎上，波音公司研究制定了基于 MBD 技術的應用規(guī)范（ BDS-600 系列） , 同時在波音 787 項目研制中得到了專門好的應用。同時，各軟件供應商也在相應軟件中增加了用于三維標注的有關模塊，這才使得有可能在產品研制全過程中應用全三維設計技術，形成全三維研制體系。 近幾年，國內航空廠所已開始緊密結合型號研制進行全三維研制技術 的研究和應用。其典

6、型代表為一飛院與國內要緊的 6 家機體研制單位共同 進行的 MBD 技術研究與推動項目。 該項目從 2007 年底開始啟動， 在集團 公司組織下，以某型號研制為牽引，全面開展全三維研制技術的研究、體 系構建及應用推動， 并于 2009 年形成了基于 MBD 的差不多滿足設計制造的規(guī)范體系。該體系已在型號研制中得到一飛院及 6 家工廠的應用驗證，成為型號研制的標準規(guī)范。同時，按照型號研制需求和技術進展需求，建 立了支持全三維研制的多廠所并行協(xié)同研制數(shù)字化應用系統(tǒng)。各工廠也按照全三維技術的進展，構建了適宜全三維研制的工程制造體系。這些標準 規(guī)范及

7、相應的數(shù)字化平臺和工程制造體系共同構成了全三維研制的體系。 能夠講，這是國內首次體系化、規(guī)?；瑫r與型號緊密結合的全三維技術 研究與應用，發(fā)出的標準規(guī)范也是國內首套基于 MBD 的全三維技術標準規(guī) 范。 運算機輔助設計技術從二維輔助設計、三維輔助設計到今天的全三維設計已發(fā)生了龐大變化。今天的全三維數(shù)字化研制技術將改變百年來基于二維的研制體系，帶來一場產品研制方式的革命，在飛機設計、工藝、制造到檢驗的各個環(huán)節(jié)引起龐大變革；它將牽引飛機制造過程中各類工藝技術和裝備的快速進展，有利于推動先進工藝工裝設計技術、先進加工裝配制造技術、先進檢驗質量操縱技術的應用，推

8、動工業(yè)基礎技術水平的快速提升，形成全三維研制模式下的數(shù)字化制造體系和裝備體系，極大提升生產效率和產品質量，這也為我們縮短與國外的技術差距提供了有力的工具和途徑，將整體提升我們的理念和方法，進一步推動并行工程的實施力度和拓展實施途徑。 全三維研制技術關鍵 為了實現(xiàn)全三維研制技術的全面應用，必須進行有關關鍵技術的研究和突破。當今國際聞名航空公司的應用歷程和應用體會差不多表明，要在產品研制全過程中實現(xiàn)全三維研制技術，必須解決如下關鍵咨詢題。 （ 1）必須研究形成基于 MBD 技術的產品定義標準和規(guī)范。 基于 MB

9、D 技術的產品定義標準和規(guī)范是實現(xiàn)全三維研制技術在設計 制造各個環(huán)節(jié)落地的基礎。建立飛機產品研制過程中基于三維模型定義設計信息、工藝信息、檢驗信息、制造信息等融為一體的標準，必須充分考慮產品研制過程中各個環(huán)節(jié)的要求。這些標準規(guī)范必須涵蓋飛機設計的各類零部件，例如機加、鈑金、復材、管路、電氣等的零部件，同時應考慮 飛機研制過程中的各個環(huán)節(jié)，包括設計、工藝、制造及檢驗，例如尺寸和公差標注方法、剖視圖生成技術方法、加工要求標注方法、特點視圖捕捉創(chuàng)建與治理技術方法、關鍵特點的標注方法、采納零件模型進行三維裝配模型的標注技術方法等。 （2）必須建立基于

10、全三維技術的工藝體系及檢驗體系。 全三維技術實施后，原有基于二維的工藝體系和檢驗體系將不再完全習慣，必須按照技術的進展進行改革。工藝設計和檢驗設計將不再通過二維圖紙作為設計依據(jù)，而必須通過三維模型來獲得。因此，必須對現(xiàn)有的工藝設計流程、工藝設計方法、工藝設計手段進行調整，同時，必須使有 關部門人員 ( 如工藝、檢驗、路線分工、調度打算、加工人員等 ) 能夠有能力獲得和使用從 MBD 數(shù)模中得到的信息，并確保該信息在生產流程中的一致性和正確性。同時，由于全三維數(shù)模為數(shù)字化加工提供了有利條件， 更多的零部件將采納數(shù)字化的方法進行加工制造和檢驗，將會有更多的基于全三

11、維的工藝指令來指導生產加工，例如裝配的三維工藝過程通過數(shù)字仿真，并通過視頻動畫等方式指導工人操作等。因此全三維研制將改變現(xiàn)行的工藝體系、檢驗體系、人員組織體系及制造加工方法，最終形成能力體系等，建立基于全三維技術的工藝體系及檢驗體系也就成為實施全三維研制的工廠第一必須要解決的技術咨詢題。 （ 3） 必須建立全三維模式下制造裝備裝備體系。 全三維研制不僅體現(xiàn)在設計制造信息的載體全部以三維模型進行承 載，更重要的是會帶來制造裝備體系的持續(xù)進展創(chuàng)新，將會有更多的數(shù)字化設備直截了當利用各類零部件的三維模型數(shù)據(jù)來驅動，進行產品的零部件加工、生

12、產用工裝制造、飛機的裝配等，充分體現(xiàn)數(shù)字化技術對技術革新的推動。由于數(shù)字化設備直截了當使用數(shù)字化模型進行驅動，不再有傳 統(tǒng)的模擬量傳遞環(huán)節(jié)，排除了模擬量傳遞引起的形狀和尺寸的傳遞誤差，這將極大地保證飛機研制的質量，實現(xiàn)飛機研制的精品工程。今天我們仍未實現(xiàn)全數(shù)字化方式下的飛機裝備體系化建設，但差不多成為我們以后進展的方向，它也將完全改變現(xiàn)行飛機加工制造方式，極大提升飛機研制的 生產力。正如洛克希德馬丁公司指出的那樣，數(shù)字化主線驅動著 JSF 任務的關鍵工程和檢驗技術。 （4） 必須實現(xiàn)全三維技術與先進制造技術及理念的集成。

13、全三維數(shù)字化技術的采納，大幅提升了飛機研制的技術水平，加快了飛機研制的整體效率，提升了飛機的整體質量。同時，由于數(shù)字化技術的進展，數(shù)控加工及成型技術、先進裝配技術、鈑金及復合材料成型技術、數(shù)字化測量技術等也得到持續(xù)進展，并行工程、精益生產等先進理念的產生和應用，使飛機的研制模式處于持續(xù)的變革之中。這就需要研究全三維技術如何與先進制造技術和先進研制理念進行集成，使它們相互融合以發(fā)揮先進技術的整體效益，如此才能充分發(fā)揮全三維數(shù)字化技術在飛機研制中的真正作用。另一方面，也正因為三維數(shù)字化技術的應用，才推動了精確數(shù)控加工技術、數(shù)字化測量技術、數(shù)字化裝配技術等先進技術的快速進展和應用?？梢?，三維數(shù)字化設

14、計與三維數(shù)字化制造兩者相輔相成、互相推進。 （5） 必須建立全三維模式下數(shù)字化應用支撐平臺。 在采納全三維數(shù)字化技術進行型號研制過程中，數(shù)字化應用平臺的建立至關重要。能夠講，它是承載全三維數(shù)字化研制體系的載體。在全三維研制模式下，所有的零部件將以三維模型進行描述，不再有手工進行工程治理的圖紙顯現(xiàn)。這就需要建立滿足設計、制造過程需求的全生命周期數(shù)字化應用及治理平臺，以支持零部件數(shù)據(jù)的治理、版本的操縱、更換的操縱、設計過程操縱、生產過程操縱、飛機狀態(tài)操縱等需求。同時，從設計 到制造的數(shù)字化應用平臺必須從業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)唯獨性、流程

15、操縱等形成一體化的體系。這就對數(shù)字化應用平臺提出了前所未有的更高要求，從設計到制造的各類數(shù)字化平臺（例如數(shù)字樣機設計平臺、工藝設計平臺、生產制造執(zhí)行系統(tǒng)、企業(yè)資源治理系統(tǒng)等）必須進行一體化應用集成、數(shù)據(jù)集成和流程集成，保證型號研制各類業(yè)務的連續(xù)性和數(shù)據(jù)應用的準確性； 數(shù)據(jù)的源頭必須以三維模型為唯獨依據(jù)， 所有的工程信息、 BOM 信息均應從三維模型中提取，并與數(shù)字化應用平臺中的治理信息保持一致；飛機的 全機狀態(tài)、零部件的三維模型版本、各類更換、各類質量咨詢題操縱單、零部件的數(shù)控加工指令、成品及有關軟件等的狀態(tài)必須保持一致，狀態(tài)治理已成為各類信息治理的靈魂。能夠講，今天的數(shù)字化應用平

16、臺的建設， 必須真正體現(xiàn) PLM 的概念，也只有通過采納 PLM 的理念進行數(shù)字化應用平臺建設，才能真正滿足全三維研制的需求。 全三維研制技術在型號研制中的應用 一飛院在某飛機型號研制過程中，為推進全三維研制技術的應用，在中航工業(yè)領導下，成立了由航空 6 家工廠共同參與的全三維研制技術攻關團隊。通過近幾年的研究和型號應用，已形成全三維研制標準規(guī)范和相應的數(shù)字化應用平臺，有力推動了型號任務的完成。 1 編制全三維研制體系化標準規(guī)范 通過研究分析國外的有關標準和規(guī)范，并結合型號的研制需求，形成了基于 MBD 的設計、工藝

17、、制造及檢驗的有關配套標準規(guī)范，目前該套標準規(guī)范共計有 27 份。同時，各有關工廠也按照自身的資源及環(huán)境，在頂層標準規(guī)范的基礎上，制訂了相應的廠級應用規(guī)范，共同形成了全三維研制的規(guī)范體系。這些標準和規(guī)范將在共同承擔的項目中得到全面貫徹和應用，將為全三維研制技術的推廣應用打下堅實的基礎，也推動了全三維技術在航空工業(yè)的推廣和技術進步。 2 構建支持全三維并行設計的關聯(lián)設計系統(tǒng) 關聯(lián)設計系統(tǒng)為總體、結構、系統(tǒng)等專業(yè)的設計工程師提供了統(tǒng)一的全三維設計環(huán)境，使總體、結構、系統(tǒng)專業(yè)間的設計實現(xiàn)快速迭代。在這種設計環(huán)境中，每位工程師均以全三維的方式進行飛機的設

18、計，任何時候，每位工程師的設計結果均會實時反映到全三維的數(shù)字樣機中，以供其他專業(yè)使用。在設計過程中，總體、結構及系統(tǒng)專業(yè)通過構建骨架模型分別向下游專業(yè)或專業(yè)內部公布以三維方式描述的設計輸入，下游專業(yè)或設計通過使用上游專業(yè)公布的接口或元素與上游專業(yè)的設計模型進行關聯(lián)，如此，當上游專業(yè)的設計發(fā)生變化時，在拓撲結構不變的前提下，下游專業(yè)的設計能夠實現(xiàn) 100%的設計更換，從而實現(xiàn)全三維設計模式下的關聯(lián)設計（圖 1）。在這種環(huán)境中，各種設計資源和知識得到最大共享，各類零部件的設計和標注將專門方便，同時，關聯(lián)設計提供了各專業(yè)設計快速迭代的機制，將極大地保證設計質量和產品設計的一致性。

19、 目前，盡管關聯(lián)設計技術本身比較成熟，但要在具有幾百萬零部件的飛機研制中整體應用，仍舊不是一件容易的情況，它需要梳理飛機設計流程、構建骨架模型建立規(guī)范，定義產品設計結構，定義多專業(yè)間的關聯(lián)準則。一飛院在某型飛機的研制中，通過技術攻關，建立了關聯(lián)設計技術體系，把關聯(lián)設計技術成功應用于總體、結構和系統(tǒng)的設計，取得明顯成果。 3 構建支持多廠所的數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境 構建的數(shù)字化協(xié)同研制環(huán)境 （Digital Collaboration Environment，DCE）連接了國內 6 家要緊機體研制單位，為實現(xiàn)跨企業(yè)、跨地

20、域、基于全三維 技術的并行協(xié)同研制提供了有力工具，使研制過程中的治理協(xié)同、工程協(xié)同和溝通協(xié)同成為可能。協(xié)同研制環(huán)境要緊實現(xiàn)工程研制過程中的數(shù)據(jù)治 理、跨企業(yè)更換流程操縱、基于模塊化的全機電子數(shù)據(jù)狀態(tài)治理、基于模型的跨企業(yè)工作協(xié)同、基于成熟度操縱的并行工程實施、基于可配置數(shù)字樣機的工程協(xié)同等功能。協(xié)同研制環(huán)境提供與各工廠內部應用系統(tǒng)進行集成的標準接口，各工廠通過標準接口實現(xiàn)與各自內部應用系統(tǒng)的集成，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、流程集成和業(yè)務集成。協(xié)同研制環(huán)境對上提供與關聯(lián)設計系統(tǒng)的無縫對接，滿足過程治理的版本信息、有效性信息、更換信息等的統(tǒng)一操縱（圖 2）。

21、 4 構建并行工程應用實施體系由于有數(shù)字化平臺的支持，在飛機研制中并行工程的實施將更加切和實際。能夠通過多種方式實現(xiàn)飛機研制過程 中的并行機制，要緊采納 3 種并行的模式，分別為基于 IPT 團隊的并行機 制、基于成熟度的并行機制和基于關聯(lián)設計的并行機制?；贗PT 團隊的 并行機制是一種傳統(tǒng)實施并行工程的方法。它通過建立 IPT 團隊形成并行工作的組織機構，在組織內部吸取各專業(yè)有關技術人員，通過現(xiàn)場（或基 于網絡虛擬現(xiàn)場）共同工作和和諧，形成并行工作機制，提升產品研制效率和質量。這種方式已在各類型號工程研制中普遍采納?；诔墒於?/p>

22、的并行機制通過把每個設計對象成熟過程分為多個具有標志性的技術成熟狀態(tài)，使得每個成熟狀態(tài)能夠明確作為下游并行開展工作的依據(jù)，從而使得上游設計在完成每個成熟狀態(tài)時，下游專業(yè)就能夠開展工作，從而實現(xiàn)基于成熟度的并行。這種方式可用于飛機研制的各個時期，它需要構建成熟度體系，并可通過建立相應的 IT 系統(tǒng)進行支持?；陉P聯(lián)設計的并行機制通過建立上下游專業(yè)設計對象之間、專業(yè)內部設計對象之間的關聯(lián)關系，實現(xiàn)在上游設計發(fā)生變化時，下游設計能夠自動更新，從而大幅加快設計迭代周期，提升設計效率和質量，使得設計過程高度并行，這需要構建關聯(lián)設計體系，并必須通過相應的 IT 系統(tǒng)支持才可實施。

23、 全三維研制技術目前仍存在的咨詢題 全三維數(shù)字化技術的應用使得基于三維模型定義產品研制過程中的所有數(shù)據(jù)成為可能，使得零部件數(shù)據(jù)能在整個研制過程的各個環(huán)節(jié)有效利用，能夠驅動研制過程中的所有數(shù)字化裝備，大幅提升飛機研制質量。能夠講這種變化將引起生產過程的完全革命。盡管目前全三維研制技術在航空領域得到了應用，但相比國外同類企業(yè)的應用水平，仍有專門多咨詢題需要克服。這些咨詢題要緊表現(xiàn)在以下方面。 （1）對實施全三維技術的難度和深度仍認識不足。 實施全三維研制技術，面臨的是對傳統(tǒng)研制體系的改革，并非是 MBD 技術的簡單應

24、用。需要從研制方法和研制體系上持續(xù)進行創(chuàng)新和實踐。應 進一步提升對實施全三維研制技術的認識，高度重視實施過程中的難度，要從系統(tǒng)工程的角度去看待全三維數(shù)字化技術的應用實施。 （2）全三維研制工程體系仍不完善。 全三維數(shù)字化研制將沖擊現(xiàn)有的設計體系、工藝體系、檢驗體系及制造體系，將在專門多方面引起流程和方法的變革。要深入推廣全三維研制技術的應用，就必須針對研制現(xiàn)狀進行分析研究，構建滿足工程研制需求的全三維工程研制體系。今天，全三維研制技術雖已得到應用，但真正進行體系化應用的仍要緊是設計部門，而制造部門內部的全三維工程研制體系仍需做大量工作，需針對產品研

25、制全生命周期的不同特點建立上下貫穿的一體化工程應用體系。 （3）全三維研制的技術水平和技術能力仍不夠。 要實現(xiàn)全三維數(shù)字化研制就需要設計人員、工藝人員、檢驗人員及技術工人把握差不多的三維數(shù)字化知識，了解有關的概念和原理，操作有關 的軟件和系統(tǒng)。這就對他們的技術水平和能力提出了相應要求。目前，實施全三維研制體系建設的重點在于各制造廠研制體系的建立，而重要的一環(huán)確實是人員能力和水平的提升，這差不多成為推動全三維研制迫切需要解決的咨詢題。 （4）全三維研制的基礎設施和裝備能力仍有差距。 我國

26、數(shù)字化技術的研究一直緊跟國際先進步伐，但基于全三維的制造能力要緊取決于飛機研制的現(xiàn)代工業(yè)基礎和能力。近幾年，隨著重點型號任務的持續(xù)牽引和技術改造，我國在制造能力方面有了專門大進步，但在基于全三維研制的總體能力方面與國外仍有專門大差距，這制約了全三維技術的整體應用水平。 終止語 飛機研制是一項復雜的系統(tǒng)工程，專門是國家大型飛機的研制將更體現(xiàn)一個國家的能力和水平，同時，大型飛機的研制也將牽引和拉動我國飛機研制各項技術水平和基礎能力的大幅提升?？v觀全球聞名飛機公司的進展，全三維數(shù)字化技術在近幾年各類飛機的研制中得到了迅速進展和深入應用，已成為企業(yè)進展、流程優(yōu)化、技術進步、能力提升的核心引擎。我國數(shù)字化技術的應用在多年的進展中差不多取得了龐大成績，推動了各個型號研制快速進展。然而，我國數(shù)字化技術應用水平與國際先進企業(yè)相比仍有一定差距，要緊表現(xiàn)在體系化、系統(tǒng)化程度不高，標準規(guī)范體系仍不完善，差不多理論和方法研究不夠，不足以用于指導工程應用等。相信隨著各種工程型號研制過程中全三維數(shù)字化技術的持續(xù)應用和進展，我國的數(shù)字化應用水平一定會有更大的進展，會成為飛機研制企業(yè)進展有力抓手，推動我國的研制水平更上臺階。