浅析飞机结构件数字化设计与制造技术

王响 覃芳艳 王鑫

摘要：飞机的设计与制造水平是衡量一个国家工业水平的重要标准，随着计算机技术、数字化技术以及智能技术的发展及其在飞机结构件设计与制造中的使用，飞机工业的发展取得了较大的突破。本文主要介绍了飞机结构件数字化设计与制造技术的研究和发展现状，数字化技术以及加工技术在飞机结构件中的具体应用，最后介绍了飞机结构件制造协同平台。

Abstract： The design and manufacture level of aircraft is an important standard to measure the industrial level of a country. With the development of computer technology， digital technology and intelligent technology and its use in the design and manufacture of aircraft structural parts， the development of aircraft industry has made a great breakthrough. This paper mainly introduces the research and development of digital design and manufacturing technology of aircraft structural parts， the application of digital technology and processing technology in aircraft structural parts， and finally introduces the collaborative platform for aircraft structural parts manufacturing.

关键词：飞机结构件;数字化设计;制造技术

Key words： aircraft structural parts;digital design;manufacturing technology

中图分类号：V262;V221                               文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0108-02

1  飞机结构件数字化设计与制造技术发展现状

1.1 国外发展现状

为提升飞机制造的效率，节约成本，美国率先在飞机结构件设计与加工制造中使用数字化技术，并运用数字化技术对传统的飞机设计与制造的流程进行改进和优化，经过实践证明，这一方式在提升效率节省成本方面极为有效，根据相关统计，与传统飞机制造技术相比，使用数字化技术进行改进后，飞机结构件设计时间是原来的一半左右，飞机结构件制造的时间节省了66%，装工时间则仅为原来的十分之一，而在成本方面，飞机制造成本和维护成本均减少了一半，由此可见数字化技术在推动飞机制造技术的发展与进步方面有着重大的意义。

1.2 国内发展现状

为紧跟世界潮流与发展步伐，我国飞机制造企业积极引进国外数字化设计与制造技术，经过十多年的发展初见成效。当前，我国头部飞机制造企业已经完成了数字化设计软件的初步研发，并搭建了数字化生产车间，实现了飞机制造过程中部分操作的数字化与智能化，然而我国当前飞机结构件设计与制造技术的数字化还停留在初级阶段，在集成度、柔性化、智能化方面与西方发达国家相比还有一定的差距。

2  飞机结构件数字化设计技术

尽管当前我国飞机结构件设计过程中全三维技术已经得到了较为广泛的应用，并在缩短开发周期，节约飞机生产成本方面发挥着较大的作用，然而在应用全三维技术的过程中，我国相关研发人员过于注重对飞机结构件功能方面的作用，而忽视了在实际生产中具有强功能性的结构件能否被成功制造出来，这导致研发人员设计的飞机结构件在生产过程中经常出现断折，除此之外，飛机制造过程中涉及的零件非常多且复杂，难以通过单件大量制造的模式来进行学习和积累，因此，建立飞机结构件的制造和设计知识的重用和融合技术就尤为关键，只有这样才能够打破两者之间存在的信息隔膜，在飞机结构件设计的过程中就考虑到制造问题，实现飞机结构件智能化设计。

2.1 制造工艺知识的识别

飞机结构件繁多，其制造加工与组装环节繁多且复杂，机器获取制造工艺知识是飞机结构件智能化设计的前提和基础。尽管飞机加工方面所涉及的知识复杂、流程繁多，但还是具有一定的特征和规律可循，即大多数的飞机结构件加工都涉及零件的组成特征。特征技术是数字化制造业中集成信息的一种手段，通过特征技术能够有效缩短工艺员编程的时间，降低其编程的难度，不仅如此，通过工艺信息的集成与共享还能够提升零件设计与加工的速度，一定程度上提升零部件的质量。

2.2 基于特征的三维模型参数化设计

飞机制造集成了多种高科技技术，是一个国家工业设计与制造水平的集中体现。随着经济全球化的发展，当前工业企业之间的竞争更加激烈，要想在激烈的竞争中脱颖而出就必须改变传统的飞机生产制造模式，改变只注重生产任务，不注重生产成本的飞机工业生产状态。特别是在飞机结构件环节需要尤其注意，飞机结构件的生产材料成本高昂，而且生产的周期也比较长，而不合理的飞机结构件设计则会导致生产难度上升，提升生产成本的同时也会导致生产周期的延长，因此在飞机工业中，急需找到能够快速、优质地设计飞机结构件的方式，从而提升我国飞机工业的核心竞争力。

尽管飞机结构件的构造较为复杂，但通过特征技术能够在一定程度上解决这一问题。从几何方面着手，能够将飞机的结构件特征分为槽特征、筋特征、孔特征以及轮廓特征，除了对基本的几何特征进行定义之外，还需要对零件的技术、材料等参数特征进行定义，而这些是飞机结构件制造的过程特征，对于后续飞机结构件加工有着重要影响。

在飞机结构件设计的过程中，需要通过全三维模拟技术，利用可参数化的特征三维模型和工艺知识解释器，在对飞机结构件进行特征标准的过程中，融入飞机结构件加工工艺，从而实现智能化设计，在飞机结构件设计阶段做到兼顾后续的加工制造，实现智能化设计。

3  飞机结构件加工技术

尽管我国在飞机制造方面一直紧跟世界潮流，在飞机结构件的制造过程中已经实现了部分流程的数字化，但由于飞机结构件较为复杂，特别是在设计大型的结构件时，我国技术水平仍与西方发达国家具有较大的差距，具体表现在：飞机结构件设计编程的周期较长，而且编程的质量较低，这导致飞机结构件在制造的过程中容易出现变形甚至是折断，在这样的背景下，飞机结构件设计不得不进行人工干预，因此当前我国飞机结构件的生产制造中仍是以人工为主，而这不利于我国飞机制造业的自动化与集成化发展。因此对飞机结构件智能化自动化制造进行研究，实现飞机结构件柔性制造对于提升我国飞机工艺水平具有重要的意义。

3.1 集成化工艺编程平台

飞机结构件工艺编程是影响飞机结构件设计与制造的关键环节，为解决这一问题，我国相关专家提出了面向航空复杂结构件的用户自定义加工特征建模方法和基于全息属性命名的加工特征识别方法，开发基于特征技术的智能编程系统，进而使复杂的结构件智能化设计成为可能。这一系统以工艺知识库、切削参数库和制造资源库做支撑，在实现对飞机结构件制造加工工艺自动识别的基础上，能够对飞机结构件制作加工的流程进行合理的设计，并完成对加工程序的编制、检测数据的生成等的规划，通过这一智能编程系统能够解决飞机结构件工艺设计难题。随着这一系统的进一步研发和升级，系统将具备更加完善的功能，从而使所有的飞机结构件设计与编程都能够在计算机内完成，一方面能缩短飞机结构件设计和制造的时间，提升生产效率，另一方面，能够将飞机工艺工作者从繁杂的编程工作中解放出来，使其能够有更多的时间和精力专注于工艺技术进行研发，对工艺知识进行更新。

3.2 数控设备智能化评估与保障

数控机床是进行飞机结构件生产和加工的主要机械之一，其功能的好坏直接影响到了结构件的质量，而在智能化自动化生产过程中，对于数控机床的精密程度提出了更高的要求，不仅如此，无人干预的自动化生产中，数控机床还需要具备自身性能和故障进行预测评估的能力，以确保飞机结构件能够正常生产。

传统的数控机床主要依靠人工检测评估来确保其精密程度，然而这样的方式需要技术人员在对机器进行检测后进行大量的分析，同时也无法实时对机床的精密程度进行检测，需要进行人工干预。而德国DST机床公司所开发的机床精度自诊技术则能够较好的解决这一问题，通过这一技术能够实现对机床状况进行预判，从而对可能存在问题的部分进行提前检修和维护，提升机床的使用效率。

3.3 加工过程自适应控制技术

要实现飞机结构件的自动化、智能化制造与加工不仅需要实现编程的智能化和加工机床设备的智能化，还涉及对刀具、装夹的控制，从而防止结构件出现变形和损坏。

自适应装夹夹具需要根据飞机结构件的变形程度对夹力进行相应的调整，在基于特征中间加工状态评估、加工过程中特征的刚性的基础上，结合实时监测的切削刀调整夹紧力，使得夹紧力和切削力是相匹配的，通过这样的方式防止变形产生。不仅如此，还需要根据飞机结构件的特征对飞机结构件进行分组和分类，综合考虑加工尺寸和加工工艺，从而设计出不同模块的编程，通过将标准化的工装防止在不同的生产线上实现自动化生产飞机结构件。

3.4 数字化生产管控

数字化生产管控是未来飞机结构件自动化、智能化生产的大脑，它集成了工厂所有的数据，并能够对数据进行分析，并依据分析进行生产决策，对工厂资源进行统一的智能化的调配。在应用这一技术的过程中，不仅需要实际工厂的配合，同时还需要打造虚拟化的工厂，通过在虚拟化的工厂中对生产计划进行虚拟运行来判断计划是否合理，从而对生产计划进行调整。同时也需要不断将实际的工厂生产和经营的状况反馈到虚拟工厂中去，使其更好地 学习实际工厂的运行流程，更加精准地对实际工厂的运行流程进行模拟。

4  飞机结构件制造协同平台

现代的飞机制造是一个庞大的工程，往往需要通过多个国家跨地区合作来完成。飞机结构件体型较小，然而品类繁多，在生产和研发的过程中面临着设计更改问题，在全球化合作生产的背景下，就需要生产制造者能够对设计做出及时的更改。在传统的飞机制造过程中，飞机的设计环节和加工制造环节往往是相对独立的，从飞机的設计到飞机的生产制造往往是单向的，只会有飞机设计的相关数据流向生产制造端，而飞机制造过程中的数据却鲜少向飞机设计端进行反馈。因此在飞机数字化设计与制造的基础上还需要建立飞机设计端和制造端的多元沟通渠道，构建飞机结构件设计与生产的协同平台，只有这样才能够实现飞机结构件制造数据多方共享，达到设计协同、制造协同、设计与制造协同的状态。

5  总结

在飞机结构件的设计和制造过程中引入数字化技术，经过实践证明能够有效提升飞机设计与制造的效率，并减少生产成本，然而飞机结构件的设计和制造基于其小批量、品类多的特点还需要辅以自动化、柔性化生产，因此在未来飞机结构件设计和制造的过程中还需要引入人工智能技术，构建飞机结构件协同设计与制造平台，打破传统的飞机结构件设计与制造相分离的状态，打造智能化生产工厂。

参考文献：

[1]宋智勇，李杰，刘大炜.面向智能制造的飞机结构件数字化车间构建关键技术[J].航空制造技术，2019，62（07）：26-31.

[2]王建华，李汝鹏.飞机数字化设计与制造技术最新发展[J].航空制造技术，2016（05）：78-82.

[3]刘睿，段桂江.MBD技术发展及在航空制造领域的应用[J].航空制造技术，2016（05）：93-98，109.

[4]刘检华，孙连胜，张旭，刘少丽.三维数字化设计制造技术内涵及关键问题[J].计算机集成制造系统，2014，20（03）：494-504.

[5]王虓.基于模型定义的飞机结构件三维工艺设计[D].南昌航空大学，2013.