飞机工艺装备标准体系架构实现路径研究

梁 勇

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

飞机数字化研发环境下，飞机工艺装备（以下简称“工装”）的设计、制造、管理的目标、方式、方法、手段、理念等均发生了变化，工装设计融入到飞机并行协同设计流程中，并实现了数字化产品定义、测量和安装[1]。工装研制也进入了柔性化工装阶段，工装标准化需求也随之改变。工装的设计以数据化、结构化的形式实现统一和共享，不但能积累知识，更能为工装设计制造的快速生产准备和融入飞机设计提供快捷的支撑平台。

本文分析了数字化环境下飞机工装面向功能设计的标准化需求，从而提出未来的工装标准体系——面向功能设计的飞机工装标准体系架构，同时给出了现有工装标准的数字化和结构化、新增标准的结构化和数字化、工装标准的工具和软件化等3种实现途径，为工装标准化研究与实施提供了技术路线图。

1 飞机工装技术发展特点及标准化需求

1.1 工装的技术发展的主导因素和阶段

工装的技术发展的3个主导因素和5个阶段的变化直接影响到工装标准的变革[1]。飞机设计模式的变革、飞机装配方式的变革、自动化技术和信息技术应用等3个主导因素决定了工装标准化发展的目标和方向。机械式工装阶段、半自动化工装阶段、柔性化工装阶段、自动化工装阶段和工装设备化阶段等5个工装研制技术发展阶段决定了工装标准化的内容和范围。工装研制技术发展的3个主要因素和5个阶段并不是互相断开的，在实际生产中，各阶段工装的典型形式可能同时存在并共同使用，各主导因素也相互作用并共同发展。

1.2 面向功能设计的工装标准化需求

伴随着数字化技术在各个工装研发环节的普遍涉入，使工装的研发理念产生了根本的变革。从飞机并行设计视角看，工装已经融入飞机研制阶段，并参与了飞机详细设计过程中的装配仿真等活动，实现其要求的功能，工装标准要给予定义；从工装作为独立的“产品”研发视角，以“功能需求”为牵引完成方案设计、详细设计、仿真、制造、装配、检测、维护等产品全生命周期，工装标准要支撑保障；从工装数字化视角，工装研发需要各类“库”、“工具”、“系统”，工装标准也必须随之数字化。因此，未来的工装标准，一定具备数字化、结构化、工具化等特征，工装标准不再是单一的“文本形式”，而是“数字化形式”，同时标准的目标均是为了实现工装的功能。

工装的研发已经由“注重结构设计”向“面向功能设计”转变。定位、夹持、支撑、调整、成形、检测等功能成为工装设计的主要服务目标和内容。面向功能设计时，更多的是考虑实现各种功能的典型结构、典型零件和典型设计方法的选择和组合，从而要求将原有的经验、数据和实例进行总结、提炼、加工、分类以及模块化、结构化、数字化。工装研发逐渐演变成使用各种标准化的知识和工具，为了满足功能的需求，按照标准化的研发流程，进行各类“功能解决方案”的选择、组合和优化。可以判定，面向功能设计的工装标准将成为未来工装研发的重要支撑和设计资源。

2 面向功能设计的飞机工装标准体系架构

2.1 飞机工装标准体系架构的构建原则和思路

为适应新形势下工装标准化需要，工装标准体系架构应反映工装数字化设计的需求、工装数字化制造的需求、工装数字化管理的需求和工装基础数据库建设的需求。

2.1.1 构建原则

兼顾现有工装标准及其在体系中的位置；

兼顾现阶段数字量传递与模拟量传递混合方式的企业现状；

重点考虑数字量传递方式下的工装标准化需求；

重点考虑柔性化工装设计制造标准需求。

2.1.2 构建思路

建立面向功能设计的工装标准体系，各标准均围绕“保障工装设计快速达到预期功能”的目标；

制定支撑“工装数字化定义”标准，各标准均围绕“结构化、数据化”，以能够直接在工装数字化系统中直接使用；

反映工装“三化”成果，注重“工装典型结构”方面标准的数字化；

反映工装数字化制造组织以及工装数字化管理的需求，能够为工装数字化软件环境定制提供“流程化、模板化”依据，并规范软件开发实施。

2.2 体系架构内容

按照面向功能设计、数字化、结构化的构建思路，面向功能设计的工装标准体系架构分为可识性设计标准、功能设计标准、设计资源标准、制造资源标准和业务流程标准。标准体系架构如图1所示。

2.2.1 可识性设计标准

主要是用于规定各类工装数据、文件、模型、实物的通用技术语言，如标识、代码、表达、格式等。

2.2.2 功能设计标准

主要用于规定工装设计时所需考虑的各种因素、功能对象的设计要求、准则，如设计依据、设计方法、功能特性、技术指标等。

2.2.3 设计资源标准

主要用于规定工装设计所需各类支撑数据的“数字化”要求，并以“数据库”形式发布，如尺寸规格、模型实例等。

2.2.4 制造资源标准

主要用于规定工装制造使用过程中所需各类支撑数据的“数字化”要求，并以“数据库”形式发布，如模板（含填写要求）、操作实例等。

图1 面向功能设计的工装标准体系架构

2.2.5 业务流程标准

主要用于规定数字化环境下，设计、制造、试验、管理等各类研发活动的工作程序，并以“软件功能”形式发布，如流程环节、流程控制等要求。

2.3 标准项目特征

为了适应未来工装数字化设计制造和管理的需要，工装设计的主要目的是实现其预定的功能，而不再是单单局限于“结构形式”。同时，“预定的功能”是在飞机数字化设计过程中通过“仿真”等活动提出、计算、模拟并最终确定的。因此，面向功能设计的工装标准的具体内容要具备以下特征：

服务于功能设计；

可数字化、结构化；

颗粒度细化到最小单元，以便重复利用；标准的载体形式多样。

2.4 标准项目示例

基于上述分析，面向功能设计的工装标准多数以数据库、工具等载体形式发布，标准项目应依据设计需求动态增补、扩充、修改。对于“数据库”形式标准其录入的每一条“数据”均是一项“标准”，对于“工具”形式标准其每个“功能”均是一项“标准”。因此要严控“标准”的发布程序，即按标准制定程序完成提出、征求意见、评审等环节之外，还要进行演示验证和测试验证。

标准项目示例见表1。

3 飞机工装标准体系架构实现路径

工装标准的“载体形式”变化以及标准化对象的变化，工装标准体系架构的实现路径也要改变以“标准编制”为主的模式。面向功能设计的工装标准体系架构应从3个途径实现：现有工装标准的数字化和结构化、新增标准的结构化和数字化、工装标准的工具和软件化。

3.1 现有工装标准的数字化和结构化

从目前航空行业工装标准存量分析，主要的工装标准集中在通用工装零件尺寸规格标准、工装管理标准。对于不同类型的标准，其数字化和结构化工作内容也不同。

3.1.1 通用工装零件尺寸规格标准

通用工装零件主要是指刀具、量具、夹具、模具、工具等。其数字化和结构化工作主要分为两类：第一，完成通用工装零件验收规范的整理，即明确各类通用工装的技术条件、验收准则和方法，可按照功能和结构不同进行细化类型，如中型孔系支撑件规范；第二，完成各类零件的尺寸规格建模，并形成模型库，并补充供应商、主要技术条件、库存数量等信息。

3.1.2 工装管理标准

工装管理标准要按照其内容和对象，分为两种情况：第一，涉及到职责、流程的，按照业务流程标准的结构，梳理环节，明确各环节工作内容和交付物，各环节职责分工，并在数字化管理系统（如PDM、CAPP）中进行角色定制和环节定制；第二，涉及到标识、标记、版本等表征标准化对象可识性信息的，按照可识性标准的要素编排结构，明确各类可识性信息的表达、结构和格式。

表1 面向功能设计的工装标准项目示例

3.1.3 其他设计要求类标准

按照功能设计标准的划分，将其设计要素进行拆分，细化至“可重复使用”的单元，并进行描述。

3.2 新增工装标准的数字化和结构化

随着工装数字化研发的不断工作，将会积累越来越多的实例、数据和文档。未来新增工装标准主要从这些对象中提出、确定、发布和使用。

3.2.1 典型工装结构的标准化

从不同功能的工装模型实例中提取共性要素，形成典型结构库、通用零件模型库、标准件库等具体数据。

3.2.2 典型文档模板的标准化

从各类文档、设计报告、试验报告、程序文件、记录文件中提出共性模板，形成“模板库”并辅助以填写说明。

3.2.3 新功能的设计要求标准化

对于不同飞机提出的新的“预定的功能”，在功能设计各要素、可识性各要素中，增补新的技术要求。

3.3 工装标准的工具化和软件化

标准中的数据、流程、模型要直接用于数字化设计，必须要有软件和工具支撑。因此，工装标准的工具和软件化将成为工装标准化工作的重要内容。

3.3.1 按标准定制工具和软件

依据标准的技术要求，设置工具或软件的环境，并定期维护和检查，进而成为“标准化审查”的主要工作内容。

3.3.2 按工具和软件进行标准化审查

对设计活动中使用“数据库”型式标准的情况进行统计分析，以改进标准。

4 结论与建议

标准的数字化、结构化、工具化是标准应用于数字化研发环境的必然趋势。工装设计不局限于结构形式而直接面向功能也是当前的发展趋势。工装技术与标准化技术在数字化技术的融入下，结合在一起快速发展。一方面，利用数字化为工装设计提供更加快捷的标准资源；另一方面，利用标准化为工装设计提供准确、可用的丰富的知识资源。随之带来是工装标准化工作内容和模式的变革。

4.1 结论

工装标准体系面向未来技术发展，要彻底变革，工装的可识性、功能性设计要求成为其基本部分，工装设计资源和制造资源标准的“数据库”型式将成为其核心部分，工装研发业务流程标准将成为其与软件工具融合的切入点。

工装标准的数字化和结构化将成为未来工装标准化工作的主要内容，而对于工具和软件的标准符合性检查将成为今后标准化审查的重点和工作途径。

工装研发技术人员将成为工装标准化各项任务主要参与者、执行者和监督者，工装标准化专职人员将逐步成为工装设计知识的维护者和管理者。

4.2 建议

对工装研发流程进行梳理，以功能设计为核心目标，以利用资源为辅助要求，以数字化工具和软件为对象，改变工装研发人员的工作模式。

对现有工装标准进行数字化和结构化改造，积极研发是适应于未来工装数字化研发所需的各类标准。

联合各飞机制造企业工装研发部门，资源共享，共同规划和研发面向功能设计的工装标准体系和项目。

[1] 范玉青，梅中义，陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京：航空工业出版社，2000.

[2] 梁勇，周丹，皮付见.民机研制中工艺装备技术发展及其标准化[J].航空标准化与质量，2008.4.