試談標準化在飛機數字化研制中的作用

田 菊

（中航工業第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089）

飛機研制是一個復雜的系統工程，其復雜性要求在管理上具有綜合性和嚴密性，所有技術環節和管理環節都必須通過程序、規范和標準來控制。飛機研制數字化技術的應用也不例外，同樣需要完整、協調、配套的標準體系，以支持飛機研制數字化應用的有序規范地開展。在飛機研制中標準化工作一項主要任務是構建型號標準體系，建立型號規范和標準，以有效規范和控制飛機研制正確、有序地開展，因此，標準化不僅是飛機研制中一項重要的技術基礎工作，同時也是飛機研制數字化技術應用中的一個重要組成部分。

1 標準化在飛機研制數字化技術應用中的作用歷程

早在20世紀50年代，以美國為代表的工業發達國家就將計算機技術應用于航空和汽車等產品的設計過程，并逐漸形成具有影響力的產品數字化設計技術。到了1994年，美國波音公司在波音777的研制中已全面采用數字化技術，成為當時飛機研制無紙化設計的典范。從對波音數字化技術應用的研究中可見標準化的重要作用，即在波音無紙化設計中，波音公司針對產品數字化定義建立了一套完整的基于CATIA軟件的數字化建模標準體系，并在無紙化設計中起到了規范化建模的作用。進入21世紀，波音公司在數字化技術領域又跨上一個新臺階。其設計和生產的787夢幻飛機首次采用了準確、直觀、經過定義的三維模型作為傳遞設計思想和生產依據的全數字化表達手段，并建立了基于MBD（Model Based Definition）的標準規范，實現了飛機全三維設計制造一體化的研制。

國內航空制造業應用計算機技術進行產品設計始于20世紀80年代。當時應用的領域主要在計算機輔助設計（CAD）方面，即以計算機、外圍設備及系統軟件為基礎，進行二維繪圖設計、三維幾何造型設計、有限元分析（FEM）及優化設計等，其目的主要是甩掉圖板、減少設計人員的手工勞動。此時飛機研制處于數字化技術應用的初期階段，標準化工作還未觸及到此技術領域。

“九五”期間，航空制造業全面引入波音777無紙設計理念，在行業內各主機廠所率先開展了國防預研項目“異地無紙設計技術的研究”，即進行100%三維產品數字化定義，100%三維數字化預裝配以及產品數據管理等技術的研究，并通過各主機廠所在部件級產品上的應用驗證，探索出一條型號研制數字化應用的途徑和方法，以達到提高設計效率、減少設計更改、縮短研制周期的目的。在三維產品數字化定義研究中，人們從規范化建模、模型的校對和檢查方面已開始意識到標準化的必要作用，并有目的地開展了三維建模規范的研究、模型規范化檢查程序的開展等。同時根據設計資源信息化的需求，開始研究與開發設計資源庫（如三維標準件庫），以達到快速設計、提高效率的目的。這一時期，標準化初步進入到數字化技術研究領域，并在各關鍵技術領先研究的基礎上有針對性地開展標準的預先研究。

“十五”期間，隨著航空制造業飛機重點型號研制的全面展開，各主機廠所已充分認識到標準化在飛機研制數字化技術應用中的基礎性地位及其重要作用，在飛機型號應用數字化技術的方案階段就開始考慮標準化應開展的工作。如在中航工業第一飛機設計研究院飛豹飛機全面采用三維數字化設計中，標準化就全程參與三維技術攻關，進行三維建模要求、二維CAD制圖等標準的制定，以同步滿足型號研制的需求。在另一重點型號應用產品數據管理技術進行產品全生命周期管理方案實施中，標準化從方案階段就開始進行標準體系規劃，針對設計手段和管理方式的改變，從頂層產品的定義、產品的組織直到產品的審簽、歸檔與發放等進行策劃，確保了標準化工作貫穿飛機研制數字化技術應用全過程，保證了飛機研制的順利進行。這一階段的標準化已基本實現了與飛機研制數字化應用同規劃和同實施。

2 大飛機數字化研制中的標準化工作

目前，飛機研制進入了一個新的時代，尤其是航空工業的整合，更加強調專業資源的整合，強調行業整體優勢的發揮，同時注重國際范圍的合作。國內新一代飛機研制不僅要從技術能力上實現跨代的飛躍，而且在研制模式和管理方式上也要求有巨大的提升和改變，即新一代飛機的研制模式和管理方式已從全三維數字化設計向全三維設計制造一體化方向發展，且數據之間的管理也由企業內數據協同向企業間協同以及上下游廠商協同方向拓展。

體現國家意志的大飛機項目已正式啟動，該項目是一項技術難度大、協調關系復雜的系統工程，不僅技術難度高、研制周期短，而且涉及的參研單位多，多廠所并行研制，要求必須增強設計制造單位的協同研制能力，以提升設計制造整體水平。因此，建立設計制造一體化的數字化研制體系，全面推進基于MBD設計制造技術，以提升大飛機的研制能力和水平，不僅是型號研制的迫切需求，更是航空工業未來發展的必然方向。

盡管在波音公司787夢幻飛機的設計和生產中已實現MBD技術的應用，但在我國航空行業還屬首次。MBD技術是指在產品的數字化定義中，以三維模型為基礎，集成了尺寸標注、公差要求、加工制造要求、檢驗要求等特征信息，實現對產品信息的清晰、完整、唯一的描述，以滿足下游數字化制造直接使用的需求。它與原有數字化設計模式最大的區別是以三維模型為唯一數據源，所有加工制造檢驗信息均在三維模型上體現，下游制造部門需直接以三維模型為依據進行產品加工制造與檢驗。

大飛機研制數字化技術應用的關鍵即是基于MBD技術的設計制造一體化體系的建立、應用與實施。作為大飛機研制中的一項關鍵技術攻關內容，標準化人員全程參與了該項技術攻關及其成果應用與推廣。在大飛機研制數字化技術應用過程中標準化工作重點開展了以下3個階段的工作。

2.1 關鍵技術攻關

原有型號的全三維設計模型主要表達的是幾何信息，部分非幾何信息通過產品數據管理的屬性定義體現，而大部分非幾何信息，如通用附注等工藝要求與技術條件是通過二維圖紙補充說明的。在大飛機MBD關鍵技術攻關中，首要的任務是將原有二維圖樣的所有信息，包括幾何信息和非幾何信息均要完整地表達在三維模型上。在以設計人員、計算機人員和標準化人員組成的攻關團隊中，大家分工協作，集智攻關，分別從軟件功能的使用與開發、到零部件MBD模型的設計與研究、再到MBD模型信息的表達與規范化等進行分步研究，最終研究的成果由標準化人員形成MBD模型標注相關規定，由計算機人員進行軟件的客戶化定制，形成三維標注模版，由設計人員在某型樣機研制中的零部件產品上進行應用驗證。通過近半年的共同研究與驗證，技術攻關取得了良好的階段性成果。

2.2 標準體系的建立

關鍵技術取得的階段性成果對在大飛機研制中全面推進MBD技術是一個極大的信心和鼓舞。這就要求我們一方面要快速建立起適于MBD技術的數字化協同研制平臺，以確保MBD技術的順利實施；另一方面要建立適于MBD模型設計與管理的一整套標準體系，以保障飛機研制有序規范地開展。以新的角度全面考慮和規劃基于MBD技術標準體系，從二維圖紙的概念中跳出來，以三維模型為主研究數據的組織、信息的表達及傳遞方式，按照基于MBD技術的數字化協同研制體系框架構建MBD標準體系。

由于MBD標準是全新技術標準，涉及許多新技術、新概念，因此在標準體系的建立過程中，采取了邊攻關、邊制定、邊試用的方法。在標準編制過程中，總設計師單位不僅嚴格按標準編制程序進行標準編制，在設計師系統內部進行充分溝通與討論，而且積極主動與制造師系統進行充分溝通與協調，以保證MBD模型信息的完整、準確與直觀的表達，以便下游制造系統方便進行信息的提取與使用。一些新的管理標準，由于涉及計算機管理模式和控制方法，如三維模型的設計更改與版本控制、并行研制中成熟度定義與控制等，更是經過了多輪討論、反復切磋，甚至幾易其稿，最終才完成的標準定稿。MBD標準體系的建立為下一步全面推進MBD技術應用奠定了技術基礎。

2.3 MBD標準的推廣與應用

新技術應用標準化一項重要的工作是推廣與應用，尤其是MBD技術，它不僅是實現設計技術水平的一次提升，更是實現制造水平和能力的一次飛躍。以全三維模型作為唯一制造數據源，要求制造系統不僅要采用數字化制造技術進行產品加工與生產，而且還要采用數字化測量技術進行產品檢驗，才能保證MBD技術的有效實施。因此，大飛機標準的推廣與應用是一項繁重而艱巨的工作。大飛機標準的推廣與應用主要經歷了3個階段：從MBD技術的新概念、新思路、新架構的引入，到MBD技術實施方案與標準體系框架的介紹，到最終MBD標準體系與標準的宣貫。每個階段作用不同，第1階段的重點是介紹MBD技術的新概念，強調實施MBD技術的必要性，以及所具有的技術基礎與能力，使設計師系統與制造師系統對實施MBD技術達成共識；第2階段著重宣講MBD技術應用實施方案、標準體系框架及設計制造體系所需具備的軟硬件條件，以進行MBD技術實施的準備；第3階段是標準體系宣講與標準宣貫，使設計與制造系統了解標準內容，以便正確地應用標準。在大飛機標準的推廣與應用過程中，其標準體系也經歷了一個由淺入深，由初步到完善過程。目前，大飛機數字化研制所建立的標準體系已基本滿足實施MBD技術的需求。

3 標準化在飛機研制數字化應用中的作用

標準化在飛機研制數字化技術應用中的作用是隨著數字化技術應用的發展不斷深入而越發顯現出其不同的角色和作用的。

3.1 標準化的技術積累作用

傳統標準化的一項重要作用是對前期技術和經驗的積累與總結。在飛機研制數字化技術應用的初期，標準化的作用正如傳統標準化的作用一樣，起著技術積累的作用，即在數字化技術應用達到一定成熟階段，取得一定成果，且成果趨于穩定以后，才進行數字化應用標準的制定，其工作模式常常是滯后的。

3.2 標準化的技術創新作用

技術創新是一個新的理論、新的方法或新的研究成果的形成過程，它是技術積累上的一個突破。飛機研制數字化技術的應用其實就是一個技術創新的過程。要使技術創新的成果發揮其應有的作用，只有通過標準化才能快速實現其目標，而且標準的“制定—實施—修訂”的過程就是技術的“創新—普及—再創新”的過程。同時只有將技術創新的成果以標準的形式固定下來，才能實現新一輪的技術創新。因此，標準化不僅是技術創新的基礎，更是技術創新的平臺。

3.3 標準化的技術推廣作用

一項新技術的推廣應用有多種途徑，而標準化則是一種有效的途徑。眾所周知，標準的宣貫是標準化的一項基本任務，但對新技術而言，標準的宣貫則更是新技術推廣應用最直接最快捷的方法。在大飛機研制數字化技術應用中，標準化不僅在關鍵技術攻關成果的推廣應用上發揮了應有的作用，而且在后續全面推進MBD技術的實施進程中更發揮了不可替代的作用。

4 結束語

飛機數字化研制是一項新技術創新工程，其創新進程是隨著數字化技術應用的不斷深入而逐漸拓展，且應用的速度也在不斷加快，這就要求標準化工作要持之以恒地跟蹤數字化新技術領域，了解國內外發展方向，并緊密結合型號研制積極開展關鍵技術標準的攻關與研究。只有不斷探索新技領域，始終保持與新技術發展的同步研究，才能真正發揮標準化先導作用，也才能實現由滯后標準化向超前標準化的轉變。

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