数字化设计制造技术基础作业
航空产品数字化研制体系及其研制流程构建
学 号 ：13032210
学生姓名 ： 劳汉铿
任课教师 ： 朱永国
2016年5月
目 录
摘要………………………………………………………….. ….1 引言………………………………………………………….. ….1
国外数字化制造技术发展应用………………………………...1 国内数字化制造技术发展应用…………………………………2 航天产品制造系统得到创新和改进……………………………5 模具数字化设计制造技术应用展望…………………….. …….7 数字化集成技术在航空复杂产品制造中应用的必要性………9 制造数据集成模型建立 ……………………………………….10 基于Webservice 的制造数据集成方法 ……………………….11
数字化设计制造工作方式……………………………………...13
流程比较………………………………………………………...14
应用实践……………………………………………..... ………..15
结束语……………………………………………………. ……..17 参考文献…………………………………………………………17
摘要：
数字化设计制造技术的发展和有效应用使得航空钣金模具设计制造实现了由模拟量传递到数字量专递的跨越，且在应用水平上呈加速推广之势，改变了行业格局，并与其它行业相互影响和促进。随着数字化技术的进一步发展，以及更多新技术，新工艺，新材料的应用，模具的数字化设计制造水平将会得到更显著的提升。
关键词：数字化，航空航天，模具数字化设计
引言：发达国家在数字化制造模式上起步较早，基于在航空航天行业保持竞争优势考虑，发达国家在制造模式提升，数字化制造技术应用等方面反应敏捷且投入巨大。制造模式的转变和数字化制造技术的应用使其在提高航空航天产品质量，提升市场反应速度，降低产品价格，快速研制新产品方面具有了更高的技术优势和更强的国防工业基础。我国航空航天产业的快速发展需求和日益严峻的国际技术竞争现状，要求企业在数字化制造技术与模式的系统研究应用上必须加快研究速度。
1. 国外数字化制造技术发展应用
作为先进设计制造技术的基础核心，国外从上世纪70年代以来，经历了数字化技术从单项应用到型号研制全程数字化再到数字化工厂的发展，包括从航空战斗机到载人探测飞行器等较为全面的航空航天项目研制，并达到了较高的水平和规模。
美国国航空航天局(NASA)采用数字化工厂来仿真、分析太空船中的仪器在卫星飞行程中环境的变化。波音公司在波音777研制过
程中从整机设计、零件制造、部件测试、整机预装配到试飞均实现了计算机数字化进行，达到了无图纸化制造，既提高了设计水平，又缩短周期达50％以上，成本降低了25％。
美国JSF 战斗机项目采用EDS 公司的全生命周期管理(PLM)软件为集成平台构建了全球性的虚拟企业，应用虚拟制造技术，采用数字样机的数字化定义，实现异地加工、装配，并取得了成功。以洛克希德·马丁公司为主的全球50家企业可以协同设计、制造、测试、部署及跟踪JSF 战斗机整个项目的开发。JSF 项目的成功，标志着美国飞机制造业，乃至整个美国制造业正进入数字化生产方式的时代
垆J 。洛克希德·马丁公司在F35研制过程中，采用数字化制造后与传统方式相比，研制周期缩短至1／3，成本降低50％。西科斯基公司在设计RAH ．66直升机时，通过虚拟样机和全任务仿真技术，节省了11590h 的实际飞行时间，研发经费和研制周期大为缩短。美国和欧洲还在F ．22、S ．92、X ．33空客等飞机的研制生产中业也成功地应用了数字化设计制造技术，并取得了可观的效益。
最近，波音公司在新一代战神航天运载工具的研制和C130的航空电子升级中，采用MBD ／MBI(基于模型的定义和作业指导书) 使装配工期缩短57％，将数字化制造推向制造现场的更深层次。
2．国内数字化制造技术发展应用
我国航空发动机行业数字化技术应用起步较早，早在上世纪60年代，航空工艺就已提出了设计制造一体化的想法，近30年来，伴随着发动机型号研制，正逐步向纵深发展。“十五”期间，航空企
业在多个发动机型号的研制生产中，更大范围地开展了数字化技术的应用，有力地支持了发动机型号的研制。在设计部门，广泛推进数字化设计技术，初步实施了PDM 系统的应用，不同程度地实现了对发动机产品结构、设计审签、数据发放、设计文档(包括CAD 模型) 的管理与控制，基本确立了数字化设计的主导地位。初步建立了发动机零部件级的数值仿真系统，建立了一批发动机设计试验工程数据库，制定了一系列支持数字化设计的标准。在发动机主要制造厂，开展了数字化设计制造管理的技术研究，在发动机关键零件工艺设计、工装设计、数控加工中取得了明显的效果。部296分工装模具和复杂工装已实现三维数字化设计，在工艺设计方面采用了计算机辅助工艺设计技术(cAPP)，提高了工艺设计的效率。为实现CAD ／CAE ／CAPP ／CAM 的集成奠定了基础。在企业管理方面，主要生产厂不同程度地发展了数字化管理技术。在生产计划与控制方面，初步实现了生产计 划和物料需求计划数字化平台下的制定和管理。开发了发动机大修生产管理信息系统，实现了对某型号发动机从分解到装配过程的大修计划、生产调度生产过程监控、库存一体化管理和全方位物流条码跟踪与控制。在发动机试验方面，对于重要的大型试验设备，在试验数据的采集处理、传递、管理等环节不同程度地采用了数字化技术，建立了发动机试验数据库，实现了对试验数据的安全有效管理，增强了设计与试验环节更紧密的连接。基本掌握了发动机试验信息化的关键技术，为发展发动机试验系统信息化打下了良好的技术基础。
经过数十年的发展研究，西飞公司采用自主技术创新研究开发和
合作研究开发的模式，加速了现代航空企业先进技术的开发应用，轰六某型机、ARJ21飞机和A320系类机翼机盒的工装研制全面采用了数字化设计制造技术，大幅提高了大型工装的协调性和精确性。成飞公司从20世纪80年代开始，围绕数字化综合集成开展了大量的工作。通过开展集成化数字化制造工艺设计技术(CAD／CAPP ／CAM) 、突破高效数控加工技术、开发车间制造执行系统(MES)、开展工程数据库建设与应用技术研究、加强数字化制造基础等项目研究，建立了数字化车间环境，实施数字化制造技术，使该型飞机共300多项数控结构零件，从工艺准备到全部交付仅用了6个月时间，配套周期显著缩短，突破了新机研制的瓶颈。
中国的航天技术虽然位于世界前列，在众多技术研究领域处于世界领先水平，但制造业较薄弱，装配技术落后，自动化水平低，大多数生产环节仍以劳动密集型的人工操作为主。尽管精密的数字化加工中心、自动化生产设备、自动化柔性装配系统等先进设备正被越来越多的采用，但大多依赖国外进口，国内的数字化生产的总体水平比较落后。目前，国内导弹产品的加工、装配、检测系统大多是独立分散的，对应的各个环节的作业也是单独进行，数字化集成程度不高，不适合批量化、自动化的生产需求。
90年代开始，航天企业与各研究院所、高校联合开展了战术导弹数字化制造系统的应用研究，从最初单纯的数控加工设备和CAM 技术引进和应用，到CAD ／C 舢WCAPP ／CAE 一体化／数字化车间，再到ERP 、PDM 的集成，国内航天企业数字化的研究和应用正
在逐步地探索和应用，主要有以下几个方面：
(I)数字化技术得到研究和应用。航天产品研制过程中单项数字化技术已经普遍应用，CAD 、CAM 、CAE 、CAPP 等技术应用较好。如2ll 厂近几年从中国航天的战略高度出发进行了型号产品集成制造系统顶层设计规划，进行结构调整和资源整合，在计算机集成制造、单元制造、全员生产维护(TPM)等模式上进行了深入的研究。在数字化基础上形成制造资源集成、制造过程集成和制造现场集成三大能力，同时与型号设计单位进行跨域协同，具备了共享产品数据、产品数据更改管理和产品数据转换的能力。
3航天产品制造系统得到创新和改进
航天企业近十年来在A VIDM 集成信息管理系统、OA 办公自动化系统、CAPP 计算机辅助工艺设计系统的开发和集成应用等方面取得的成果，大大推动了航天企业的数字化水平，成为航天产品研制中主要的工程数据管理平台。应用新的数字化手段促进了航天企业对内部生产系统的思索和创新研究。如529厂经过对生产系统模式的分析，从结构化要素和非结构化要素两大类八大要素入手，实施了以单元化和信息化为核心的生产系统完善和改进。7103厂为应对快速增长的中国航天发射任务，在车间的可视化控制、数字化建设方面进行了积极的探索，使生产制造领域的产品研制数据管理和过程管理与产品设计过程相辅相成，实现多级计划协同管理功能；开展分布式数控网络系统建设，实现数控设备网络化通讯和生产工艺管理、设备资源管理和数控加工设备动态控制，将工艺、数控加工程序和生产制造紧密结
合，提高了涡轮泵生产线的整体制造能力。
(3)PDM系统的应用提升了数字化水平。
航天集团空间技术研究院、运载火箭技术研究院等各科研院所相继开展了产品数据管理系统的研究与应用，集成CAD ／CAM ／CAE 、CAPP 、OA 等多种应用系统，大大改善了传统信息管理模式，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理，有效、实时、完整地控制整个产品生命周期的各种复杂的数字化信息。
2国内外技术水平差距
国内航空、航天制造业虽然单项数字化技术已得到普遍应用，但对整个系统而言，产品整机、部件的全面数字化设计、制造、信息集成管理还未得到广泛应用，达不到真正意义上完整型号的全面数字化。从总体上来说，我国航空航天制造业的信息化水平相比发达国家还比较低。主要表现在：
(1)制造系统的信息传递缺乏快速有效的协调和沟通手段，各企业内部的数字化系统集成的功能和范围有限，各厂所数字化技术发展水平较为分散、独立，数字化技术还没有经历一个完整的型号研制过程的全面应用验证，未形成有效的数字化设计制造体系。
(2)目前的组织体系造成了航天产品设计与制造分离。产品开发还保持串行模式，与制造系统之间的信息交流存在一定障碍，生产和工艺准备周期长，技术状态更改繁复。
(3)数字化技术基础薄弱，技术应用发展不平衡。主要表现在技术基础滞后，缺乏有效的数字化信息资源，数字化应用与开发能力不
强，基础设施不配套。同时企业内部各厂所的发展也存在制造水平不平衡的问题，即使在同一厂所，不同专业之间也存在明显的差距。这种状况制约了航空、航天产品的研制和整体配套能力。
(4)航空航天在数字化工厂模式的发展上差距较大。主要表现在企业在向数字化工厂模式转变过程中，面临着更多的问题和难以解决的矛盾，在生产线规划、制造工艺规划、物流协调等诸多方面均存在先进制造技术与软件技术的制约。
4模具数字化设计制造技术应用展望
1 模具 MBD 技术呈加速推广之势
MBD 技术是用集成的三维实体模型来准确、完整、规范、有效地表达产品定义信息的方法，产品的制造信息和设计信息都附着在三维综合化模型中。
为迎接国际航空市场激烈的竞争与挑战，国内航空企业也正逐步使用 MBD 技术指导产品设计。但与国外发达航空企业相比，仍然存在较大差距，主要体现在 MBD 技术没有贯穿产品的全生命周期，模具设计部门传统的以二维图纸为主的现状没有改变，己逐渐成为数字化设计制造的瓶颈。
为了实现三维综合化模型在模具设计制造部门内得到全面应用，就必须研究模具 MBD 模型的定义与管理技术。
2 数字化柔性模具设计制造技术在航空企业得到逐步推广
由于蒙皮零件有着批量小、品种多、生产周期短的特点，如果蒙皮成形用多个独立的实体拉形模，则研制周期长、模具制造成本高，
柔性多点模具的出现解决了这一问题。典型柔性模具即蒙皮拉形多点 模具由高度可调的基本体群，即组成模具的多个小冲头，采用电气系统控制，依据蒙皮型面数据生成系统计算的冲头高度，进行精确的高度调整，根据需要组合形成一定模具型面的模具系统，见图 8。
与传统工艺方法相比，柔性模具优点如下：可数字控制并定位模块化的真空吸盘立柱，生成与蒙皮装配件曲面完全符合并均匀分布的吸附点阵；蒙皮外形变化，工装外形和布局可自动调整；实现精确切边，保证零件互换、避免装配中二次修边，同时减少了过去的实体切割样板、化铣样板。
3 以塑代钢，增加数字化制造便捷性，提升模具使用性能
在数字化设计的拉形模等模具上已逐步采用可切削塑料代替普通环氧树脂或钢质工作型面，既使模具工作型面的加工质量和效率提高，又提升了产品的成形质量。
4 模具设计制造向绿色化发展
目前 , 在航空制造企业，模具设计制造有更高的环保要求，即向绿色化方向过渡，许多模具已不符合新时期的发展要求而显得过时，落压模就是其中之一。落压模曾经因为具有结构简单、制模周期短的优点，
一直作为飞机口框等复杂形状产品零件的主要成形模具得到使
用。但同时，落压模又具有成形零件质量差、模具材料污染大的缺点而限制了其使用，航空制造企业正努力寻找落压模的替代生产方案。CAE 等数字化技术的发展使得充液成形、粘性介质成形等新技术得 到充分的开展和有效利用，这些全新结构的模具用材更环保、成形零件精度更高，正呈逐步替代落后的落压模生产方式之势。
5 模具设计制造向网络化发展
企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户订单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的生产基地生产模具。采用网络数据存取、交换技术、模具数据管理技术等关键技术，将分布于世界各地的模具、设备、人员、资金、市场等企业资源有效地集成起来，采用各种类型的合作形式，建立以网络技术为基础的、高素质员工系统为核心的敏捷制造企业模式。
5数字化集成技术在航空复杂产品制造中应用的必要性
航空复杂产品的典型代表是航空发动机零件，目前我国航空发动机企业拥有一套完整的生产体系和数千台（套）现代化高精尖生产加工设备，其设备管理秉承与之相配套的先进、科学的管理模式和方法。随着企业新的精密数控厂房的建成，数控设备逐渐增多，如何加强 对数控设备的管理，使其发挥出最大的经济效益成了车间乃至企业的重要议程。为达到上述目标，需要解决以下六个问题：
1）生产管理模式亟待突破；
2）MES 工具集和产品功能亟待丰富；
3）优化决策关键技术亟待攻关；
4）MES 配套规范、标准和管理制度亟待建立；
5）MES 实施推广亟待加强；
6）DNC 系统的建设迫在眉睫。
这些问题，对建立集成化的MES 系统、DNC 系统与
PDM 系统提出了迫切的需求，以支持航空发动机企业数
控车间数字化长效、稳定、健康和可持续的发展需求。
6 制造数据集成模型建立
目前，由于NC 代码分散存储于各工艺人员的计算机，管理比较混乱，导致NC 文件的传输、管理和准备效率方面均存在问题。同时MES 系统、PDM 系统与DNC 系统缺乏有效集成，致使MES 系统的计划指令无法下达到DNC 系统，DNC 系统无法获取准确的开工指 令，从而无法进行有效的生产准备；DNC 系统不能从PDM 系统中引用相应加工代码，造成加工代码的来源不唯一、不规范；同时DNC 系统对数控设备的监控信息无法准确、及时地传递给MES 系统，导致MES 系统无法在第一时间掌握现场的生产情况，从而影响计划安排的准确性和敏捷性。针对这些问题，航空企业通过对多年信息化建设的理解以及对国内外先进生产企业的学习，提出的制造数据集成模型如图1所示。涉及的范围涵盖四部分，即生产现场应用层、DNC 传输层、MES 控制层和PDM 数据管理层。
图1 制造数据集成模型
1）PDM 数据管理层
PDM 数据管理层能够有效组织和管理企业制造过程的工艺数据、三维数模及刀具清单、质量文件和数控程序等生产作业文档。不仅为各个系统提供共享、一致的数据来源，并且对各系统的数据进行管理和存储，在制造数据集成模型中，通过PDM 向DNC 系统发放数据。
2）MES 控制层
MES 控制层是企业CIMS 信息集成的纽带，为DNC 系统发放加工指令，并接收DNC 系统数据的反馈，及时掌握生产现场情况。
3）DNC 传输层
DNC 系统传输的不仅包括NC 程序，而且包括执行特定生产任务所需的制造数据，如刀具数据、作业计划、机床配置信息等。所涉及到的数据实体包含四类：与制造设备硬件相关的数据实体（如机床等）；与人机通讯相关的数据实体（如通讯协议实体）；数控数据实体（如NC 程序号、刀具号、工序号）；操作指令或派工单实体。
7 基于Webservice 的制造数据集成方法
2.1 系统集成模式下制造数据流分析
PDM 系统作为数字化集成系统唯一的数据源，承担产品结构信息、数控程序及其清单的管理与存储。DNC/MES/PDM
系统集成模式下制
造数据流分析如图2所示。
PDM 系统完成车间级制造BOM 的生成及数控程序的有效管理。PDM 系统向DNC 系统传递NC 程序文件属性信息，其内容包括：产品号、零件号、CAPP 工艺规程编号、工艺版本、工序号、设备型号、控制系统类型、设备编码、部门名称（车间代号）、工序名称、PDM 工序编号、NC 程序编号等，DNC 将接受到的信息呈现给制造现场。MES 系统将生产计划发送到DNC 系统的管理模块，DNC 管理系统根据开工零件号、工序号以及设备型号等属性在产品结构树中进行检索，筛选出需要的数控文件，并发送至机床设备树中，如没有检索到该程序，则反馈给MES 系统，以便重新指定计划。在产品结构树传送成功后，操作工通过触摸屏浏览加工计划及相关技术文档，并下载对应数控程序到机床。在数控程序被机床执行的过程中，DNC 系统通过监控每台机床的状态参数（运行时间、结束时间、机床的开机状态等），形成加工信息采集资源库。MES 系统通过读取该资源库，进行零件的加工进度情况及现场机床的运行状态等信息的汇总，及时对生产计划进行安排和调整，以保证计划的科学性及可行性。
集成模式下的数据流分析，可分解出数据信息服务，如DNC 与PDM 系统集成模式下制造数据服务如图3所示。
8数字化设计制造工作方式
飞机数字化设计制造是以并行和协同工作的方法和理念，在并行和协同工作模式、数字量传递方式下，结合与之相适应的企业资源和劳动生产组织，实现机构设置的扁平化和数据流程、工作流程的同步和协调。各部分集成关系，如图 1 所示。
飞机数字化设计制造各环节相互依存，与传统的工作方式相比较，其突出特点主要表现在以下四个方面： （1）制定并行和同工作规则，建立飞机研制全过程的协同工作机制； （2）调整劳动生产组织，实现资源优化配置； （3）建立数字化设计、制造流程，以适应数字化设计、试验和制造方式的变革和工作流程的变化，实现传统的串行工作模式向根本性变革； （4
）适应数字化环境下的工作流程变化，按
照不同数据类型，采用数据成熟度管理方式 ，为实现产品设计、工装设计和工艺设计过程的并行和协同提供基础和创造条件。 9 流程比较
从飞机研制过程各阶段的工作内容、参与人员、工作手段和输出结果形式等方面分析入手，比较传统模式和数字化设计制造模式的飞机研制过程，其基本流程对比，如图 2 所示。其中，传统研制流程，如图 2（a ）所示。数字化设计制造流程，如图 2（b ）所示。
工作模式和实现方式的变化，导致了组织机构、协作方式和工作结果的变化。飞机制造业实现产品数字化设计和制造以后，飞机研制各阶段工作内容、输入和输出结果都发生了较大变化，
按照既定的飞
机研制各阶段的工作界面和协同工作方式，进行流程的优化和再造，建立适应数字化特点的设计、试验和制造流程。
在组织结构方面，飞机数字化设计制造模式下，将设计、工艺、工装、生产控制、器材供应和质量保证等部门的参与人员，按照产品和工作过程成立不同层次的协同工作组，各工作组根据项目的进展和工作重心的转移，实行组织和成员的动态管理。在工作结果方面，传统模式下飞机研制的概念和初步设计阶段，气动选型、总体布置、载荷分布以及分系统、综合系统试验过程主要以方案和报告的形式输出；详细设计阶段以二维图纸形式输出；工艺审查和图纸发放则需要较多的技术人员对二维图纸进行校核；工艺准备阶段则输出大量的指令、计划、状态表；在生产准备阶段的输出形式较繁杂，主要为用于模拟量传递的各类相关模线、样板、量规及装配工装等模拟量传递工具，具体有模线模板、工装和刀量具图纸、样板、工装设备等；产品制造阶段则是输出飞机零部件和整机产品。实施数字化设计制造后，采用数字量传递替代模拟量传递，取消了模线样板、大部分标准工装、及用于设计总体布局的木质样机等；增加综合工作说明 IWS 、工程数据集、工装数据集等工作结果。由于建立协同工作平台，实现并行产品数字化定义，使产品设计、工艺设计和工装设计等部门可以采用新的协同工作方式，并行开展工作 。
10应用实践
在某型号飞机的研制过程中，设计制造单位根据流程再造和精益生产的理念和方法，按照数字化设计和制造的需求进行组织模式的变
革，适应数字化环境下的业务流程改进。传统的飞机设计制造过程，以串行生产模式为主，大量采用模拟量的传递方式，生产效率和制造精度都较低，一般生产流程，如图 3 所示
按照飞机数字化设计制造流程，飞机的研制工作单元主要由制造工程中心、数据管理中心、生产控制中心、工装工具制造生产线、工装、工具管理中心、集中下料配送中心、零件加工生产线、装配物流配送中心和装配生产线等组成，研制流程，如图 4 所示。通过制造和技术资源的优化配置，发挥企业的整体资源优势，将传统的串行作业改为协同和并行作业，适应数字化设计和制造流程要求，
使得该型
号飞机的研制效率明显提高，研制周期缩短了45%，研制成本减少了 25%。
结束语
数字化设计制造技术的发展和有效应用使得航空钣金模具设计制造实现了由模拟量传递到数字量传递的跨越，且在应用水平上呈加速推广之势，改变了行业格局，并与其他行业相互影响和促进。随着数字化技术的进一步发展，以及更多新技术、新工艺、新材料的应用，模具的数字化设计制造水平将会得到更显著的提升。
参考文献
【1】陈海东等．航天数字化应用技术的发展与趋势．导弹与航天运载技术．2008．第3期：23．27．
【2】常泊浚．数字化技术在导弹研制中的应用．飞航导弹．2008．第8期：11．13．
【3】刘艳琴等．现代制造技术．数字化工厂[M】．机械设计与制造，2004．
【4】王普等．我国航空发动机数字化设计／制造／管理技术现状及其发展．航空制造技
术．2005．第l 期：
【5】中国机械工程学会塑性工程学会编. 锻压手册. 第2版. 北京:机械工业出版社，2007.
【6】戴国洪 , 张友良 . 实现数字化设计与制造的关键技术 . 机床与液压 , 2004(13):94-
96.
【7】阮雪榆 , 赵震 . 模具的数字化制造技术 . 北京 : 中国机械工程出版社 , 2002.
【8】 王中庆. 面向产品网络化制造系统研究[J].制造业自动
化,2007,(06):9.
【9】汪代勇, 吴昌盛, 林叶. 机床网络DNC 的构建与应用[J].制造技术
与机床,2010(3):131-134.
【10】 白萍, 周春, 张良德. 分布式数控系统DNC 在离散制造业的应用
【11】.CAD/CAM与制造业信息化,2010(2):107-110.
【12】 祁浪冰. 应用网络DNC 搭建数字化制造平台[J].新技术新工艺,
2010(1):56-58.
【13】 赵娜. 航空制造企业PDM 集成技术应用研究[J].航空标准化与
质量,2013(4);39-43.
【14】缪小方, 梁纲. 基于整机产品设计数字化集成的PLM 技术开发与
应用[J].纺织机械,2011(4):9-13.
【15】 杜福洲, 梁海澄. 三维数字化集成检测系统实现关键技术研究
[J].制造业自动化,2011,33(5):1-5.
【16】 周秋忠, 刘德庆. 制造企业数字化管理平台的总体规划[J].沈阳
理工大学学报,2012,31(3):77-81.
数字化设计制造技术基础作业
航空产品数字化研制体系及其研制流程构建
学 号 ：13032210
学生姓名 ： 劳汉铿
任课教师 ： 朱永国
2016年5月
目 录
摘要………………………………………………………….. ….1 引言………………………………………………………….. ….1
国外数字化制造技术发展应用………………………………...1 国内数字化制造技术发展应用…………………………………2 航天产品制造系统得到创新和改进……………………………5 模具数字化设计制造技术应用展望…………………….. …….7 数字化集成技术在航空复杂产品制造中应用的必要性………9 制造数据集成模型建立 ……………………………………….10 基于Webservice 的制造数据集成方法 ……………………….11
数字化设计制造工作方式……………………………………...13
流程比较………………………………………………………...14
应用实践……………………………………………..... ………..15
结束语……………………………………………………. ……..17 参考文献…………………………………………………………17
摘要：
数字化设计制造技术的发展和有效应用使得航空钣金模具设计制造实现了由模拟量传递到数字量专递的跨越，且在应用水平上呈加速推广之势，改变了行业格局，并与其它行业相互影响和促进。随着数字化技术的进一步发展，以及更多新技术，新工艺，新材料的应用，模具的数字化设计制造水平将会得到更显著的提升。
关键词：数字化，航空航天，模具数字化设计
引言：发达国家在数字化制造模式上起步较早，基于在航空航天行业保持竞争优势考虑，发达国家在制造模式提升，数字化制造技术应用等方面反应敏捷且投入巨大。制造模式的转变和数字化制造技术的应用使其在提高航空航天产品质量，提升市场反应速度，降低产品价格，快速研制新产品方面具有了更高的技术优势和更强的国防工业基础。我国航空航天产业的快速发展需求和日益严峻的国际技术竞争现状，要求企业在数字化制造技术与模式的系统研究应用上必须加快研究速度。
1. 国外数字化制造技术发展应用
作为先进设计制造技术的基础核心，国外从上世纪70年代以来，经历了数字化技术从单项应用到型号研制全程数字化再到数字化工厂的发展，包括从航空战斗机到载人探测飞行器等较为全面的航空航天项目研制，并达到了较高的水平和规模。
美国国航空航天局(NASA)采用数字化工厂来仿真、分析太空船中的仪器在卫星飞行程中环境的变化。波音公司在波音777研制过
程中从整机设计、零件制造、部件测试、整机预装配到试飞均实现了计算机数字化进行，达到了无图纸化制造，既提高了设计水平，又缩短周期达50％以上，成本降低了25％。
美国JSF 战斗机项目采用EDS 公司的全生命周期管理(PLM)软件为集成平台构建了全球性的虚拟企业，应用虚拟制造技术，采用数字样机的数字化定义，实现异地加工、装配，并取得了成功。以洛克希德·马丁公司为主的全球50家企业可以协同设计、制造、测试、部署及跟踪JSF 战斗机整个项目的开发。JSF 项目的成功，标志着美国飞机制造业，乃至整个美国制造业正进入数字化生产方式的时代
垆J 。洛克希德·马丁公司在F35研制过程中，采用数字化制造后与传统方式相比，研制周期缩短至1／3，成本降低50％。西科斯基公司在设计RAH ．66直升机时，通过虚拟样机和全任务仿真技术，节省了11590h 的实际飞行时间，研发经费和研制周期大为缩短。美国和欧洲还在F ．22、S ．92、X ．33空客等飞机的研制生产中业也成功地应用了数字化设计制造技术，并取得了可观的效益。
最近，波音公司在新一代战神航天运载工具的研制和C130的航空电子升级中，采用MBD ／MBI(基于模型的定义和作业指导书) 使装配工期缩短57％，将数字化制造推向制造现场的更深层次。
2．国内数字化制造技术发展应用
我国航空发动机行业数字化技术应用起步较早，早在上世纪60年代，航空工艺就已提出了设计制造一体化的想法，近30年来，伴随着发动机型号研制，正逐步向纵深发展。“十五”期间，航空企
业在多个发动机型号的研制生产中，更大范围地开展了数字化技术的应用，有力地支持了发动机型号的研制。在设计部门，广泛推进数字化设计技术，初步实施了PDM 系统的应用，不同程度地实现了对发动机产品结构、设计审签、数据发放、设计文档(包括CAD 模型) 的管理与控制，基本确立了数字化设计的主导地位。初步建立了发动机零部件级的数值仿真系统，建立了一批发动机设计试验工程数据库，制定了一系列支持数字化设计的标准。在发动机主要制造厂，开展了数字化设计制造管理的技术研究，在发动机关键零件工艺设计、工装设计、数控加工中取得了明显的效果。部296分工装模具和复杂工装已实现三维数字化设计，在工艺设计方面采用了计算机辅助工艺设计技术(cAPP)，提高了工艺设计的效率。为实现CAD ／CAE ／CAPP ／CAM 的集成奠定了基础。在企业管理方面，主要生产厂不同程度地发展了数字化管理技术。在生产计划与控制方面，初步实现了生产计 划和物料需求计划数字化平台下的制定和管理。开发了发动机大修生产管理信息系统，实现了对某型号发动机从分解到装配过程的大修计划、生产调度生产过程监控、库存一体化管理和全方位物流条码跟踪与控制。在发动机试验方面，对于重要的大型试验设备，在试验数据的采集处理、传递、管理等环节不同程度地采用了数字化技术，建立了发动机试验数据库，实现了对试验数据的安全有效管理，增强了设计与试验环节更紧密的连接。基本掌握了发动机试验信息化的关键技术，为发展发动机试验系统信息化打下了良好的技术基础。
经过数十年的发展研究，西飞公司采用自主技术创新研究开发和
合作研究开发的模式，加速了现代航空企业先进技术的开发应用，轰六某型机、ARJ21飞机和A320系类机翼机盒的工装研制全面采用了数字化设计制造技术，大幅提高了大型工装的协调性和精确性。成飞公司从20世纪80年代开始，围绕数字化综合集成开展了大量的工作。通过开展集成化数字化制造工艺设计技术(CAD／CAPP ／CAM) 、突破高效数控加工技术、开发车间制造执行系统(MES)、开展工程数据库建设与应用技术研究、加强数字化制造基础等项目研究，建立了数字化车间环境，实施数字化制造技术，使该型飞机共300多项数控结构零件，从工艺准备到全部交付仅用了6个月时间，配套周期显著缩短，突破了新机研制的瓶颈。
中国的航天技术虽然位于世界前列，在众多技术研究领域处于世界领先水平，但制造业较薄弱，装配技术落后，自动化水平低，大多数生产环节仍以劳动密集型的人工操作为主。尽管精密的数字化加工中心、自动化生产设备、自动化柔性装配系统等先进设备正被越来越多的采用，但大多依赖国外进口，国内的数字化生产的总体水平比较落后。目前，国内导弹产品的加工、装配、检测系统大多是独立分散的，对应的各个环节的作业也是单独进行，数字化集成程度不高，不适合批量化、自动化的生产需求。
90年代开始，航天企业与各研究院所、高校联合开展了战术导弹数字化制造系统的应用研究，从最初单纯的数控加工设备和CAM 技术引进和应用，到CAD ／C 舢WCAPP ／CAE 一体化／数字化车间，再到ERP 、PDM 的集成，国内航天企业数字化的研究和应用正
在逐步地探索和应用，主要有以下几个方面：
(I)数字化技术得到研究和应用。航天产品研制过程中单项数字化技术已经普遍应用，CAD 、CAM 、CAE 、CAPP 等技术应用较好。如2ll 厂近几年从中国航天的战略高度出发进行了型号产品集成制造系统顶层设计规划，进行结构调整和资源整合，在计算机集成制造、单元制造、全员生产维护(TPM)等模式上进行了深入的研究。在数字化基础上形成制造资源集成、制造过程集成和制造现场集成三大能力，同时与型号设计单位进行跨域协同，具备了共享产品数据、产品数据更改管理和产品数据转换的能力。
3航天产品制造系统得到创新和改进
航天企业近十年来在A VIDM 集成信息管理系统、OA 办公自动化系统、CAPP 计算机辅助工艺设计系统的开发和集成应用等方面取得的成果，大大推动了航天企业的数字化水平，成为航天产品研制中主要的工程数据管理平台。应用新的数字化手段促进了航天企业对内部生产系统的思索和创新研究。如529厂经过对生产系统模式的分析，从结构化要素和非结构化要素两大类八大要素入手，实施了以单元化和信息化为核心的生产系统完善和改进。7103厂为应对快速增长的中国航天发射任务，在车间的可视化控制、数字化建设方面进行了积极的探索，使生产制造领域的产品研制数据管理和过程管理与产品设计过程相辅相成，实现多级计划协同管理功能；开展分布式数控网络系统建设，实现数控设备网络化通讯和生产工艺管理、设备资源管理和数控加工设备动态控制，将工艺、数控加工程序和生产制造紧密结
合，提高了涡轮泵生产线的整体制造能力。
(3)PDM系统的应用提升了数字化水平。
航天集团空间技术研究院、运载火箭技术研究院等各科研院所相继开展了产品数据管理系统的研究与应用，集成CAD ／CAM ／CAE 、CAPP 、OA 等多种应用系统，大大改善了传统信息管理模式，以产品为核心，实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理，有效、实时、完整地控制整个产品生命周期的各种复杂的数字化信息。
2国内外技术水平差距
国内航空、航天制造业虽然单项数字化技术已得到普遍应用，但对整个系统而言，产品整机、部件的全面数字化设计、制造、信息集成管理还未得到广泛应用，达不到真正意义上完整型号的全面数字化。从总体上来说，我国航空航天制造业的信息化水平相比发达国家还比较低。主要表现在：
(1)制造系统的信息传递缺乏快速有效的协调和沟通手段，各企业内部的数字化系统集成的功能和范围有限，各厂所数字化技术发展水平较为分散、独立，数字化技术还没有经历一个完整的型号研制过程的全面应用验证，未形成有效的数字化设计制造体系。
(2)目前的组织体系造成了航天产品设计与制造分离。产品开发还保持串行模式，与制造系统之间的信息交流存在一定障碍，生产和工艺准备周期长，技术状态更改繁复。
(3)数字化技术基础薄弱，技术应用发展不平衡。主要表现在技术基础滞后，缺乏有效的数字化信息资源，数字化应用与开发能力不
强，基础设施不配套。同时企业内部各厂所的发展也存在制造水平不平衡的问题，即使在同一厂所，不同专业之间也存在明显的差距。这种状况制约了航空、航天产品的研制和整体配套能力。
(4)航空航天在数字化工厂模式的发展上差距较大。主要表现在企业在向数字化工厂模式转变过程中，面临着更多的问题和难以解决的矛盾，在生产线规划、制造工艺规划、物流协调等诸多方面均存在先进制造技术与软件技术的制约。
4模具数字化设计制造技术应用展望
1 模具 MBD 技术呈加速推广之势
MBD 技术是用集成的三维实体模型来准确、完整、规范、有效地表达产品定义信息的方法，产品的制造信息和设计信息都附着在三维综合化模型中。
为迎接国际航空市场激烈的竞争与挑战，国内航空企业也正逐步使用 MBD 技术指导产品设计。但与国外发达航空企业相比，仍然存在较大差距，主要体现在 MBD 技术没有贯穿产品的全生命周期，模具设计部门传统的以二维图纸为主的现状没有改变，己逐渐成为数字化设计制造的瓶颈。
为了实现三维综合化模型在模具设计制造部门内得到全面应用，就必须研究模具 MBD 模型的定义与管理技术。
2 数字化柔性模具设计制造技术在航空企业得到逐步推广
由于蒙皮零件有着批量小、品种多、生产周期短的特点，如果蒙皮成形用多个独立的实体拉形模，则研制周期长、模具制造成本高，
柔性多点模具的出现解决了这一问题。典型柔性模具即蒙皮拉形多点 模具由高度可调的基本体群，即组成模具的多个小冲头，采用电气系统控制，依据蒙皮型面数据生成系统计算的冲头高度，进行精确的高度调整，根据需要组合形成一定模具型面的模具系统，见图 8。
与传统工艺方法相比，柔性模具优点如下：可数字控制并定位模块化的真空吸盘立柱，生成与蒙皮装配件曲面完全符合并均匀分布的吸附点阵；蒙皮外形变化，工装外形和布局可自动调整；实现精确切边，保证零件互换、避免装配中二次修边，同时减少了过去的实体切割样板、化铣样板。
3 以塑代钢，增加数字化制造便捷性，提升模具使用性能
在数字化设计的拉形模等模具上已逐步采用可切削塑料代替普通环氧树脂或钢质工作型面，既使模具工作型面的加工质量和效率提高，又提升了产品的成形质量。
4 模具设计制造向绿色化发展
目前 , 在航空制造企业，模具设计制造有更高的环保要求，即向绿色化方向过渡，许多模具已不符合新时期的发展要求而显得过时，落压模就是其中之一。落压模曾经因为具有结构简单、制模周期短的优点，
一直作为飞机口框等复杂形状产品零件的主要成形模具得到使
用。但同时，落压模又具有成形零件质量差、模具材料污染大的缺点而限制了其使用，航空制造企业正努力寻找落压模的替代生产方案。CAE 等数字化技术的发展使得充液成形、粘性介质成形等新技术得 到充分的开展和有效利用，这些全新结构的模具用材更环保、成形零件精度更高，正呈逐步替代落后的落压模生产方式之势。
5 模具设计制造向网络化发展
企业通过国际互联网、局域网和内部网，可以实现对世界上任何一地的用户订单而组建动态联盟企业，进行异地设计、异地制造，然后在最接近用户的生产基地生产模具。采用网络数据存取、交换技术、模具数据管理技术等关键技术，将分布于世界各地的模具、设备、人员、资金、市场等企业资源有效地集成起来，采用各种类型的合作形式，建立以网络技术为基础的、高素质员工系统为核心的敏捷制造企业模式。
5数字化集成技术在航空复杂产品制造中应用的必要性
航空复杂产品的典型代表是航空发动机零件，目前我国航空发动机企业拥有一套完整的生产体系和数千台（套）现代化高精尖生产加工设备，其设备管理秉承与之相配套的先进、科学的管理模式和方法。随着企业新的精密数控厂房的建成，数控设备逐渐增多，如何加强 对数控设备的管理，使其发挥出最大的经济效益成了车间乃至企业的重要议程。为达到上述目标，需要解决以下六个问题：
1）生产管理模式亟待突破；
2）MES 工具集和产品功能亟待丰富；
3）优化决策关键技术亟待攻关；
4）MES 配套规范、标准和管理制度亟待建立；
5）MES 实施推广亟待加强；
6）DNC 系统的建设迫在眉睫。
这些问题，对建立集成化的MES 系统、DNC 系统与
PDM 系统提出了迫切的需求，以支持航空发动机企业数
控车间数字化长效、稳定、健康和可持续的发展需求。
6 制造数据集成模型建立
目前，由于NC 代码分散存储于各工艺人员的计算机，管理比较混乱，导致NC 文件的传输、管理和准备效率方面均存在问题。同时MES 系统、PDM 系统与DNC 系统缺乏有效集成，致使MES 系统的计划指令无法下达到DNC 系统，DNC 系统无法获取准确的开工指 令，从而无法进行有效的生产准备；DNC 系统不能从PDM 系统中引用相应加工代码，造成加工代码的来源不唯一、不规范；同时DNC 系统对数控设备的监控信息无法准确、及时地传递给MES 系统，导致MES 系统无法在第一时间掌握现场的生产情况，从而影响计划安排的准确性和敏捷性。针对这些问题，航空企业通过对多年信息化建设的理解以及对国内外先进生产企业的学习，提出的制造数据集成模型如图1所示。涉及的范围涵盖四部分，即生产现场应用层、DNC 传输层、MES 控制层和PDM 数据管理层。
图1 制造数据集成模型
1）PDM 数据管理层
PDM 数据管理层能够有效组织和管理企业制造过程的工艺数据、三维数模及刀具清单、质量文件和数控程序等生产作业文档。不仅为各个系统提供共享、一致的数据来源，并且对各系统的数据进行管理和存储，在制造数据集成模型中，通过PDM 向DNC 系统发放数据。
2）MES 控制层
MES 控制层是企业CIMS 信息集成的纽带，为DNC 系统发放加工指令，并接收DNC 系统数据的反馈，及时掌握生产现场情况。
3）DNC 传输层
DNC 系统传输的不仅包括NC 程序，而且包括执行特定生产任务所需的制造数据，如刀具数据、作业计划、机床配置信息等。所涉及到的数据实体包含四类：与制造设备硬件相关的数据实体（如机床等）；与人机通讯相关的数据实体（如通讯协议实体）；数控数据实体（如NC 程序号、刀具号、工序号）；操作指令或派工单实体。
7 基于Webservice 的制造数据集成方法
2.1 系统集成模式下制造数据流分析
PDM 系统作为数字化集成系统唯一的数据源，承担产品结构信息、数控程序及其清单的管理与存储。DNC/MES/PDM
系统集成模式下制
造数据流分析如图2所示。
PDM 系统完成车间级制造BOM 的生成及数控程序的有效管理。PDM 系统向DNC 系统传递NC 程序文件属性信息，其内容包括：产品号、零件号、CAPP 工艺规程编号、工艺版本、工序号、设备型号、控制系统类型、设备编码、部门名称（车间代号）、工序名称、PDM 工序编号、NC 程序编号等，DNC 将接受到的信息呈现给制造现场。MES 系统将生产计划发送到DNC 系统的管理模块，DNC 管理系统根据开工零件号、工序号以及设备型号等属性在产品结构树中进行检索，筛选出需要的数控文件，并发送至机床设备树中，如没有检索到该程序，则反馈给MES 系统，以便重新指定计划。在产品结构树传送成功后，操作工通过触摸屏浏览加工计划及相关技术文档，并下载对应数控程序到机床。在数控程序被机床执行的过程中，DNC 系统通过监控每台机床的状态参数（运行时间、结束时间、机床的开机状态等），形成加工信息采集资源库。MES 系统通过读取该资源库，进行零件的加工进度情况及现场机床的运行状态等信息的汇总，及时对生产计划进行安排和调整，以保证计划的科学性及可行性。
集成模式下的数据流分析，可分解出数据信息服务，如DNC 与PDM 系统集成模式下制造数据服务如图3所示。
8数字化设计制造工作方式
飞机数字化设计制造是以并行和协同工作的方法和理念，在并行和协同工作模式、数字量传递方式下，结合与之相适应的企业资源和劳动生产组织，实现机构设置的扁平化和数据流程、工作流程的同步和协调。各部分集成关系，如图 1 所示。
飞机数字化设计制造各环节相互依存，与传统的工作方式相比较，其突出特点主要表现在以下四个方面： （1）制定并行和同工作规则，建立飞机研制全过程的协同工作机制； （2）调整劳动生产组织，实现资源优化配置； （3）建立数字化设计、制造流程，以适应数字化设计、试验和制造方式的变革和工作流程的变化，实现传统的串行工作模式向根本性变革； （4
）适应数字化环境下的工作流程变化，按
照不同数据类型，采用数据成熟度管理方式 ，为实现产品设计、工装设计和工艺设计过程的并行和协同提供基础和创造条件。 9 流程比较
从飞机研制过程各阶段的工作内容、参与人员、工作手段和输出结果形式等方面分析入手，比较传统模式和数字化设计制造模式的飞机研制过程，其基本流程对比，如图 2 所示。其中，传统研制流程，如图 2（a ）所示。数字化设计制造流程，如图 2（b ）所示。
工作模式和实现方式的变化，导致了组织机构、协作方式和工作结果的变化。飞机制造业实现产品数字化设计和制造以后，飞机研制各阶段工作内容、输入和输出结果都发生了较大变化，
按照既定的飞
机研制各阶段的工作界面和协同工作方式，进行流程的优化和再造，建立适应数字化特点的设计、试验和制造流程。
在组织结构方面，飞机数字化设计制造模式下，将设计、工艺、工装、生产控制、器材供应和质量保证等部门的参与人员，按照产品和工作过程成立不同层次的协同工作组，各工作组根据项目的进展和工作重心的转移，实行组织和成员的动态管理。在工作结果方面，传统模式下飞机研制的概念和初步设计阶段，气动选型、总体布置、载荷分布以及分系统、综合系统试验过程主要以方案和报告的形式输出；详细设计阶段以二维图纸形式输出；工艺审查和图纸发放则需要较多的技术人员对二维图纸进行校核；工艺准备阶段则输出大量的指令、计划、状态表；在生产准备阶段的输出形式较繁杂，主要为用于模拟量传递的各类相关模线、样板、量规及装配工装等模拟量传递工具，具体有模线模板、工装和刀量具图纸、样板、工装设备等；产品制造阶段则是输出飞机零部件和整机产品。实施数字化设计制造后，采用数字量传递替代模拟量传递，取消了模线样板、大部分标准工装、及用于设计总体布局的木质样机等；增加综合工作说明 IWS 、工程数据集、工装数据集等工作结果。由于建立协同工作平台，实现并行产品数字化定义，使产品设计、工艺设计和工装设计等部门可以采用新的协同工作方式，并行开展工作 。
10应用实践
在某型号飞机的研制过程中，设计制造单位根据流程再造和精益生产的理念和方法，按照数字化设计和制造的需求进行组织模式的变
革，适应数字化环境下的业务流程改进。传统的飞机设计制造过程，以串行生产模式为主，大量采用模拟量的传递方式，生产效率和制造精度都较低，一般生产流程，如图 3 所示
按照飞机数字化设计制造流程，飞机的研制工作单元主要由制造工程中心、数据管理中心、生产控制中心、工装工具制造生产线、工装、工具管理中心、集中下料配送中心、零件加工生产线、装配物流配送中心和装配生产线等组成，研制流程，如图 4 所示。通过制造和技术资源的优化配置，发挥企业的整体资源优势，将传统的串行作业改为协同和并行作业，适应数字化设计和制造流程要求，
使得该型
号飞机的研制效率明显提高，研制周期缩短了45%，研制成本减少了 25%。
结束语
数字化设计制造技术的发展和有效应用使得航空钣金模具设计制造实现了由模拟量传递到数字量传递的跨越，且在应用水平上呈加速推广之势，改变了行业格局，并与其他行业相互影响和促进。随着数字化技术的进一步发展，以及更多新技术、新工艺、新材料的应用，模具的数字化设计制造水平将会得到更显著的提升。
参考文献
【1】陈海东等．航天数字化应用技术的发展与趋势．导弹与航天运载技术．2008．第3期：23．27．
【2】常泊浚．数字化技术在导弹研制中的应用．飞航导弹．2008．第8期：11．13．
【3】刘艳琴等．现代制造技术．数字化工厂[M】．机械设计与制造，2004．
【4】王普等．我国航空发动机数字化设计／制造／管理技术现状及其发展．航空制造技
术．2005．第l 期：
【5】中国机械工程学会塑性工程学会编. 锻压手册. 第2版. 北京:机械工业出版社，2007.
【6】戴国洪 , 张友良 . 实现数字化设计与制造的关键技术 . 机床与液压 , 2004(13):94-
96.
【7】阮雪榆 , 赵震 . 模具的数字化制造技术 . 北京 : 中国机械工程出版社 , 2002.
【8】 王中庆. 面向产品网络化制造系统研究[J].制造业自动
化,2007,(06):9.
【9】汪代勇, 吴昌盛, 林叶. 机床网络DNC 的构建与应用[J].制造技术
与机床,2010(3):131-134.
【10】 白萍, 周春, 张良德. 分布式数控系统DNC 在离散制造业的应用
【11】.CAD/CAM与制造业信息化,2010(2):107-110.
【12】 祁浪冰. 应用网络DNC 搭建数字化制造平台[J].新技术新工艺,
2010(1):56-58.
【13】 赵娜. 航空制造企业PDM 集成技术应用研究[J].航空标准化与
质量,2013(4);39-43.
【14】缪小方, 梁纲. 基于整机产品设计数字化集成的PLM 技术开发与
应用[J].纺织机械,2011(4):9-13.
【15】 杜福洲, 梁海澄. 三维数字化集成检测系统实现关键技术研究
[J].制造业自动化,2011,33(5):1-5.
【16】 周秋忠, 刘德庆. 制造企业数字化管理平台的总体规划[J].沈阳
理工大学学报,2012,31(3):77-81.