支持飛機設計過程的制造質量知識模型研究

孫怡曉，王潤孝，同淑榮，楊云濤

SUN Yi-xiao1, WANG Run-xiao1, TONG Shu-rong2, YANG Yun-tao1

（1. 西北工業大學 機電學院，西安 710072；2. 西北工業大學 管理學院，西安 710072）

0 引言

我國飛機研制企業總體上仍采用傳統的串行封閉式設計與制造模式[1]，設計人員往往對制造的工藝性和生產制造能力缺乏足夠的認識，容易片面追求過高的技術要求，造成設計與制造相脫節，降低飛機設計的質量。

在以往的研究中，制造質量知識在多被用作質量控制和輔助工藝設計[2]，很少向更高層次的設計階段反饋。實際上，這些知識包含的價值遠不止此，它們經過分析和處理，可以向更高一層的設計階段反饋，從而來輔助產品設計的全過程，避免設計初期與制造的脫節，提高設計質量。

本文從飛機設計和制造過程開展研究，探討制造質量知識對飛機設計過程支持的原理，分析設計過程對制造質量知識的需求，建立支持飛機設計過程的制造質量知識模型。為飛機設計與制造的融合打下理論基礎。

1 制造質量知識對產品設計的支持

1.1 制造質量知識及其對產品設計的支持原理

在制造過程中產生的與制造質量相關的或與能夠對產品制造質量產生影響的有用知識的集合，統稱為制造質量知識。制造在將設計轉化成產品的同時，產生了大量的制造質量知識。從存在的形式上來分，制造質量知識可分為顯性知識和隱形知識。其中，顯性制造質量知識是指以實體存在的知識，它包括制造過程相關知識，例如工藝參數、檢驗數據、加工方法等，也包括設備、人員、材料等制造資源知識，還有與制造環境相關的質量知識。隱性制造質量知識則是指存在于工藝人員和制造人員的腦海中的經驗、訣竅等。

圖1 制造質量知識對設計過程的支持原理圖

圖2 制造質量知識粒度轉化與“金字塔”層次模型

圖1描述了制造質量知識對設計過程的支持原理。設計活動包括概念設計、初步設計、詳細設計三個階段。在制造階段中產生的大量數據、參數、圖表等信息，經過篩選、分類、整理和數據處理，形成制造質量知識。建立制造質量知識庫，存儲制造過程知識、制造資源知識、制造環境知識、制造經驗等其它制造質量知識。這些制造質量知識將依照設計者的需求，可以直接或通過必要的處理過程間接地反饋給個階段的設計者，從而向各個設計階段提供制造支持。

1.2 制造質量知識粒度的轉化

為滿足不同設計階段對制造質量知識不同層次的需求，將引入制造質量知識粒度的概念，來表示對原始制造質量知識加工處理的程度。直接從制造一線采集的原始制造質量知識，稱為粗糙知識。經過知識提取和處理過的知識，稱為精細知識。如圖2(a)所示，結合設計對制造的需求，對采集的原始參數、圖表、數據等信息，采用歸納、統計分析、圖表處理、模糊算法、遺傳算法、神經網絡等方法，進行知識的抽取和提煉，實現制造質量知識粒度的逐步“細化”。知識經過“加工處理”的過程越復雜，知識的精細程度越高。

由于制造質量知識細化的程度面向設計的各個階段的需求，經過處理的制造質量知識根據所支持的設計階段而不同而呈現出不同的粒度。相同知識粒度的制造質量知識集合起來，使得知識庫中的知識展現出不同的層次，如圖2(b)所示的“金字塔”模型。隨著設計階段的層次提前，所需的制造質量知識處理程度越高，處理過程越復雜，粒度越細；越接近制造階段，所需制造質量知識相對來說比較粗放，處理過程比較簡單。

制造質量知識對設計階段支持的層次性，使得制造質量知識對各階段知識支持的更有針對性，提高了制造質量知識的質量和效率，有利于產品設計者快速準確得查詢到所需的制造質量知識。

2 飛機設計過程的制造質量知識需求分析

2.1 飛機的設計過程

飛機設計過程主要包括概念設計、初步設計和詳細設計[3]，各個設計階段的主要任務如圖3所示。

飛機概念設計階段，設計人員主要解決飛機的構形布局、參數、重量以及性能方面的問題。并考慮關鍵技術的風險和新材料、新技術、新工藝等應用計劃等；飛機初步設計階段，逐步建立全機三維模型，進行結構間的協調和關鍵技術攻關。各部件的設計師開始進行部件結構的打樣設計。初步設計的最終目的是為詳細設計，即所謂全尺寸研制做好準備；飛機詳細設計階段，各部件將分解成零構件，如機翼就被分解成各個翼肋、翼梁和蒙皮，然后分別進行設計和分析。詳細設計的后期，工藝部門將介入進行工藝設計。

2.2 飛機設計各階段對制造質量知識的需求

設計對制造質量知識的需求的目的主要是提高設計產品的可制造性。其中，設計產品的工藝性水平、制造資源的約束、制造技術水平限制是影響產品可制造性的重要影響因素。 設計者若能充分考慮這些方面的制造質量知識，則能保證產品設計的質量目標在制造過程中順利實現，達到設計與制造目標的一致，從而提高了設計質量。

圖3 飛機設計各階段的主要任務

在飛機概念設計階段，對結構布局設計時，往往需要考慮結構的繼承性[4]，這也是結構工藝性重要方面之一。而飛機結構的繼承性又依賴于已有的制造質量知識，利用現有的工藝文件、工藝裝備和成熟的生產經驗可以對設計提供有效的制造支持。縮短了生產準備和制造周期、降低了生產成本；設計人員對于新材料、新結構和新制造技術的采用比較慎重。要以充分的預研和工藝試驗為基礎，應先局部試用于已成批生產的飛機，在制造中反復檢驗，基于大量的制造試驗數據作出分析，規避風險，再逐步穩妥地擴大應用范圍。

在飛機初步設計階段，設計師著重解決飛機整體結構協調和部件的優化問題。合理地確定工藝分離面，保證部件之間的良好的裝配工藝性，提高結構的整體性，是飛機具有良好的可制造性的基礎。對部件的設計，應確保其有良好的結構工藝性。對于這些需求，制造質量知識庫可以提供歷史制造中的結構工藝性實例，給予設計者參考，避免因設計失誤而造成的工藝性差或出現制造瓶頸。此外，在此設計階段，設計者應適當掌握現有車間的加工能力等制造資源約束信息，使得設計結果與制造水平相匹配。

在飛機詳細設計階段，是零部件具體設計參數形成的過程。與初步設計階段類似，結構性能設計主要從零件可裝配性、結構工藝性兩個方面來滿足可制造性的要求。對于設計參數的選擇，則需要充分考慮設備的詳細信息，全面了解設備的加工精度、加工能力、使用狀態等，從而合理地確定公差、配合精度和表面粗糙度等。同時，與工藝設計相結合，對工藝、檢驗、材料加工、人員等制造資源信息的必要了解，也有利于設計者提高設計的質量。

3 支持飛機設計過程的制造質量知識IDEF0模型

飛機設計過程中，各階段之間存在密切的輸入輸出關系。而制造質量知識對設計過程的支持也存在一定的交互和順承。為了更好地描述制造質量知識對設計的支持，采用IDEF0方法建立了飛機設計過程與制造質量知識的供給模型。

圖4所示的IDEF0圖[5]用于表示制造質量知識對設計階段的支持。

其中(A)是飛機設計的三個階段；輸入(I)是各個設計階段的目標和方案計劃，以及上一階段的設計輸出；輸出(O)是該設計階段的設計結果；控制(C)是設計階段要遵循的設計規范、準則、要求、約束等；機制(M)是支持該設計階段的制造質量知識。建立支持飛機設計過程的制造質量知識IDEF0模型，如圖5所示。

圖4 IDEF0圖

在該模型中，根據飛機設計各個階段的需求，將制造質量知識按照層次和粒度進行分類，形成特定的模塊（機制）對各設計階段提供制造支持。各支持模塊之間不是孤立存在的，各個階段同一類型的模塊之間可能存在知識粒度的轉換關系。模型清晰地表達了制造質量知識對飛機設計過程的支持。

4 結論

圖5 支持飛機設計過程的制造質量知識IDEF0模型

為了避免飛機設計與制造相脫節，造成設計的返工和制造資源的浪費，論文研究了制造質量知識對設計的支持。將以往飛機制造中產生的制造質量知識進行處理，有效地反饋給各個設計階段的人員，從而輔助他們在設計的開始就考慮制造問題，提高設計質量。探討了制造對設計的支持原理，提出了知識粒度轉化模型。針對飛機各個設計階段的任務進行了制造質量知識需求分析，最后建立了支持飛機設計過程的制造質量知識IDEF0模型，為以后的深入研究奠定了基礎，具有一定的理論和實踐意義。

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