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無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)制造技術(shù)在飛機(jī)研制中的應(yīng)用
無圖設(shè)計(jì)與無圖制造技術(shù)最早在波音公司開始應(yīng)用,是數(shù)字純技術(shù)、高度并行工程和精益生產(chǎn)相結(jié)合的產(chǎn)物。從B777到B737飛機(jī),其設(shè)計(jì)制造過程還存在著電子版二維圖,工程上根據(jù)需要決定是否打印出二維紙質(zhì)圖,達(dá)到了無紙化設(shè)計(jì)。到新一代B787飛機(jī),設(shè)計(jì)制造過程完全在三維狀態(tài)下進(jìn)行,應(yīng)用集成產(chǎn)品信息模型技術(shù),電子版二維圖設(shè)計(jì)過程也被底取消,實(shí)覡了真正的無圖技術(shù)。集成產(chǎn)品信息模型把產(chǎn)品生命周期的信息都集中存儲(chǔ)在一個(gè)三維模型中,可完全地支持產(chǎn)品并行工程全過程的各種活動(dòng)。B787飛機(jī)的無圖設(shè)計(jì)制造技術(shù),超越并取代了“設(shè)計(jì)圖紙并按圖紙制造”這一傳統(tǒng)意義上的生產(chǎn)方式,代表了當(dāng)今飛機(jī)設(shè)計(jì)制造這一高技術(shù)領(lǐng)域的最新趨勢(shì)和最高水平。 國(guó)內(nèi)一些航空企業(yè)在承接國(guó)外的民機(jī)轉(zhuǎn)包生產(chǎn)項(xiàng)目過程中,也借鑒并探索實(shí)施了“無圖”設(shè)計(jì)制造技術(shù),取得了良好的效果。但按嚴(yán)格意義來說,這些項(xiàng)目都算不上真正實(shí)現(xiàn)了無圖制造,只能是無紙制造。如國(guó)內(nèi)一些企業(yè)承擔(dān)的B737項(xiàng)目雖以三維設(shè)計(jì)為主,但波音公司還是提供了輔助的電子版二維圖作為參考;沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司(以下簡(jiǎn)稱沈飛)承擔(dān)的B787前緣項(xiàng)目,波音應(yīng)用了全無圖設(shè)計(jì)技術(shù),但在工程實(shí)施過程中,沈飛自己又轉(zhuǎn)化了二維圖。從某種程度來說,這些生產(chǎn)仍在按有“圖”來組織,即“無圖(紙)設(shè)計(jì),有圖(紙)生產(chǎn)”,其作為“輔助”的二維圖樣所起的作用還是相當(dāng)大的。因此我們所說的無圖并不等于無紙,真正的無圖設(shè)計(jì)是既無電子版圖樣也無紙質(zhì)圖樣,所有的工程表達(dá)均基于三維集成產(chǎn)品信息模型來進(jìn)行。
實(shí)施無圖設(shè)計(jì)與無圖制造技術(shù)的必要性 1.l 飛機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要 航空企業(yè)為提高飛機(jī)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,力爭(zhēng)在最短時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出最能滿足客戶需求的產(chǎn)品。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,飛機(jī)產(chǎn)品研制周期明顯縮短,但設(shè)計(jì)和制造過程中仍有較大的改進(jìn)余地。要達(dá)到最大限度縮短飛機(jī)研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的,就必須在飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)上進(jìn)行重大改進(jìn),實(shí)施無圖設(shè)計(jì)制造技術(shù)就是最有效的途徑。 在我們的軍機(jī)市場(chǎng),之所以無圖設(shè)計(jì)制造技術(shù)還沒有引起足夠的重視,就是因?yàn)槲覀兊母?jìng)爭(zhēng)還不是很激烈。無圖設(shè)計(jì)制造技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛,很大程度是由激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成的。隨著軍工企業(yè)市場(chǎng)化運(yùn)作,我們的飛機(jī)企業(yè)不但要與國(guó)內(nèi)同行業(yè)競(jìng)爭(zhēng),還要面臨著與國(guó)外航空企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。大力實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新,采用無圖設(shè)計(jì)與制造技術(shù),將可大幅度縮短研制周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低研制成本,提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。 1.2 產(chǎn)品創(chuàng)新的需要 產(chǎn)品的創(chuàng)新體現(xiàn)在企業(yè)在最短時(shí)間內(nèi)提供全新的具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品,無圖設(shè)計(jì)、制造技術(shù)是創(chuàng)新的一種手段,而采用原有設(shè)計(jì)與制造模式很難達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。相信隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的逐漸白熱化,無圖制造技術(shù)將會(huì)在國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造業(yè)礙到越來越廣泛的應(yīng)用。 2 實(shí)施無圖設(shè)計(jì)與無圖制造技術(shù)在工程上的意義 2.1 工程設(shè)計(jì)階段
設(shè)計(jì)的視衷是為了更好地進(jìn)行工程表達(dá)。無論是二維工程圖樣還是三維信息模型。歸根結(jié)底都是工程表達(dá)的方法,是進(jìn)行工程交流的語言。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)是我們?cè)谌狈夹g(shù)手段的前提下迫不得已采用的方法,而我們現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品都是三維的,用二維圖方式并不能充分地表達(dá)零件信息,這也是飛機(jī)行業(yè)最早應(yīng)用三維設(shè)計(jì)技術(shù)的原因。 現(xiàn)階段,在多個(gè)機(jī)種上,我們都是采用三維模型與二維圖樣共存的設(shè)計(jì)方式,用二維圖樣表達(dá)尺寸和工程信息,三維模型主要起輔助制造的作用,二者互為補(bǔ)充,互為依據(jù)。二維圖樣和三維數(shù)模共存的結(jié)果是造成二者間大量的技術(shù)矛盾,使設(shè)計(jì)依據(jù)不惟一。再有,通過多機(jī)種的工程實(shí)踐也證明,無論是技術(shù)上還是在軟件上,使二維圖樣和三維數(shù)模的幾何信息達(dá)到完全一致都是菲常困難的,二者存在技術(shù)矛盾是必然的。沈飛公司承擔(dān)的國(guó)外轉(zhuǎn)包生產(chǎn)項(xiàng)目如賽斯納項(xiàng)目、Q400項(xiàng)目、B737項(xiàng)目,外方提供了二維圖樣和部分三維數(shù)模,工作中我們也發(fā)現(xiàn)了其二維圖樣和三維數(shù)模問大量的技術(shù)矛盾,這也是最終波音公司取消二維設(shè)計(jì),全部應(yīng)用無圖設(shè)計(jì)的主要原因。 同時(shí),應(yīng)用無網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)后,由于省去二維圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)師把精力全部放在提高三維模型的幾何品質(zhì)和三維工程標(biāo)注的優(yōu)化上,增加了有效設(shè)計(jì)時(shí)間,三維信息模型的品質(zhì)將有極大的提高,省去了由于二維圖樣和三維模型矛盾帶來的大量反復(fù)的技術(shù)更改的時(shí)間。 因此,采用無圖設(shè)計(jì),將可保證數(shù)據(jù)源的惟一有效性,極大地縮短飛機(jī)設(shè)計(jì)、更改和發(fā)圖的周期,使工程更改和貫徹能更迅速地實(shí)施,降低設(shè)計(jì)成本。三維設(shè)計(jì)的工程表達(dá)更加直觀明了,零件幾何信息和制造信息的可視化便于設(shè)計(jì)和制造人員扶美學(xué)和功能方面理解零件的結(jié)構(gòu)與制造信息,與傳統(tǒng)的二維圖樣相比,零、組、部件的工程信息能被更快速、準(zhǔn)確地解讀。
2.2 工程制造階段 由于三維模型是高度面向制造的信息模型,直接應(yīng)用三維信息模型,不必花大量時(shí)間解讀零件的幾何形狀、裝配關(guān)系及制造信息,直接應(yīng)用三維信息模型和相關(guān)文檔便可開展相關(guān)工作,可節(jié)約90%以上的找圖、查圖時(shí)間,便于工藝審查工作及生產(chǎn)準(zhǔn)備工作的開展,大幅度提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,縮短制造周期。 同時(shí),由于略去了打圖、曬印、分發(fā)等環(huán)節(jié),工廠將大幅度降低管理成本,節(jié)約工作場(chǎng)地。能充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,使工程信息快速、準(zhǔn)確到達(dá)工廠生產(chǎn)一線的各個(gè)環(huán)節(jié),最大程度地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與制造的并行,可望達(dá)到設(shè)計(jì)周期與制造交付周期的高度并行。 再有從國(guó)內(nèi)外飛機(jī)設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)來看,無圖設(shè)計(jì)是大勢(shì)所趨。如與我們有合作關(guān)系的B787項(xiàng)目已應(yīng)用無圖設(shè)計(jì),與龐巴迪公司合作的C系列飛機(jī)也擬用無圖設(shè)計(jì)技術(shù)。因此,無論為了提高我們飛機(jī)產(chǎn)品的整體制造能力或是后期被動(dòng)地應(yīng)付生產(chǎn),工廠都應(yīng)做好應(yīng)對(duì)無圖制造的準(zhǔn)備。 3 實(shí)施方案 3.1 設(shè)計(jì)方案 在設(shè)計(jì)階段,不再進(jìn)行二維設(shè)計(jì)(或僅輔助少量二維設(shè)計(jì)),用三維模型表達(dá)零件的幾何信息,同時(shí)在三維模型空間完全標(biāo)注出零件的工程和制造信息,即原二維圖上的工程信息和工藝說明等都在三維模型上進(jìn)行表達(dá),設(shè)計(jì)的結(jié)果是集成產(chǎn)品信息模型和相關(guān)技本文檔。 首先在CATIA V5軟件中生成零件的三維實(shí)體模型,零件的加工測(cè)量基準(zhǔn)、零件材料、裝配關(guān)系、熱處理狀態(tài)、通用技術(shù)條件、成熟度狀態(tài)等在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹上采用參數(shù)化標(biāo)注方式表達(dá);然后應(yīng)用CATIA V5軟件中標(biāo)注模塊,進(jìn)行尺寸、公差和表面粗糙度等的標(biāo)注,通用公差位置不再進(jìn)行尺寸標(biāo)注,產(chǎn)品的關(guān)鍵位置標(biāo)注尺寸和公差。為使尺寸的公差標(biāo)注更為直觀,可采用形位公差標(biāo)注形式。并應(yīng)使所有的尺寸、公差標(biāo)注均可通過CATIA瀏覽器進(jìn)行瀏覽。
每一個(gè)結(jié)構(gòu)零件,都應(yīng)在絕對(duì)坐標(biāo)位置單獨(dú)對(duì)應(yīng)生成一個(gè)集成產(chǎn)品信息模型,模型空間有零件的幾何體,有產(chǎn)品相關(guān)信息標(biāo)注。對(duì)于裝配組合件,可不必完全按設(shè)計(jì)分離面生成裝配模型,根據(jù)裝配的需要,根據(jù)裝配順序,可拆分成眾多的小組合件裝配模型,以方便裝配現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)用和節(jié)省硬件資源。 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件也都對(duì)應(yīng)生成集成產(chǎn)品信息模型,以用于電子預(yù)裝配。對(duì)于各組合件(Product文檔)的緊固件,可單獨(dú)生成一個(gè)緊固件文件(Part文檔),用以標(biāo)注緊固件型號(hào)、位置、方向、數(shù)量等。 3.2 制造方案 在工廠,要充分利用網(wǎng)絡(luò)資源,力爭(zhēng)達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)有效共享。數(shù)據(jù)中心接收設(shè)計(jì)發(fā)放、更改的三維數(shù)據(jù)及相關(guān)電子文檔,及時(shí)發(fā)放到相關(guān)的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中,各相關(guān)部門以發(fā)放的集成產(chǎn)品信息模型為準(zhǔn)開展相應(yīng)的工作。檔案館僅保留三維模型和電子版文檔及相關(guān)數(shù)據(jù)。 對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),應(yīng)按工位配備相應(yīng)的能測(cè)覽集成產(chǎn)品信息模型和相關(guān)格式的文檔、數(shù)據(jù)的終端機(jī),工人在現(xiàn)場(chǎng)可隨時(shí)調(diào)取所需的集成產(chǎn)品信息模型,在解讀模型的信息后,用相關(guān)軟件對(duì)零件的幾何形狀進(jìn)行分析、測(cè)量,按得到的相關(guān)信息,結(jié)合工藝規(guī)程進(jìn)行零件及工裝的加工、檢驗(yàn)等各環(huán)節(jié)工作。對(duì)于裝配現(xiàn)場(chǎng),工人用現(xiàn)場(chǎng)工難站能進(jìn)行零件的裝配、組合,能追朔零件的裝配關(guān)系,查看技術(shù)說明標(biāo)注,進(jìn)行裝配尺寸分析等。 對(duì)于檢驗(yàn)人員,除用常規(guī)的設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)外,應(yīng)能通過工作現(xiàn)場(chǎng)的瀏覽器進(jìn)行零件模型和裝配模型的測(cè)量和分析,能應(yīng)用集成產(chǎn)品信息模烈的幾何信息、標(biāo)注信息和相關(guān)文檔進(jìn)行零件、裝配件的工序檢驗(yàn)和成品檢驗(yàn),生成檢驗(yàn)報(bào)告。 再有,在加工、檢驗(yàn)環(huán)節(jié),應(yīng)加大數(shù)控加工設(shè)備和數(shù)控測(cè)量設(shè)備的使用率。數(shù)控加工方式基本排除了加工過程中人為的干擾因素,對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起決定作用的是三維數(shù)據(jù)的精度,操作人員只需選擇合理的加工方式和參數(shù),如果能夠得到刀具和工藝方式的保證,將大大提高產(chǎn)品的合格率。數(shù)控測(cè)量主要針對(duì)數(shù)控加工零件。飛機(jī)的大部分機(jī)加零件,外形曲面都是雙曲度的,而我們的常規(guī)檢測(cè)手段多是使用卡尺、量規(guī)、樣板等工具,難以對(duì)零件實(shí)現(xiàn)有效檢測(cè)。檢測(cè)三維空間外形必須使用三坐標(biāo)數(shù)控測(cè)量機(jī),并且需要零件的三維數(shù)據(jù)。對(duì)于非數(shù)控加工產(chǎn)品,至少?gòu)某杀痉矫婵紤]我們還應(yīng)采用常規(guī)的檢驗(yàn)方式,數(shù)字化技術(shù)不應(yīng)完全拒絕模擬量方式,常規(guī)的樣板、無尺寸圖技術(shù)還應(yīng)發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用戶對(duì)集成產(chǎn)品信息模型和相關(guān)文檔僅具有瀏覽、查看、分析的權(quán)限,不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更改和編輯,更改和編輯的權(quán)限由系統(tǒng)管理員保留。
4 難點(diǎn)分析 實(shí)施無圖設(shè)計(jì)、制造技術(shù)將推動(dòng)航空制造業(yè)的發(fā)展,但實(shí)施過程中無疑也將對(duì)設(shè)計(jì)、制造各環(huán)節(jié)產(chǎn)生重大沖擊。 一是我國(guó)應(yīng)用三維數(shù)字化技術(shù)的時(shí)間還較短,對(duì)于國(guó)外的新技術(shù)研究還不夠,還沒有完善的支撐我們實(shí)現(xiàn)無圖設(shè)計(jì)、制造的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,數(shù)字化的基礎(chǔ)體系還不健全。 我們航空企業(yè)廠所分離的體制也會(huì)影響無圖技術(shù)的實(shí)施。廠所間協(xié)同工作平臺(tái)的開發(fā),同一數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用,這些我們都沒有達(dá)到。數(shù)據(jù)到工廠后,還必須進(jìn)行大量的二次工藝設(shè)計(jì),重新生成產(chǎn)品的BOM樹,使并行工程打了折扣。 再有,我們生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工人和檢驗(yàn)人員長(zhǎng)期習(xí)慣了按二維圖進(jìn)行產(chǎn)品的加工與檢驗(yàn),對(duì)無圖技術(shù)要有個(gè)較長(zhǎng)的適應(yīng)過程,需要大量的引導(dǎo)與技術(shù)培訓(xùn)。對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還要進(jìn)行大量的技術(shù)改造,引進(jìn)相應(yīng)的軟、硬件設(shè)備,需要有較大的獎(jiǎng)金投入。 應(yīng)用無圖設(shè)計(jì)制造技術(shù)后,對(duì)企業(yè)的技術(shù)生產(chǎn)管理體系,對(duì)技本、制造和管理入員的素提出了全新的更高的要求,因此必須從根本上變革現(xiàn)有的管理方式,推行以產(chǎn)品為核心的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)式管理,而不是以職能為核心的傳統(tǒng)管理方式。如果設(shè)計(jì)、制造、管理的意識(shí)和手段不能跟上,仍然沿襲原有一套管理方法的話,無圖設(shè)計(jì)制造這種先進(jìn)的方式反成會(huì)成為阻礙高科技項(xiàng)目實(shí)施的不利因素,形成項(xiàng)目瓶頸,拖延項(xiàng)目進(jìn)度。 5 可行性分析 在技術(shù)上,經(jīng)過幾個(gè)機(jī)種的數(shù)字化設(shè)計(jì),已有了一定的三維設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行無圖設(shè)計(jì),是在原三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,增加了尺寸、公差和相關(guān)信息的標(biāo)注。三維設(shè)計(jì)更多的是關(guān)注三維模型的幾何品質(zhì)和相關(guān)信息的可讀性,在軟件和技術(shù)上均不存在問題。 在工廠,通過與國(guó)外民機(jī)的合作,通過幾個(gè)機(jī)種數(shù)字化的實(shí)施,我們已有了一定的實(shí)施無圖制造的人員及技術(shù)的積累,各企業(yè)都培養(yǎng)起來一批懂技術(shù)、能管理的人才隊(duì)伍,他們是企業(yè)實(shí)施無圖設(shè)計(jì)、制造的基礎(chǔ)。對(duì)于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工人和檢驗(yàn)人員,可通過各種手段加強(qiáng)培訓(xùn),加大引導(dǎo)力度,使他們克服畏難情緒,能讓他們看到采用無圖技術(shù)帶來生產(chǎn)效率提高的好處,逐步習(xí)慣這種工作方式。同時(shí),在過渡階段,在工藝人員編制的工藝規(guī)程中,可多增加工藝草圖,輔助工人及檢驗(yàn)人員進(jìn)行加工和檢驗(yàn)。再有,為長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮,企業(yè)要招收、培養(yǎng)高技術(shù)的技能工人和檢驗(yàn)人員,提高生產(chǎn)一線人員的基本素質(zhì)。 對(duì)于軟件、硬件資源,通過高新工程,各企業(yè)都有一定量的資源儲(chǔ)備,通過局部技改,應(yīng)能滿足無圖制造的要求。 6 結(jié)束語 擁有無圖設(shè)計(jì)、制造能力是未來高素質(zhì)航空工業(yè)企業(yè)生存發(fā)展的必要條件,誰先掌握了這一技術(shù),誰就將在提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力、加速飛機(jī)的更新?lián)Q代方面占得先機(jī)。所以我們必須從現(xiàn)在開始通過自主創(chuàng)新并通過與國(guó)外先進(jìn)航空企業(yè)的合作,跟蹤和掌握消化無圖設(shè)計(jì)制造先進(jìn)技術(shù)的精髓,使這項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)盡早在型號(hào)研制中得以應(yīng)用,盡快形成生產(chǎn)力,以全面提升我國(guó)飛機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)能力。 |
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