支持飞机设计过程的制造质量知识模型研究

孙怡晓，王润孝，同淑荣，杨云涛

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

（1. 西北工业大学 机电学院，西安 710072；2. 西北工业大学 管理学院，西安 710072）

0 引言

我国飞机研制企业总体上仍采用传统的串行封闭式设计与制造模式[1]，设计人员往往对制造的工艺性和生产制造能力缺乏足够的认识，容易片面追求过高的技术要求，造成设计与制造相脱节，降低飞机设计的质量。

在以往的研究中，制造质量知识在多被用作质量控制和辅助工艺设计[2]，很少向更高层次的设计阶段反馈。实际上，这些知识包含的价值远不止此，它们经过分析和处理，可以向更高一层的设计阶段反馈，从而来辅助产品设计的全过程，避免设计初期与制造的脱节，提高设计质量。

本文从飞机设计和制造过程开展研究，探讨制造质量知识对飞机设计过程支持的原理，分析设计过程对制造质量知识的需求，建立支持飞机设计过程的制造质量知识模型。为飞机设计与制造的融合打下理论基础。

1 制造质量知识对产品设计的支持

1.1 制造质量知识及其对产品设计的支持原理

在制造过程中产生的与制造质量相关的或与能够对产品制造质量产生影响的有用知识的集合，统称为制造质量知识。制造在将设计转化成产品的同时，产生了大量的制造质量知识。从存在的形式上来分，制造质量知识可分为显性知识和隐形知识。其中，显性制造质量知识是指以实体存在的知识，它包括制造过程相关知识，例如工艺参数、检验数据、加工方法等，也包括设备、人员、材料等制造资源知识，还有与制造环境相关的质量知识。隐性制造质量知识则是指存在于工艺人员和制造人员的脑海中的经验、诀窍等。

图1 制造质量知识对设计过程的支持原理图

图2 制造质量知识粒度转化与“金字塔”层次模型

图1描述了制造质量知识对设计过程的支持原理。设计活动包括概念设计、初步设计、详细设计三个阶段。在制造阶段中产生的大量数据、参数、图表等信息，经过筛选、分类、整理和数据处理，形成制造质量知识。建立制造质量知识库，存储制造过程知识、制造资源知识、制造环境知识、制造经验等其它制造质量知识。这些制造质量知识将依照设计者的需求，可以直接或通过必要的处理过程间接地反馈给个阶段的设计者，从而向各个设计阶段提供制造支持。

1.2 制造质量知识粒度的转化

为满足不同设计阶段对制造质量知识不同层次的需求，将引入制造质量知识粒度的概念，来表示对原始制造质量知识加工处理的程度。直接从制造一线采集的原始制造质量知识，称为粗糙知识。经过知识提取和处理过的知识，称为精细知识。如图2(a)所示，结合设计对制造的需求，对采集的原始参数、图表、数据等信息，采用归纳、统计分析、图表处理、模糊算法、遗传算法、神经网络等方法，进行知识的抽取和提炼，实现制造质量知识粒度的逐步“细化”。知识经过“加工处理”的过程越复杂，知识的精细程度越高。

由于制造质量知识细化的程度面向设计的各个阶段的需求，经过处理的制造质量知识根据所支持的设计阶段而不同而呈现出不同的粒度。相同知识粒度的制造质量知识集合起来，使得知识库中的知识展现出不同的层次，如图2(b)所示的“金字塔”模型。随着设计阶段的层次提前，所需的制造质量知识处理程度越高，处理过程越复杂，粒度越细；越接近制造阶段，所需制造质量知识相对来说比较粗放，处理过程比较简单。

制造质量知识对设计阶段支持的层次性，使得制造质量知识对各阶段知识支持的更有针对性，提高了制造质量知识的质量和效率，有利于产品设计者快速准确得查询到所需的制造质量知识。

2 飞机设计过程的制造质量知识需求分析

2.1 飞机的设计过程

飞机设计过程主要包括概念设计、初步设计和详细设计[3]，各个设计阶段的主要任务如图3所示。

飞机概念设计阶段，设计人员主要解决飞机的构形布局、参数、重量以及性能方面的问题。并考虑关键技术的风险和新材料、新技术、新工艺等应用计划等；飞机初步设计阶段，逐步建立全机三维模型，进行结构间的协调和关键技术攻关。各部件的设计师开始进行部件结构的打样设计。初步设计的最终目的是为详细设计，即所谓全尺寸研制做好准备；飞机详细设计阶段，各部件将分解成零构件，如机翼就被分解成各个翼肋、翼梁和蒙皮，然后分别进行设计和分析。详细设计的后期，工艺部门将介入进行工艺设计。

2.2 飞机设计各阶段对制造质量知识的需求

设计对制造质量知识的需求的目的主要是提高设计产品的可制造性。其中，设计产品的工艺性水平、制造资源的约束、制造技术水平限制是影响产品可制造性的重要影响因素。 设计者若能充分考虑这些方面的制造质量知识，则能保证产品设计的质量目标在制造过程中顺利实现，达到设计与制造目标的一致，从而提高了设计质量。

图3 飞机设计各阶段的主要任务

在飞机概念设计阶段，对结构布局设计时，往往需要考虑结构的继承性[4]，这也是结构工艺性重要方面之一。而飞机结构的继承性又依赖于已有的制造质量知识，利用现有的工艺文件、工艺装备和成熟的生产经验可以对设计提供有效的制造支持。缩短了生产准备和制造周期、降低了生产成本；设计人员对于新材料、新结构和新制造技术的采用比较慎重。要以充分的预研和工艺试验为基础，应先局部试用于已成批生产的飞机，在制造中反复检验，基于大量的制造试验数据作出分析，规避风险，再逐步稳妥地扩大应用范围。

在飞机初步设计阶段，设计师着重解决飞机整体结构协调和部件的优化问题。合理地确定工艺分离面，保证部件之间的良好的装配工艺性，提高结构的整体性，是飞机具有良好的可制造性的基础。对部件的设计，应确保其有良好的结构工艺性。对于这些需求，制造质量知识库可以提供历史制造中的结构工艺性实例，给予设计者参考，避免因设计失误而造成的工艺性差或出现制造瓶颈。此外，在此设计阶段，设计者应适当掌握现有车间的加工能力等制造资源约束信息，使得设计结果与制造水平相匹配。

在飞机详细设计阶段，是零部件具体设计参数形成的过程。与初步设计阶段类似，结构性能设计主要从零件可装配性、结构工艺性两个方面来满足可制造性的要求。对于设计参数的选择，则需要充分考虑设备的详细信息，全面了解设备的加工精度、加工能力、使用状态等，从而合理地确定公差、配合精度和表面粗糙度等。同时，与工艺设计相结合，对工艺、检验、材料加工、人员等制造资源信息的必要了解，也有利于设计者提高设计的质量。

3 支持飞机设计过程的制造质量知识IDEF0模型

飞机设计过程中，各阶段之间存在密切的输入输出关系。而制造质量知识对设计过程的支持也存在一定的交互和顺承。为了更好地描述制造质量知识对设计的支持，采用IDEF0方法建立了飞机设计过程与制造质量知识的供给模型。

图4所示的IDEF0图[5]用于表示制造质量知识对设计阶段的支持。

其中(A)是飞机设计的三个阶段；输入(I)是各个设计阶段的目标和方案计划，以及上一阶段的设计输出；输出(O)是该设计阶段的设计结果；控制(C)是设计阶段要遵循的设计规范、准则、要求、约束等；机制(M)是支持该设计阶段的制造质量知识。建立支持飞机设计过程的制造质量知识IDEF0模型，如图5所示。

图4 IDEF0图

在该模型中，根据飞机设计各个阶段的需求，将制造质量知识按照层次和粒度进行分类，形成特定的模块（机制）对各设计阶段提供制造支持。各支持模块之间不是孤立存在的，各个阶段同一类型的模块之间可能存在知识粒度的转换关系。模型清晰地表达了制造质量知识对飞机设计过程的支持。

4 结论

图5 支持飞机设计过程的制造质量知识IDEF0模型

为了避免飞机设计与制造相脱节，造成设计的返工和制造资源的浪费，论文研究了制造质量知识对设计的支持。将以往飞机制造中产生的制造质量知识进行处理，有效地反馈给各个设计阶段的人员，从而辅助他们在设计的开始就考虑制造问题，提高设计质量。探讨了制造对设计的支持原理，提出了知识粒度转化模型。针对飞机各个设计阶段的任务进行了制造质量知识需求分析，最后建立了支持飞机设计过程的制造质量知识IDEF0模型，为以后的深入研究奠定了基础，具有一定的理论和实践意义。

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