航空航天产品数字化研制体系及其研制流程构建.doc

数字化设计制造技术基础作业航空航天产品数字化研制体系及其研制流程构建学 校 ：南昌航空大学 学生姓名 ： 唐海峤 学 号 ： 13032315 任课教师 ： 朱永国 2016年5月 目 录引言 11 国际航空数字化起源及发展 1 1.1 工程背景 1 1.2 工程现状 2 1.3 关键技术 3 1.4 总体趋势 42 我国航空数字化现状 43 航空制造业数字化总体框架研究 6 3.1 总体框架设计要求 6 3.2 数字化框架组成 7 3.3 基础环境 8 3.4 总体框架工作机制 94 数字化制造关键技术 10 4.1 工艺设计及仿真 10 4.2 工艺管理 14 4.3 数字化制造的价值 175 飞机数字化装配技术 196 数字化工厂 207 数字化环境下航空装备研制质量管理 218 结束语 22参考文献 23 航空航天产品数字化研制及其研制流程构建引言：近年来我国国地位不断提升，取得了举世瞩目的成就，2020年我国即将实现第一个百年目标实现小康社会，不久我国将超越美国成为全球第一大经济体，2050年我国或将全面超越美国。但是实现这些目标作为制造业压力巨大。尤其是以航空航天为代表的高端制造业，更是不能松懈，改革开放以来，虽然我国制造业创造了许多辉煌，但是我们必须看到，我们的制造业还处在低端的位置，很多方面都不及西方发达国家，整体上大而不强，没有核心技术，但这是因为近百年来，中国落后西方工业革命几百年，我们用几十年来补习我们百年来的欠账，现在，制造业与计算机技术与互联网刚刚开始交互，我们同主要的西方大国几乎同时起步，美国提出的再工业化，德国的工业4.0，我国的中国制造2025，这些全新的战略，是我们制造业的机遇也是挑战，其中很重要的一环就是数字化。 所以，本篇由国际说起，主要说明我国航空航天产品数字化研制及其研制流程构建。1.国际航空数字化的发展1.1.工程背景：随着信息技术的迅速发展及其与制造的融合，航空制造日益走向数字化。数字化已经渗透到产品研制的设计、制造、试验和管理的全过程中，出现了飞机产品数字化定义、虚拟制造、仿真等单元技术。采用数字化设计制造集成技术是保证飞机快速研制的必要手段。美国联合攻击战斗机(J SF) 是体现数字化设计制造技术应用水平的典型实例,证明了数字化设计制造技术在提高飞机产品质量、缩短研制周期方面至关重要的作用和地位。中国航空工业第一集团公司为了完成信息化建设,迎接国际航空市场激烈的竞争和挑战,提出了基于信息技术、实现跨越式发展的战略构想。数字化产品定义技术面向从设计、分析、制造、装配到维护、销售、服务等全生命周期的各个环节，用于描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含的信息，及信息间的关联关系，使其成为计算机中可实现、可管理和可使用的信息。产品设计所产生的信息是产品整个开发周期中的源头信息，支持产品开发后续阶段的顺利进行。因此，开发一个高效的产品设计方案是制造业中倍受关注的问题之一。数字化产品开发(DPD) 是在产品设计和工艺规划阶段采用数字化手段,以产品- 过程- 资源( Product- Process - Resource ,PPR) 核心模型建模为基础,以数字化研制过程的标准规范为保障,通过产品和研制过程信息及其关联的数字化描述、共享和集成实现产品快速研制的应用技术。应用DPD 技术是实现大型复杂装备系统快速研制的发展趋势。1.2.工程现状： 数字化设计与制造技术是在80年代法国达索公司开发的航空工业标准CATIA软件系统后，不断丰富它的功能模块及其兼容性而发展起来的。于1990年在隼2000的设计中首次采用，制造了数字样机，从而取消了所有实物样机；1993年，阵风项目全盘数字化，产品全寿命过程均可共享全部数据。数字化技术发展获得巨大进展是在1990年以美国波音公司为代表率先开展了全数字化设计技术研究，在计算机软硬件的准备工作上，他们选用了功能强大的CATIA软件系统，同时配置了2000多台工作站，并与8台主机联网，使参与飞机研制的全部工作人员以及用户和零件供应商都具有数据信息共享的良好条件。之后在B767-X的设计上用CATIA系统对全部零件进行三维数字化设计，数字化预装配和并行进行结构的详细设计、系统安排、分析计算、工艺规划和工装设计等工作。在企业管理方面进行资源重组、过程重组和产品重组，使飞机设计和制造从观念到技术上实现新的飞跃。在此基础上研制生产出了世界上最先进的波音777飞机，研制周期缩短1/3，成本降低1/4，从而使全数字技术成为世界各航空企业竞争的手段。国外的航空产品数字化设计、制造技术也是随着信息技术、网络技术、CAD/CAE/CAM 等技术的发展而逐渐形成。它是以产品数字化定义、并行工程、知识工程、试验仿真、虚拟制造等技术为主要标志，从根本上改变了传统的工作模式、方法和手段。而且，随着产品制造模式的变化，产品的管理模式也随之发生了变革。著名的联合攻击战斗机JSF项目通过建立基于协同平台的全球化虚拟企业，覆盖飞机全生命周期全面采用数字化技术，使飞机设计时间减少50%，工装减少90%，总装工装减少95%，零部件数量减少50%，制造周期缩短67%，制造成本降低50%，使用维护成本降低50%。欧洲以及巴西等航空制造业比较发达的地区或国家的产品数字化制造管理变革也基本经过了这种变革的过程。1.3.关键技术： 采用数字化技术的主要效益：显著改善产品质量，提高可靠性、可维护性； 减少设计错误、返工和不协调造成的设计更改; 改善零件间的协调性，减少零件间的干涉; 加快设计迭代速度，优化设计; 提高产品文档质量; 缩短新机研制周期，减少新机的研制成本等。在飞机研制中采用数字化设计制造技术，贯穿寿命周期的几项关键技术包括： 1、三维数字化设计技术 飞机产品工程设计从销售和市场获取的用户需求开始，飞机总体设计组经过对飞机的航程、所需燃油、载客量、总体性能及制造成本等分析后得出的数据作为进行初步产品数字建模的依据。 2、应用数字化预装配技术（DPA） 数字化预装配技术是在计算机上进行零件造型和装配的一个过程，达到在零件进行加工前就进行配合检查的目的。它的成功依赖于零件设计的彼此共享。它的使用将降低由于工程错误和返工等带来的设计更改成本。 3、应用设计制造的并行工程技术 设计制造的并行工程技术包括产品各部分的同时设计和综合，以及有关工程、制造和支持相关性协调的处理。这一技术的应用会使开发人员从一开始就能考虑到产品寿命期内的所有环节，即从项目规划到产品交付的有关质量、成本、周期和用户要求等。在公司组成集成产品集成设计组（IPT）进行并行产品定义工作，其成员包括结构、重量、分析、动力、载荷、电子、液压、工装、飞行控制、绘图、财务、支持、顾客服务、质量保证等部门人员，这些人员是各功能部门全权代表，随着工作进程成员应作适当调整。 4、全面的产品数据管理(PDM)技术研究 产品数据管理是管理、存取和控制与企业产品所有相关数据的系统，其中包括产品寿命期的所有数据。产品数据管理是面向目标的数据库，除数据外，还可管理产品开发过程，如工程图纸信息、设计审批过程、产品零部件结构和材料标准等。 5、统一产品数据表达和交换技术 建立全数字化模型后会出现各类软件和系统，这些软件当时开发时没有统一的规划和总体设计，不仅难以集成，而且信息难以交换，甚至有些是相互制约的。因此，在初期对产品数据表达和交换技术进行统一是很有必要的。 6、全数字化环境与协同工作技术每个飞机制造公司都应有自己的成套计算机系统、由软件和硬件组成的若干个功能模块、制造装配工艺系统、进度计划系统、订单系统、库存管理和零件短缺处理和跟踪系统等。但只有对产品进行全数字化定义后，这些内容和结构各不相同的子系统才有可能集成在一起，组成一个庞大和统一的计算机系统。该系统的数据来源应是由设计、制造、材料、财务和有关工作人员一起共同开发的产品结构数据、制造工程数据、工装工程数据、财务和一些其他计划表等。由这些数据进一步生成详细的零部件结构、制造方法、工艺规范以及有关材料参考等多项信息，这些信息应分别存储在一个CAD系统模型的不同层上，包含在数据集中。值得注意的是每个数据集中的内容格式应是标准的,是唯一零部件几何定义授权。最终形成飞机全数字化设计与制造集成系统。1.4.总体趋势：数字化技术虽然是一项新兴的技术，但是随着计算机技术和网络技术的飞速发展，数字化技术的应用已经深入到飞机全寿命周期和各个环节，并且还有进一步发展的势头，这主要是因为它对国防工业的武器生产起着关键作用，它包括了生产过程中所有的资源和过程，从根本上减少了资金、时间和劳动力及劳动强度，而成本和时间又是企业致胜的法宝。现在世界级的企业都在发展快速反应、经济可承受制造技术，而全机数字化设计与制造技术是这一技术发展不可缺少的支撑技术。2.我国航空数字化现状国内航空武器装备制造业从70 年代开始应用数字化技术，经过近30年的努力取得了显著成效，在产品设计、制造、管理的各个环节已广泛应用数字化技术，各种诸如CAD、CAPP、CAM、PDM和ERP 等单项技术与系统的应用比较普及，产品研制周期明显缩短，设计制造质量显著提高。第一，在产品研制改型中已应用数字样机技术，建立全机、部件数字样机。重点在详细设计阶段进行结构件和部分系统件的三维数字建模、预装配、干涉检查与运动模拟。严格地讲，目前的数字样机技术仅仅是设计阶段的局部应用，还不是真正意义上的以数字样机为核心的产品研制。尽管如此，通过采用数字化技术、建立数字样机，还是取得了显著效果。第二，在数字化制造上，采用了特种工艺数值模拟与仿真。第三，在数字化管理上，绝大多数飞机制造企业引进了产品数据管理（PDM）软件和企业资源计划（ERP）管理软件。部分企业还制定了数字化设计/ 制造管理标准。第四，在数字化技术推广应用过程中，各航空企业对数字化设备均有着较大的投入，从整个行业来看，数字化类固定资产已占到固定资产原值的三分之一以上；工作站、服务器已达几千台；CAD等各类软件已达两千套；数控设备五百余台；产品数据管理（PDM）终端用户超过500个。虽然我国航空工业已经在数字化方面取得了一定的成就，但仍存在如下三点不足：第一，目前国内还只是把数字化技术应用到现有工作和环节中，仅是简单地缩短周期和提高效率，没有改变传统的设计/ 制造/ 试验/ 管理的模式、方法、手段，更没有改变流程和生产组织。第二，在国内，比较明显的是，各个航空制造企业在数字化制造上，更偏重数字化制造硬件投资和数字化制造技术的获取，而对数字化制造管理不够重视。第三，与无纸化生产、大幅度减少不增值的重复性工作相比，大幅度减少工装、资源共享和优化劳动生产组织等的数字化制造应用效果还有较大差距。面对这些不足之处，我国航空企业应该建立新的数字化制造管理模式，实现航空武器装备制造业数字化技术应用水平跨越式地提升。第一，并行工程和协同理论，调整组织结构，建立符合航空武器装备的数字化制造需要的组织形式。第二，实现飞机数字化制造管理中多系统间的集成，达到信息的集成，过程的集成，资源共享。第三，建立单一数据源体系，形成支持数字化制造的产品数据。第四，依据数字化制造的需要，运用供应链理论，优化企业内外部资源优化配置。我国的航空制造业数字化经过多年的发展，取得了一定的成效，在产品的三维数字化设计、数字样机应用、工装数字化定义、预装配、主要零件的数控加工，产品数字仿真与试验、工艺数值模拟与仿真、产品数据和制造过程管理等方面有了较深入的应用，但是，我们也应清醒地认识到，产品全生命周期的信息通道尚未打通，数字化工程体系还未形成，数字化技术的巨大效能远未发挥。与发达国家相比我们还存在巨大差距，尽管我们在航空制造业实施了并行工程，但仍然停留在以产品为中心的产品研制理念，而发达国家已经转向以客户为中心的产品研制理念，即产品研制过程中，产品的目标从（可）制造性向服务性转化，采用面向产品全生命周期的管理模式。美国对于高风险的大型武器装备的研制，率先采用一体化产品与过程设计模式，将系统工程方法和新的质量工程方法相结合，并应用一系列决策支持过程，在计算机综合环境中集成，有效控制了产品的质量和风险。著名的JSF项目（新一代联合攻击战斗机）的研制，完全建立在网络化环境上，采用数字化企业集成技术，联合美国、英国、荷兰、丹麦、挪威、加拿大、意大利、新加坡、土耳其和以色列等几十个航空关联企业，提出“从设计到飞行全面数字化”的产品研制模式，用强势联合体来化解风险。目前，国家正在大力推进制造业的数字化。制造业企业急需从战略的高度，构造面向产品全生命周期的、支持跨企业联合的数字化工程体系。本文根据相关的研究和实践，总结多年的应用成果，以航空制造业为背景，提出制造业数字化的总体框架，给制造业数字化应用平台的建设提供参考。3. 航空制造业数字化总体框架研究3.1.总体框架设计要求 面对竞争激烈的市场大环境，制造业的唯一出路是在最短的时间内以最有效的方式生产出最能满足客户需要的产品。制造业企业间既有竞争又有联合，只有发挥各自的技术和资源优势，才能降低成本，分摊风险，共享市场。构建数字化工程体系是达到以上目的最有效的方法和手段。数字化工程体系的核心是信息共享和过程管理，因此，制造业数字化工程的总体框架必须能实现制造业企业内部和企业间的信息共享和过程控制。产品数据信息和产品生命周期相关的其他信息在各企业、各部门、各专业之间的顺畅流转，是产品研制顺利进行的重要保障。总体框架的设计要有利于实施全生命周期的产品数据管理，实现单一产品数据源，打通企业间的信息流。过程管理的内涵是面向产品的管理，而不是面向企业（或组织）的管理。它需要数字化体系能够把设计、试验和制造部门与客户、供应商、协作单位联系起来，采用IPT组织的方法，优化产品研制流程，达到控制成本、降低风险、缩短产品研制周期的目标。针对当今信息化技术的快速发展，要求制造业数字化体系能够支持企业业务变更的需求，支持流程再造和组织重构的要求，满足通用性和专业性的要求。3.2数字化框架组成3.2.1数字样机系统数字样机是产品的数字化描述，贯穿于产品从概念设计到售后服务的全生命周期，是工程设计、功能分析、试验仿真、加工制造、直至产品售后服务等的信息交换媒介。随着产品研制的不断深入，数字样机由表及里，由粗到细，成熟度不断增长。数字样机系统生成了数字样机，也提供了对数字样机进行分析、评估、仿真等功能。3.2.2产品数据管理系统产品数据管理系统管理并维护与产品相关的所有工程数据，包括产品的几何模型、说明性文档、技术状态数据等，产品数据管理同时也管理与维护产品数据间的关联信息，如产品结构、构型、版本等信息。3.2.3工程协同系统工程协同系统是由数字化设计系统、数字化试验系统、数字化制造系统等业务系统所组成的集合，从信息化的意义上来说，业务系统就是使能工具。工程协同系统是工程数据的主要生成源，各个业务系统通过数字样机进行数据交换。该系统包括：（1） 数字化设计系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业业务软件，包含产品设计的各种专业软件和工具，专业仿真软件工具，设计评估工具等。（2） 数字化试验系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业试验系统包括：数字化强度试验、飞控试验、系统试验、电气试验、航电武器试验、地面联合试验等试验业务系统。（3） 数字化制造系统：针对航空制造业业务需求，集成所需的专业制造系统，包括：数控加工系统、数字化复合材料生产线、数字化钣金生产线、数字化切削生产线、数字化工装生产线、数字化焊接生产线、数字化电缆管线生产线等制造业务系统。（4） 数据转换接口：业务系统之间的数据格式转换接口。3.2.4工程过程控制系统工程过程控制系统包括基于数字样机的并行过程控制系统和项目管理系统。并行过程控制系统实现了设计、试验、制造等业务系统的过程集成。并行过程控制系统确定了一个任务应涉及哪些业务系统，并通过控制数字样机的成熟度，确定业务系统是否启用，是否能够访问数字样机，同时并行过程控制系统也监视业务系统的状态，从而使之围绕特定任务协调有序地运行。项目管理系统完成项目任务的计划、资源调配、IPT组织管理、进度和质量监控等管理控制过程。3.2.5工程支持系统工程支持系统主要向工程协同系统提供工程过程中所需的支持信息，包括质量、五性（可靠性、可维修性、可测性、保障性和安全性）、标准、适航、情报资料、研制知识等信息，这些信息可以是模板、文件以及其他对象等形式。该系统同时也提供了质量、五性、标准和适航等方面的控制和评估功能。3.3基础环境基础环境包括计算机系统、网络系统和数据库系统等，是企业内部和企业间信息交换的基础。3.4总体框架工作机制产品研制业务关系表现在业务数据关系和业务流程关系两个方面，从信息化的角度来看，总体框架应实现信息的集成和过程的集成。因此，制造业数字化的总体框架由纵向的工程过程控制、横向的工程工作面和作为支撑的基础环境所构成，其中工程过程控制实现过程的集成，工程工作面实现信息的集成。工程工作面是产品研制过程的时间断面。在工程工作面中，工程协同系统是工程研制中数字化设计、试验和生产等方面业务系统的集合；数字样机系统对产品数据进行映射生成了数字样机；产品数据管理系统负责管理产品相关的所有数据；工程支持系统提供工程支持信息的共享。工程协同系统中的业务系统之间的数据交换是通过数字样机来进行的；数字样机系统根据业务系统的不同要求，对产品数据管理系统所管理的产品数据进行过滤，生成相应的数字样机；工程协同系统可以从工程支持系统中得到质量、标准等信息。工程工作面实现了信息的集成。工程过程控制分为两条主线：一条主线是基于数字样机的并行过程，所控制的对象是工程协同系统中的各个业务系统，并行过程采用成熟度控制的机制；另一条主线是项目管理过程，采用任务节点控制的机制。项目管理过程控制的是点，而并行过程控制的是线，并行过程由项目管理过程触发，工程过程控制实现了过程的集成。项目管理过程可以理解为对工程过程的任务节点（里程碑）的控制过程，任务节点主要描述了任务的进度、资源需求和任务间的关系等。在一个任务开始前，需要配置相应的资源（包括人员和物料、设备等），由IPT小组执行此项任务。通常，一个任务是否完成，是由并行过程控制系统返回的状态来确定的，对里程碑（阶段评审）来说，需要阶段评审的结论来支持。阶段评审的内容可以包括：质量、标准、五性和用户意见等方面。当一个任务结束后，为之所配置的资源将被释放，随着一个新任务的启动，新的资源配置也将完成。因此，项目管理过程同时也包含了IPT组织的动态变化过程。按照过程定义，并行过程确定哪些业务系统参与任务的执行。业务系统之间的协同是以数字样机为共同的信息基础，并行过程通过控制数字样机的成熟度，来限制各个业务系统访问数字样机。并行过程监控各业务系统的运行状态，并根据数字样机的成熟度、过程定义实现对各个业务系统的协同控制。工程工作面、工程过程控制和基础环境，三个部分构成了以数字样机为中心、以产品数据管理为手段、以工程过程控制为主线的制造业数字化总体框架。4. 数字化制造关键技术 4.1工艺设计及仿真 4.1.1 CAM及数控仿真技术 如今越来越多的制造企业引入了数控加工设备，有复杂精密加工需求的企业甚至装备了比较高端的高速铣、五轴加工中心等高端设备。为了从这些设备投资中取得回报，企业必须能够高效利用这些先进的加工设备。而如何快速的进行NC代码程序的编制并在加工实物之前进行仿真成为充分发挥这些数控机床能力的关键于是CAM技术应运而生。 CAM技术通过计算机系统与生产设备直接的或间接的联系，进行对机床的生产加工过程进行规划、设计、管理和控制产品的生产制造过程。主要包括使用计算机来完成数控编程、数控机床仿真、加工过程仿真、数控加工、质量检验、产品装配、调试这些工作。 CAM的核心，是利用可视化的方式，根据加工路径以及工装设备，模拟现实中的机床加工零件的整个过程并自动生成机床可以识别的NC代码。此项技术的关键，是能够真实的模拟现实的2.5轴、三轴、五轴等数控机床的运动，能够支持并识别不同厂商不同型号的数控机床。 由于加工技术的不断进步，事实上CAM技术也在不断发展和细分，例如有专门致力于叶片加工的CAM软件，还有专门致力于瑞士型纵切机床、车削中心编程的CAM软件等等。 数控仿真技术则可以对数控代码的加工轨迹进行模拟仿真、优化。同时，也支持对机床运动进行仿真，从而避免在数控加工过程中，由于碰撞、干涉而对机床造成损坏。4.1.2 装配过程与仿真技术 利用数字化制造技术中的装配过程与仿真，可以用树状结构表示产品的结构， 将三维数模数据（属性）导入产品节点，并将三维数模连接在每个零件上，在编制装配工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形，对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位，确定在每个工位上装配的零组件项目，在三维数字化设计环境下构建各装配工位的段件装配工艺模型，并制定出产品各工位之间关系的装配流程图。 在工位划分的基础上，依据分段件的装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内分段件的装配工艺模型零组件的装配顺序，以及需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的顺序号 这样在定义好每个零件的装配路径的基础上，实现产品装配过程和拆卸过程的三维动态仿真，以发现工艺设计过程中装配顺序设计的错误。以及在对装配顺序仿真过程中对每件零件、成品等进行干涉检查，当系统发现零件之间存在干涉情况时应予以报警，并示出干涉区域和干涉量，以帮助工艺设计人员查找和分析干涉原因。4.1.3工厂3D设计技术产品的工艺规划和工艺设计与车间布局、生产设备、工装都有非常紧密的联系。一个设计合理的工艺规划和工艺设计，不仅可以提高产品的生产加工效率和质量，还可以降低物料在车间的运输距离、减少等待时间、降低线边在制品数量和占用的空间等。而传统的工艺规划和工艺设计则很少考虑这些内容，其中的一个原因就是难以用直观的方式描绘工厂的布局。数字化制造技术提供了非常方便快捷的工厂3D设计工具，它内置了车间常用的货架、工作台、隔断、通用设备、机械手等车间设施设备，可以非常简便快速的进行二维三维的车间布局设计。一个近似于现实工厂的二维或者三维车间布局的模型，同时也为下一步根据工艺规划和工序进行物流仿真提供了有利条件。4.1.4 物流设计与仿真技术 制造企业生产加工的过程实际上就是原材料从进厂到产品出厂的增值过程。在这个过程中，各种物料在车间内和车间之间流动，从而完成工艺规划的生产加工过程。这些物料在流动过程中，需要占用场地、行车、推车、输送带等设备设施。一旦流动的节拍掌握不好，很容易出现“堵塞”现象，严重的可能会给操作人员带来危险。 因此，工艺规划完成之后，需要对生产这种产品的物料在车间内的流动状态进行模拟，通过模拟不仅可以分析出产能瓶颈，还可以验证工艺规划的合理性以及给车间物流带来的影响，以便在实际生产加工之前就规划出更为合理的工艺路线和车间物流路线。 数字化制造技术可以在工厂3D布局设计的基础之上，设立物流的流动状态以及车间各个设备、设施、工装的运作时间和规律，从而对车间物流进行仿真。这样不仅有助于优化车间布局，还可以帮助工艺规划人员对工艺规划进行优化，同时可以帮助车间管理人员对生产节拍、产能瓶颈进行分析。 4.1.5 公差分析 在制造过程中，单个零件的公差往往比较容易控制，但是对于一个由成千上万个零件组合而成的复杂产品而言，仅仅保证每个零件的公差是不够的，还必须对这些零件对装配后成品的公差进行有效分析。 在传统的设计和制造理念当中，面对客户对质量及外观越来越高的要求，在设计和制造过程中，对公差的要求也在不断提高，而公差与工艺有着密不可分的关系，不同的公差决定了不同的工艺路线和不同的工序要求。当对尺寸精度的要求达到一定程度时，企业就不得不增加投入，更新加工精度更高的设备，由此会引发制造成本的大幅提升。于此同时，更高的精度要求意味着更高的质量要求，制造的难度也会增加，由此也带来废品率的提高。 因此在设计公差时，很重要的是系统地分析零部件的可制造性以及与其他零部件组合成产品的可装配性，同时寻找成本最低、质量最佳的生产工艺，这也是数字化制造技术所关注的重点。 数字化制造技术中的尺寸公差分析可以从设计开始就对设计人员定义的尺寸公差、形位公差进行管理，通过对产品安装工艺的三维建模和数理统计仿真来分析和优化系统里的制造偏差和定位安装方案，从而对产品的尺寸质量进行改进和管理。4.1.6 机器人离线编程及仿真技术 中国制造企业特别是整车制造企业目前大多引入了工业机器人完成抓举、焊接、钻孔、抛光、喷漆等工艺过程。这些工业机器人的工作过程是由程序进行控制，一般有设备提供商或者专业机构在生产线安装时一次性编程并设置到位，设置完成后，工业机器人的工作路径、工作节拍就固定下来，制造企业无法进行有效的调整。 而事实上，由于客户的需求的变化，生产线上生产的产品可能每隔一段时间就会进行调整；同时，由于产能需求不恒定，因此生产节拍可能也需要每隔一段时间进行调整。由于缺乏专业的编程能力以及系统的仿真分析工具，制造企业往往不具备对这些工业机器人的控制程序进行调整以及仿真的能力。 数字化制造技术中的机器人离线编程及仿真技术解决了这个难题。它预置了目前世界上比较常见和通用的几个机器人供应商及各个工种的工业机器人，同时它可以导入三维CAD设计的零部件，工艺人员可以在可视化的环境中设计工业机器人的工作路径和工作节拍，结合工厂三维设计及物流仿真工具，工艺人员可以系统地规划整条生产线上工业机器人的工作路径和工作节拍，在避免机械手臂干涉的情况下，设计最为合适的工作节拍。对于包括ABB、KUKA在内的世界顶级工业机器人的良好支持，使得在数字化制造环境中设计规划的工业机器人工作路径和工作节拍等信息可以自动生成机代码直接为这些机器人所用。4.1.7人机作业模拟与仿真目前生产制造的大部分工序还离不开人工的干预和操作，在许多复杂装配制造领域（例如航空、船舶），由于空间及工艺的限制，大部分工序都需要人工去完成。这时候人的能力（包括技能、体力、身材等）成为完成该工序的一个关键因素。于此同时，今天的制造企业越来越重视企业的社会责任，对现场的操作人员必须尽到安全保护的义务。因此在工艺规划设计的时候，必须要考虑生产加工中可能给人带来的危险，并尽量避免伤害的产生。在这种情况下，人机作业模拟与仿真就显得非常必要。人机作业模拟与仿真是从人的生理和心理特性出发，研究人、机、环境的相互关系和相互作用的规律，以优化人-机-环境。数字化制造技术中的人机作业工程工具可以有效的模拟和仿真现场操作人员在完成每道工序时的动作并对操作的达到性、视觉性、安全性和工作舒适度进行分析和评估。与传统的设计方法不同，数字化制造技术中的人机作业模拟与仿真是用量化的手段模拟和评估人、机、环境三者之间的关系。例如在狭小的空间进行作业且对劳动者的力量要求不高时，安排身材较小的作业人员显然比安排体型较大的作业人员更加合适。除了对工作中的人机作业进行仿真和评估外，它还可以帮助设计人员对使用产品的人机工程进行仿真和分析，帮助设计人员对产品设计进行优化。人机作业仿真还可以帮助企业分析不同地域的作业人员在产品制造过程的不同感受，以根据地域设计开发不同的产品、规划不同的工艺布局和路线。例如欧美人种一般体型较亚洲人周更大，因此其在生产加工过程中也要求更大的作业空间。亚洲企业到欧美新建工厂就必须考虑这些因素，以给当地雇员提供更好的工作环境，避免劳动伤害。4.2工艺管理 中国制造企业往往对工艺的认识不足，许多小型制造企业甚至没有配备专门的工艺人员。事实上，高精尖产品的工艺无论是从复杂程度还是信息的数量，都远远大于设计。一个设计人员设计一张零件图，可能需要34名工艺人员才能完成工艺路线、工艺过程、工时定额、工装等相关工艺信息的设计。许多企业意识到对设计图纸的状态、版本、配置等信息的管理并实施了产品数据管理系统（PDM），但对工艺信息的管理就相对较弱，许多企业将工艺信息的管理方式与图纸的管理方式等同，在PDM中也仅仅是对工艺文件进行管理而未对工艺信息进行管理。 通常在工艺规划和工艺设计过程中，不仅需要考虑BOM的变化，还要考虑到车间的设备、工装、工时、物流等一系列的信息，而这些信息，事实上都需要对状态、版本、配置、变量、选项、组建的有效性等一系列的信息进行有效管理。 也正是基于此，数字化制造技术中的管理技术，不同于国内制造企业目前普遍应用的、面向编制工艺文件为目的的CAPP，而是一个更加全面、更加完善的工艺信息和工艺资源管理平台。 数字化制造管理技术主要涵盖以下四个方面：PBOM管理、工艺规划管理、工艺数据管理、工装资源管理。4.2.1 PBOM管理 PBOM（Process BOM）是工艺设计部门以EBOM中的数据为依据，制定工艺计划、工序信息、生成工艺BOM的数据。可以说，工艺部门进行工艺设计的成果，除了工艺文件以外，最为重要的就是PBOM。 PBOM的设计依据是设计部门产生的工程BOM（Engineering BOM，EBOM）。工艺人员在EBOM的基础之上，添加包括物流状态、加工的车间、生产线、工位、工序等相关信息，并根据工艺的要求改变EBOM的结构，形成工艺合件、虚拟件这就形成了PBOM。因此在构建PBOM的数据模型时必须与EBOM的数据模型相一致，即当EBOM上的信息发生变化时，PBOM对应的零部件信息也应当予以提示或发生相应的变化。 PBOM也有状态、版本、配置、变量、选项、组建的有效性等一系列相关的管理信息，同时还要具备与不同版本，不同状态的BOM之间进行比较的功能，以方便工艺人员在进行PBOM处理时有效甄别与EBOM以及其他版本的PBOM的差异。4.2.2 工艺设计管理 工序与工序之间，工序内部的工步之间有着内在的逻辑和时序关系。传统的CAPP软件虽然能够很好的解决工艺卡片的编制问题，却没有有效的方式管理工序间和工步间的内在逻辑和时序。数字化制造系统用结构化的工序树和甘特图很好的解决了这个问题。 工艺人员可以利用PBOM，用可视化的方式规划零部件的具体加工路线或者整个产品的制造路线，在添加相应工艺资源的同时，利用甘特图设计每道工序、每道工步的开始结束时间（实际工时），并建立工序与工序、工步与工步之间的内在逻辑关系。 在建立了三维的工厂模型前提下，这些逻辑关系与车间物流设计与仿真技术结合，可以真实的模拟出产品在车间制造的全过程，这样可以有效的分析出生产制造过程中的产能瓶颈和物流路线，从而帮助工艺人员在产品投产之前优化工艺设计的内容。工艺设计管理核心是PPPR（Product, Process, Plant and Resource）模型，其中产品信息来自PDM，而包括工艺规划、工艺设计工艺仿真则需要借助数字化制造技术，将各类工艺信息关联到PBOM中。PBOM中的产品对象既可以直接利用EBOM中的产品设计对象（Design Item），也可以创建产品制造对象(Part Item) 来构造PBOM，通过EBOM中产品设计对象和产品制造对象的关联来连接EBOM和PBOM。由于在一个平台当中进行EBOM向PBOM以及在PBOM上进行产品及零部件工艺设计，因此不仅EBOM的变更信息可以及时传递到PBOM，而且可以直观地反映在同一平台中的产品三维模型。4.2.3 工艺资源管理 在工艺的设计过程中，必须要考虑设备、工装等工艺资源的合理配置，在工艺设计过程中，需要随时查询和调取相关的工艺资源。在传统的基于二维的工艺设计过程中，工艺人员需要翻阅大量的手册以查阅相关的工艺资源和加工方法，然后用文字和图形在二维的工艺卡片中进行描述。但在三维的环境下，整个工艺的设计已经利用CAM技术、工厂3D设计和物流仿真技术、人机作业模拟与仿真技术进行了工艺设计和仿真，随之而来的工艺设备、工装等工艺资源的管理也需要在三维环境下实现。 数字化制造中工艺资源管理具备完善的分类和库管理功能，同时全三维参数化的工装等资源具备参数化的搜索能力，可以帮助工艺设计人员在一个环境中随时调取相关的工艺资源。4.2.4 工艺报表 在大部分制造企业，车间现场不允许布置过多的计算机终端设备，还必须借助纸质的工艺文件来指导作业人员的实际生产加工过程。与传统的CAPP不同的是，利用数字化制造技术进行工艺设计，所产生的各种工艺信息都用结构化的方式保持在数据库当中，可以按照企业的需求生成所需要的任何形式的工艺报表。报表的输出格式除了可以通过IE浏览的XML格式以外，还可以根据企业自身的要求，生成PDF、Word或者excel格式的文档。 用结构化的数据库管理设计、工艺过程中产生的各种信息，然后用报表的形式输出工艺卡片，最直接的价值是：设计、工艺发生的变更信息，可以得到有效的管理并快速传递到工艺卡片当中。4.3 数字化制造的价值 4.3.1 提升制造企业基础设施的投资回报率 中国制造企业在相当长一段时间处于一个“供不应求”的发展环境当中。在这样的发展环境中，供需的矛盾主要体现在产量上客户需要的产品由于产能限制不能及时提供，而客户也没有其他选择；但随着时代的发展和市场环境的变化，大部分制造企业都处于一个更加多变的市场环境，此时供需的矛盾主要体现在质量、价格、交付周期、外观、功能等多种个性化需求。制造企业竞争环境的变化，必然使得企业的制造模式也要转变，以往刚性的、满足大规模制造的制造模式向柔性的，多品种小批量的生产模式进行转变。 在转变过程中，许多制造企业通过引入国外先进生产设备甚至是整条生产线的方式来应对越来越多变的市场环境和客户需求。但是同时也为制造企业带来了巨大的风险在设备安装到位并正式投产之前，没有一种有效且直观的方式准确的仿真分析这些设备的投入是否能够满足未来产能、质量、外观、功能等预期需求。 数字化制造技术可以在设备在采购和投产之前，就通过三维仿真技术将整个制造过程展示出来，并计算产能、质量、外观、生产节拍等信息。这项技术不仅仅可以在新投入生产设备或者生产线时应用，在日常的企业生产管理中也能发挥巨大的作用。4.3.2 提升制造企业应对市场变化的能力 如今企业面对的是一个多变的市场环境，产品的产量、客户的需求几乎随时在发生变化，当产品和客户的需求发生变化时，就需要数字化制造技术来对生产线进行仿真和分析，从而减少生产线调整的周期，在产能需求峰值时挖掘产能潜力，在产能低谷时减缓生产节拍、避免设备闲置。 数字化制造技术可以帮助制造企业规划车间物流、分析产品的公差、虚拟仿真产品制造的全过程，这使得企业可以用非常直观的方式了解车间目前的制造能力。企业可以非常直观的了解目前企业在车间物流、工艺规划、产品加工过程中所面临的问题，并直接利用数字化技术对车间布局、工艺规划、产品设计、生产节拍进行调整和仿真，验证这些调整是否能够达到预期。 通过数字化制造技术，制造企业可以一定程度上实现生产制造的“柔性”当面临产能以及客户需求甚至产品类型变化的时候，企业可以首先利用数字化制造技术搭建数字化工厂，然后根据这些变化对工厂的制造能力进行仿真分析，从而快速进行调整和应对。4.3.3 提升制造企业产品的可制造性数字化制造可以将产品的公差、加工过程、装配过程用可视化的方式展现在设计人员面前，让设计人员可以在产品正式生产前就对产品设计的可制造性进行调整，真正实现DFM（面向制造的设计）和面向维护的设计，从而使得产品的质量设计水平得以提高。 4.3.4 提高制造企业自主创新能力 中国制造业企业的发展历程同时也是一个“引进吸收优化”的过程，由于缺乏核心技术和自主创新能力，部分行业在特定时期甚至喊出了“市场换技术”的口号。而事实上，大部分制造企业在引进和吸收国外先进技术的时候只做到了“知其然”，而未做到“知其所以然”。在许多复杂精密的制造领域，即便是利用逆向工程，也依然无法制造出性能和质量与引进产品相当的产品。造成这种现象的原因之一就是引进技术时，只注重引进产品图纸技术而忽视了制造工艺技术的引进。 一个比较突出的例子是：我国的汽车整车行业大量引入国外的车型、生产线、工业机器人但是不仅自己的设计制造水平依然落后于世界水平，而且当产能发生变化时，自己甚至无力对生产线的生产节拍进行调整在生产旺季时大量招聘季节性工人，生产淡季时却又不得不放假让生产线停止运转事实上在中国许多制造企业都存在类似的现象。 数字化制造技术可以通过可视化的方式对产品在车间的生产加工过程进行全面的仿真，从而让制造企业在产品设计时，不仅“知其然”还能“知其所以然”不仅知道这个产品应该如何设计，更重要的是如何将其制造出来。反过来，数字化制造技术还可以帮助研发设计人员验证产品的工艺性，使其性能更稳定，制造质量更可靠。5.飞机数字化装配技术飞机数字化装配技术是数字化装配技术实际应用的一个方面，下面简单介绍该技术的应用过程：1.利用设计部门发放的产品三维数模和EBOM，在三维可视环境下进行产品的装配工艺规划及工艺设计。将三维数模数据(属性)导入产品节点，并将三维数模数图形的路径关联到每个零件上，在编制工艺的任何时候都可预览零件和组件的三维图形，直观地反映装配状态。2.在产品工艺分离面划分的基础上，对每个工艺大部件进行初步装配流程设计，划分装配工位，确定在每个工位上装配的零组件项目，在三维数字化设计环境下构建各装配工位的段件装配工艺模型，并制定出产品各工位之间关系的装配流程图，形成装配PBOM。3.在装配工位划分的基础上，对每个工位依据段件装配工艺模型在三维数字化环境下进一步进行各工位内的装配过程设计，确定每个工位内的段件装配工艺模型零组件的装配顺序，并且将相关的资源(设备、工装、工具、人)关联到工位上。确定该工位需要由多少个装配过程实现，并定义装配过程对应的AO号。4.在装配AO划分基础上，对每本AO依据段件装配工艺模型进行详细的装配工艺过程设计，定义该工艺过程所需要的零组件、标准件、工装等，在三维数字化环境下确定该装配过程零组件、标准件、成品等装配顺序，明确装配工艺方法、装配步骤，并选定该装配过程所需要的工装、夹具、工具、辅助材料等资源，形成用于指导生产的AO和MBOM6.数字化工厂6.1基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂数字化模拟工厂是数字化工厂技术在制造规划层的一个独特视角。基于虚拟仿真技术的数字化模拟工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，采用虚拟仿真技术对制造环节从工厂规划、建设到运行等不同环节进行模拟、分析、评估、验证和优化，指导工厂的规划和现场改善。由于仿真技术可以处理利用数学模型无法处理的复杂系统，能够准确地描述现实情况，确定影响系统行为的关键因素，因此该技术在生产系统规划、设计和验证阶段有着重要的作用。正因为如此，数字化模拟工厂在现代制造企业中得到了广泛的应用，典型应用包括： （1）加工仿真，如加工路径规划和验证、工艺规划分析、切削余量验证等。（2）装配仿真，如人因工程校核、装配节拍设计、空间干涉验证、装配过程运动学分析等。（3）物流仿真，如物流效率分析、物流设施容量、生产区物流路径规划等。（4）工厂布局仿真，如新建厂房规划、生产线规划、仓储物流设施规划和分析等。 通过基于仿真模型的“预演”，可以及早发现设计中的问题，减少建造过程中设计方案的更改。6.2.基于制造过程管控与优化的数字化车间 在制造企业，车间是将设计意图转化为产品的关键环节。车间制造过程的数字化涵盖了生产领域中车间、生产线、单元等不同层次上设备、过程的自动化、数字化和智能化。其发展趋势也分别体现在底层制造装备智能化、中间层的制造过程优化和顶层的制造绩效可视化3个层次。 在底层制造装备方面，数字化工厂主要解决制造能力自治的问题。设备制造商不仅持续在提升设备本身高速、高精、高可靠等性能方面不断取得进展，同时也越来越重视设备的感知、分析、决策、控制功能，比如各种自适应加工控制、智能化加工编程、自动化加工检测和实时化状态监控及自诊断/自恢复系统等技术在生产线工作中心及车间加工单元中得到普遍运用。7.数字化环境下航空装备研制质量管理当然数字化研制还存在标准规范发展滞后、质量管理技术应用程度低、设计制造管理和 监督手段缺失等问题。如何适应数字化研制模式的