航空制造技术以创新开启未来

国际金属加工网 2018年10月12日

我国的航空工业经过60多年的发展,已经从最初的仿制和改进设计阶段,走到今天的自主设计和创新研发阶段。航空武器装备的研制历程除了所涉及的设计、材料、制造和测试试验专业技术的发展和进步外,先后经历了具有里程碑意义的图纸模线物理样机、全机数字样机、异地并行协同研制、基于模型的系统工程四个发展阶段。通过建立基于网络的协同研制平台,实现了多家参研厂所的连接和贯通,确保了全研制链的管理协同、工程协同和制造协同,形成了支持飞机研制的跨地域多厂所一体化协同研制的新模式。运用基于模型的定义(MBD)技术,实现全三维数字表达和全局数字量传递,大型飞机数百万零组件均采用MBD技术表达。运用基于模型的系统工程,进行复杂系统功能、性能和行为的自顶向下的分解以及自底向上的综合验证,形成新一代复杂航空产品创新设计能力。运用虚拟仿真试验替代传统风洞、强度、结构等物理试验过程,加速了在数字空间对产品的快速迭代,型号研制周期普遍缩短三分之二。

数字化技术在飞机设计上的应用越来越普遍

航空制造技术取得的成就

航空产品制造一直是先进技术高度密集的行业之一,主要是由于航空产品的零部件形状和结构复杂、材料多种多样、加工精度要求严格。在现代飞机和发动机的主承力结构中,整体结构件所占的比例快速增加,这类零件通常采用整体毛坯(板材或锻件)进行切削加工,零件成品的重量只有毛坯的5%~20%,其余的80%~90%材料都变成了切屑。飞机机体的梁、框、肋、壁板以及发动机的压气机风扇、整体叶盘等都是现代飞机、航空发动机的关键零件,使用的材料涉及高强铝合金、钛合金、高温合金、复合材料等,大多以整体结构为主,结构复杂、精度及表面质量要求高,加工周期较长。这些零件的制造过程对于实现高效、准确加工有着迫切的需求。

(一)数控技术成熟应用,奠定航空制造技术基础

我国航空工业数控加工技术的研究与应用始于20世纪60年代,初期研究的重点是飞机整体结构件的切削加工工艺技术,先后进行了“雄鹰”-302、歼8和水轰5等机型的整体壁板零件数控加工技术应用研究。1978年改革开放后,数控技术开始逐步进入工程化应用阶段,到20世纪80年代中期,以典型的飞机复杂型面结构件为对象,进行细致的工艺分析和试验,形成了从型面测量、曲面构造、数控编程到加工工艺方案等一整套的工艺流程,为歼8改进型飞机的研制奠定了技术基础。同期,将计算机辅助设计/制造(CAD/CAM)技术应用直升机动力部件研制,很好地解决了工艺路线、毛坯夹持与定位等一系列问题,加工出完全符合设计图纸要求的旋翼泡沫芯零件。到20世纪80年代后期,数控加工技术在飞机结构件加工上的应用取得初步成效。

20世纪90年代,我国航空工业数控技术应用进入快速发展时期,在大多数企业里,数控车间变得日益普遍并初具规模,且成为飞机产品制造过程中的关键环节,特别是在歼10、歼11的研制中,以及波音、麦道、空客转包零件的生产中,数控加工技术在飞机结构件制造方面积累了丰富的经验并进入成熟的应用阶段,飞机结构件的制造精度、产品质量达到了新的水平,飞机制造的协调体系也开始从传统的模线—样板—标准样件工作法转向以数字量协调工作法迈进,数控加工技术成为支撑现代飞机制造过程的基本手段。

进入21世纪后,随着新一代航空装备研制进程加快,航空工业相关企业数控设备的类型、数量及规模快速扩大,主流CAD/CAM应用工具软件逐步得以广泛应用。到“十五”末期,数控设备拥有数量已达数千台,随着新一代航空装备型号工程的进展,各企业数控设备应用水平不断提高,武器装备的生产条件持续改善。

经过“十一五”和“十二五”期间的稳定应用和进一步完善,数控设备、CAD/CAM应用环境乃至车间运行管理、企业资源计划等逐步形成规模化应用,支撑了现代航空装备的研制和小批量生产,使新型装备的研制周期从原来的10年左右时间缩短到5年以内。

(二)柔性制造与计算机集成制造技术示范引领,成为航空制造技术跨越发展的引擎

从20世纪80年代中期开始,航空工业在大力推进数控机床、CAD/CAM技术应用的同时,也开始了面向航空零件加工的柔性制造系统(FMS)技术研究。航空工业成立了北京柔性制造系统实验中心,面向航空结构件的生产需求,突破了计算机辅助工艺设计(CAPP)、CAD/CAM/CAPP系统集成、FMS系统规划与仿真、多轴数控系统等关键基础技术,1995年建成了我国第一条准生产型航空结构件FMS系统。“九五”末期到“十五”期间,该FMS技术在航空发动机、航空救生装备研制等领域进行了推广应用,奠定了航空工业从传统方式向信息化、数字化跨越的技术基础。

伴随着FMS技术、计算机技术的发展,20世纪的80年代初计算机集成制造系统(CIMS)概念开始形成并进入工程应用实践。“十五”期间,在开展FMS技术研究和应用实践的基础上,启动了航空CIMS工程,把数控技术、FMS技术、信息技术等进一步综合应用到航空装备研制过程中,在航空工业成飞、昌飞、远东等企业建立了以计算机为基础的企业内部集成制造系统,初步形成了信息系统集成、运行过程计算机管控运行模式的雏形,取得了预期的成效。

(三)推进飞机制造业数字化工程,开启航空制造数字化转型升级之路

伴随着数字化技术的发展变化,航空产品研制在经历了二维图纸、三维模型、数字样机等典型阶段后,发展到在并行数字化协同工作环境中,基于数字样机建立了以数字量传递为基础的飞机装配协调技术体系,数字量信息贯穿从设计到制造的整个过程,使传统串行研制流程并行化,大大提高了飞机研制质量,缩短了飞机研制周期。

2003年启动“飞机制造业数字化工程”,目标在于打通飞机(含直升机)研制的数字化设计、试验、制造和管理生产线,创建飞机数字化研制基本体系,从根本上变革现行的设计、试验、制造和管理的模式、流程、方式、方法和手段,从而形成在新一代飞机研制生产中实施数字化设计、试验、制造和管理的工程能力,以达到大幅度缩短飞机型号研制周期、减少研制费用、降低生产成本、提高产品质量、增强核心竞争力的目的。

通过飞机制造业数字化工程的推进,突破了飞机三维数字化定义、数字化预装配、产品数据管理、CAD/CAPP/CAM集成等关键技术,使飞机行业的数字化技术由单项应用向集成技术应用发展,初步形成了基于广域专网数字化设计制造基础环境,显著提高了飞机研制质量,缩短了研制周期。

飞机数字化工程推进了基础平台建设,各厂所配置了包括企业级服务器、工程工作站和微机及网络系统等硬件支撑环境,以及三维CAD/CAM系统、适用于航空产品工程分析的各类CAE系统和工程试验仿真软件、数字化工艺设计系统、车间制造执行系统、检测系统以及企业资源管理系统等,建立了覆盖厂所管理、设计和部分试验区域的计算机网络系统,形成了比较完整的网络体系,在航空工业成飞、沈飞、西飞、昌飞、哈飞、西航、黎明等主机企业建设了一批切削加工、钣金成形、部件装配等专业的数字化生产车间或生产线。这些基础平台,成为新一代航空装备研制的核心环境。

(四)集中突破高效数控加工技术,提升航空企业核心工艺能力

从“十五”到“十一五”期间,各企业的制造部门配备了大量数字化加工设备,广泛采用CAD/CAPP/CAM技术,制造企业初步实现了工艺和工装三维数字化设计及数字化预装配,数字化工艺设计覆盖机加、钣金、装配、复材等零部件类型。零件制造不仅实现了与飞机外形有关的复杂型面类零件、关键对接类零件和复杂结构件的数字化制造以及相关的工装的数控加工,而且开始了数控弯管、钣金下料、数控高压水切割、数控激光切割、自动钻铆及电缆的数字化制造技术应用。经过多年的发展和不断完善,针对一些关键零部件制造,建立了车间级的数字化设计制造管理集成环境,在关键零件工艺设计、工装设计、数控加工中取得了明显效果,航空零部件制造开始走上向数字化方向发展的道路。

数控加工水平的提升显著提高了航空工业重点企业的核心制造能力,缩短了航空产品的研究制造周期,降低了航空产品的制造成本,实现了数控车间管理从人工管理到信息化集成的跨越。这对于我国航空工业先进制造技术的发展,以及航空行业国际竞争力的提升都产生了极为重要的作用。

(五)MBD技术逐步应用,促进航空产品研制模式的变革

MBD模型强大的非几何信息描述能力为关键特性、定位计划、测量计划等协同信息的描述提供了全新的定义方法,改变了传统由三维实体模型来描述几何形状信息。而用二维工程图纸来定义尺寸、公差和工艺信息的分步产品数字化定义方法,使三维模型成为生产制造过程中的唯一依据,减少了对其他信息系统的过度依赖,以及数据流在研制全过程中转换和人工读取导致错误的问题。而且,MBD技术体系改变了传统方法下纸质介质的产品定义表述模式,完全符合数字化管理的要求,提高了信息传递的准确性和效率。采用MBD技术体系为航空制造带来了管理和效率上的飞跃。

伴随着国外飞机在国内转包生产,MBD技术逐渐进入国内航空企业,各主机厂所也开始了MBD技术体系的不断探索,通过基于CAD平台的二次开发,就实现MBD的表达方式、数据管理、设计与制造数字化信息的无缝传递进行了研究与应用,逐步形成了航空工业MBD的数字化设计技术体系,有效推进了MBD技术在型号研制中的应用。

我国早期采用三维数字化设计技术是从ARJ21新支线客机开始的,该机采用的是三维数字化模型+二维工程图+零组件明细表工作模式。三维数字化设计技术的采用,大幅度提高了ARJ21飞机设计协调性,通过借助计算机技术进行干涉检查、运动机构仿真模拟等,极大地减少了结构之间、结构与系统之间以及系统与系统之间的不协调因素。

我国新一代大型运输机全面采用了MBD的方法进行全机三维数字化定义,飞机设计单位通过协同设计平台实现了各专业关联设计,同时实现了设计领域的并行工程。采用MBD技术的飞机产品定义方法,彻底结束了二维工程图的使用,大幅减少了设计的工作量,使得研制周期缩短了50%以上,在大型运输机的制造中发挥了重要作用。C919大型客机和AG600大型水陆两栖飞机都采用了MBD技术进行全机三维数字化定义。

(六)积极推进智能制造,实现新时期航空制造的创新发展

“十五”至“十一五”期间,开始启动智能制造基础技术的研究工作,“十二五”期间,从工业基础层面开始推进智能制造技术的工业化应用。2013年,航空工业建成了由复合材料自动化成型系统、自动化加工系统、装配系统、自动化检测系统、自动化喷涂系统、智能化仓储系统、智能化生产运行控制系统组成的数字化车间,打通了制造数据准备、制造执行和产品检测三个环节,突破了数字化制造、自动化物流传输、数字化生产运行控制等技术,有效支持了飞机复合材料构件的工程化生产,提高了复合材料构件的成品质量。

2015年5月8日,国务院提出了实现制造强国的战略目标。智能制造是航空工业落实创新驱动发展、实现工业转型升级的关键举措。航空工业从2014年11月起组织专家团队开展航空工业智能制造总体发展思路研究,在国内率先提出了“动态感知、实时分析、自主决策、精准执行”的智能制造特征,构建了包含企业联盟、企业管理、生产管理和控制执行等4个层面的航空工业智能制造架构,提出了“建立一个创新中心、突破三大关键技术、落实七项重点任务”的航空智能制造推进计划,选择智能制造试点单位,开展智能制造关键技术突破和应用实践。

从2015年至今,航空工业所属企业积极申报和实施智能制造试点示范、新模式项目,以及互联网+制造业相关项目,开展智能制造在航空领域的实践活动,取得很好的成效。在2015年46家智能制造试点示范项目中,航空工业企业占了3家。2015~2017年,共有15家单位的21个项目获得智能制造类试点示范、专项(标准化与新模式)项目,以及工业转型升级项目、制造业与互联网融合发展试点示范项目。

2017年开始,航空工业组织开展智能制造最佳实践与模式提炼工作,从最通用的机加车间/生产线入手,通过总结提炼直升机旋翼系统智能制造车间和数控车间智能制造最佳实践经验,制订了航空智能机加车间/生产线实施指南和航空智能机加车间/生产线成熟度评价标准。2018年4月举办了航空工业首次智能制造最佳实践交流会,集团公司27家单位的65名代表参会。按照计划,今年正在开展飞机总装生产线智能制造最佳实践模式的提炼工作。

VR技术在航空领域的应用已经拉开大幕

航空制造技术的发展趋势

现代工业经历了机械化、电气化和电子化的发展时代,在现代计算和通信技术、自动化技术、工业互联网等人工智能的共同推动下,正在进入以赛博物理系统为核心的新一代工业革命时代,在这一大环境背景下,航空制造的主要要素如工艺装备、生产系统到运行模式也将进入全产业链协同、个性化生产的新业态发展中。总体上看,以数字化、网络化、智能化为特征的智能制造将加快航空制造的发展,推动航空产品向规模化和个性化定制;制造模式向全球网络联盟、分布式制造、快速响应制造发展;模拟与仿真技术将得到越来越多的应用;设计、材料、制造、试验一体化将引领未来航空装备研制模式的转型升级。

(一)加快人工智能在航空制造领域的应用

在目前航空产品设计、工艺和制造等不同阶段已有专家系统的基础上,未来可通过更为成熟的推理机制对已获知的信息进行进一步的推理演算,辅助规则的选择。同时,随着深度学习技术的不断成熟,传统启发式搜索、演化算法和机器学习无法解决的航空产品工艺规划、生产排程、智能调度以及物流配送等复杂程度较高的问题将得到有效解决,改变目前以经验为主的决策模式。

(二)针对制造过程的大数据分析将产品优化拓展到全生命周期

大数据在具有典型离散特点的航空产品制造过程中的应用尚处于探索阶段,未来大数据技术相关的应用,将使产品制造过程的改进由传统的“建模、优化”模式向“关联、预测”模式进行转变,解决航空产品质量分析、设备运行状态监控与健康管理以及生产系统性能评估与优化等复杂问题。

(三)仿真和数字孪生技术将加速虚实空间的融合

数字孪生是传统仿真技术的延伸,具有实时同步、忠实映射、高保真度等特性,能够实现物理世界与信息世界的交互与融合。在航空产品研制过程中,未来数字孪生技术可以利用已有的相关理论和知识建立虚拟模型,同时还可以利用虚拟模型的仿真技术分析和预测问题或系统的未来走向,发现和寻找更好的方法与途径。

(四)3D打印技术将在航空制造过程大幅获得应用

3D打印技术具有自由成型、全数字化、无需模具、材料高利用率等特点,航空制造领域的应用主要集中在外形验证、直接产品制造和精密熔模铸造的原型制造等方面。该技术能在航空制造领域大幅度解决小批量复杂产品制造成本过高和客户化个性需求问题,有效缩短产品型号的研制周期。同时,将3D打印的增材和传统的减材制造结合,将成为航空制造技术未来的发展方向。

(五)机器人系统集成应用将开创航空制造的新领域

随着航空产品制造过程和制造系统复杂程度的增加,未来的每台机器人都应具有独立的感知、决策和执行能力,可以独立完成产品的加工、转运、测量等任务。同时,模式识别技术将更为广泛地应用在机器人的感知方面,识别和理解文字、图像、声音等非结构化的数据与信息。另外,在面对更加复杂的任务时将会需要多台机器人共同完成,在相关协同管控技术方面也有很高的要求。

(中国航空报)

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