机载电子设备数字化设计与制造技术研究

冯波 李晓明 杨龙

航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 陕西 西安 710068

引言

机载电子设备一般是指完成飞行任务、作战任务以及为保证飞行员与成员安全、舒适而安置在飞机上的、有独立功能装置的总称[1]。作为飞机的耳目、大脑和神经，通常是由电子元器件、印制板及机械零部件组成。随着电子技术的迅猛发展，综合化程度的逐步提高，机载电子设备呈现出高性能、小型化的发展趋势，而恶劣的机载环境与高精度和可靠性的要求，使机载设备的设计和制造技术面临着巨大的挑战。

1 机载电子设备数字化研制体系

“飞机数字化工程”是我国航空工业系统为了推进和促进数字化设计技术在飞机设计制造领域的应用而启动的一项重要工程，其目的是通过应用数字化设计技术改变传统设计方法存在的设计周期长、设计质量低、设计花费大等缺点[2]。机载电子设备的设计对重量、散热、强度、电磁兼容、三防等技术指标有着极为严格的要求；生产也具有品种多，批量小，造价昂贵等特点，这就决定了数字化设计与制造技术应用的必然性。本文分析了机载设备的研制流程，提出了一种机载设备的数字化研制体系，运用数字化、信息化技术将产品的设计、仿真与制造统一起来，能够有效地减少了设备的研制周期，提高产品的制造质量。

机载电子设备的数字化研制体系是按照项目管理与制造执行的思想，以产品研制任务为起点，以数据流向为脉络，以数据集成和利用为重点，按照需求、设计、仿真、制造一体化的思想组织系统数据结构和数据模型，将设计信息、仿真信息、工艺信息、生产信息有机地结合在一起，统一底层数据传输路径，实现相关数据、信息的正确传递和有效重用，并通过数据追溯、相互关联和前后继承等方式组织和生成数据。

1.1 数字化设计环境

以航电、飞控等电子设备为例，当前的电子设备已经实现了高度的模块化，机械结构也由过去分散、独立的机箱发展成为集成机架和LRM（外场可更换模块）的机械结构形式。设计也因此呈现出总体设计－模块设计－系统集成这种多部门分工合作的模式，如图1所示。首先，项目主管根据任务及需求完成系统的总体设计，确定设备对外的功能要求，接口要求。然后根据功能将系统拆分为多个功能模块，分别由不同部门负责。模块负责人再按照硬件逻辑设计、结构设计、布板设计、软件设计等任务安排具体设计人员开始详细设计。其中各个设计环节既呈现出独立的功能性设计，又存在相互的制约与协作。如其中结构形式限制着电器硬件的互联方式及布板面积，硬件的器件选择与排布又对散热、强度、电磁、可靠性等指标提出了性能要求。这就需要各个设计环节协同完成整体设计，达成各种指标的妥协，最终完成设计任务。要想实现各种信息交汇，完成多部门多信息的协作与共享，就需要各种软件系统的集成，再加上项目管理系统对任务的管理与反馈，就构成了最简单的数字化设计环境。

图1 数字化设计环境

计算机辅助设计技术（CAD）是数字化设计技术的基础。始于20世纪50年代，开始时只是辅助绘制二维工程图的图形系统。随着信息技术和工程学的发展，逐渐出现以特征造型和参数化设计为基础的建模方法和三维设计系统[3]。最近，基于模型的数字化定义技术（MBD）以其无可比拟的直观性和与其他计算机辅助技术的集成性，渐渐成为新的工程定义标准，达到了数字化设计的新阶段。处于同等地位的硬件逻辑设计、布板设计、软件设计也有其相应的专业设计软件，帮助设计师更方便、直观地实现计算机辅助设计。

计算机辅助工程技术（CAE）是数字化设计技术的内在。设计是表，仿真分析是里，浑然一体不可分割。随着CAE技术的不断成熟和应用的深入，仿真分析工作已经开始从设计后期的复核复算渗透到设计前期对设计进行指导，传统的基于经验的设计模式正迅速转变为基于仿真分析的现代设计模式。可以说，现代产品的设计过程本质上就是一个设计与数值仿真分析之间紧密协同、反复选代的过程。

产品数据管理技术（PDM）是数字化设计技术的支撑，它贯穿产品设计的整个流程，管理产品设计过程中生成的各类数据、文档以及相关验证试验报告。设计类数据主要包括结构三维模型、二维图纸，电布线三维模型、各类属性表、电路原理图、PCB板层图、原理模型以及软件代码等。设计文档主要包括与设计数据相关的各类描述性文件，如任务书、需求书、设计书、更改单或设计更改报告、对设计数据进行说明、解释的各类报告等。仿真类数据主要包括仿真模型、仿真脚本文件、仿真后处理结果文件、用于协同任务仿真过程中进行载荷传递的仿真结果文件等。仿真类文档主要包括仿真分析报告。

1.2 数字化制造环境

数字化设计与数字化制造紧密相连，数字化设计的本质是为数字化制造服务的。数字化制造环境同样包括了多种信息系统。其制造流程如图2所示：首先，工艺人员读取PDM系统中的设计信息，运用CAPP系统派生或创成等方法进行工艺编制及工艺管理，以发展中的三维CAPP而言，已经可以实现可视化的交互式生成加工工艺，并结合CAM系统检验产品的工艺性，生成刀轨文件，根据不同DNC数据服务器的数控系统进行后置处理，生成NC程序，完成NC程序的管理功能等。通过装配过程仿真技术，生成可视化的装配工艺，用来指导产品的现场装配。然后车间调度根据MES系统的计划安排，根据ERP系统的资源情况，进行生产的排产。生产加工是数字化制造的核心，加工能力的提升能够带动整个制造产业的飞跃。分布式数字控制（DNC）正是为实现多台机床NC程序的双向传输和在线加工，实现NC程序海量存储和集成化管理的工具。

图2 数字化制造环境

2 结束语

机载电子设备数字化设计制造过程的实质，是对一个产品进行细化分解，完成包括尺寸、重量、位置、热耗、环境条件等多重物理信息的数字化建模，并以仿真校验设计，然后将设计数据向零件制造、器件焊接、部件装配、测量检验进行传递和处理的过程。在此过程中，如何运用标准化的数据格式、畅通的数据传输路径、高效的数据获取方法就成为衡量企业信息化进程的重要指标。