重型模鍛液壓機(jī)、熱模鍛液壓機(jī)、等靜壓設(shè)備等航空重型裝備，承受巨大的載荷，噸位大，零件尺寸巨大，所需材料性能好，設(shè)計(jì)制造的難度高，且多在高溫高壓下工作，危險(xiǎn)指數(shù)高，因此對(duì)疲勞壽命、安全可靠性的要求很高。裝備生產(chǎn)以多品種、小批量為主，需要縮短企業(yè)新產(chǎn)品研制周期，提高生產(chǎn)效率。實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度壓制、減小設(shè)備體積、減輕重量并且控制制造難度和成本，多采用大噸位超高壓預(yù)應(yīng)力缸體以及高強(qiáng)度、高可靠性、高疲勞壽命的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞承載機(jī)架。該結(jié)構(gòu)技術(shù)含量高，需要對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行可靠性、熱力學(xué)、應(yīng)力應(yīng)變分析，高溫高壓下蠕變和疲勞壽命分析，對(duì)裝備進(jìn)行虛擬試驗(yàn)和制造，實(shí)現(xiàn)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)。
為了縮短企業(yè)新產(chǎn)品研制周期、提高生產(chǎn)效率，需要引進(jìn)基于知識(shí)的重型裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息管理和信息集成，消除“信息孤島”，提高知識(shí)的繼承、重用和共享性。把這些信息技術(shù)裝備到企業(yè)，有效開(kāi)發(fā)信息資源，都離不開(kāi)企業(yè)信息化。因此，面向航空重型裝備制造企業(yè)的信息化建設(shè)具有極其重要的意義。
近幾年，不少學(xué)者在信息化制造、智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化制造等方面進(jìn)行了研究和探討，同時(shí)清華大學(xué)在信息驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化制造、企業(yè)信息化整體解決方案阻-q等方面有了相應(yīng)的研究。然而目前信息化建設(shè)的技術(shù)理論體系尚未形成，信息化總體規(guī)劃與實(shí)施還存在探索階段。尚未出現(xiàn)面向航空重型裝備制造企業(yè)的信息化規(guī)劃與實(shí)施方面的研究。
課題根據(jù)航空特種重型裝備設(shè)計(jì)和制造特征以及特種企業(yè)的管理、生產(chǎn)、制造模式，對(duì)其信息化現(xiàn)狀、需求進(jìn)行系統(tǒng)的研究分析，制定了適合企業(yè)的信息化總體解決方案和實(shí)施策略，旨在探求面向航空裝備企業(yè)的信息化規(guī)劃和實(shí)施策略，以解決企業(yè)難題、降低成本、提高重型設(shè)備設(shè)計(jì)制造水平，滿足航空產(chǎn)品制造業(yè)的需求。
1 重型裝備制造的信息化建設(shè)需求分析
通過(guò)對(duì)航空重型裝備類企業(yè)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)企業(yè)已具有基本的CAD／CAM／CAPP技術(shù)，而CAE和PDM技術(shù)空白。即使具有CAE和PDM技術(shù)的企業(yè)，只是停留在傳統(tǒng)的技術(shù)層面上，對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)和信息技術(shù)的應(yīng)用水平低，各系統(tǒng)相互獨(dú)立，功能不完善，不能滿足航空重型裝備制造的需求。信息化水平歸納如下：
(1)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和上市的總周期長(zhǎng)；(2)由于缺乏設(shè)計(jì)的科學(xué)分析工具，設(shè)計(jì)一次成功的把握性降低；(3)難以實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)，市場(chǎng)應(yīng)變力差；(4)專家的知識(shí)獲取、表示與繼承程度低。(5)缺乏協(xié)同開(kāi)發(fā)模式，存在“信息孤島”；(6)缺乏資料和知識(shí)有效的歸納和整理，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的重用和共享性差。
因此在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，該類企業(yè)的制造理念、數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、企業(yè)信息管理等方面都有待于提高和改進(jìn)，迫切需要規(guī)劃實(shí)施信息化建設(shè)，縮短產(chǎn)品的全生命周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)向數(shù)字化、并行化、智能化、集成化發(fā)展。需要實(shí)現(xiàn)以CE／AM／CIMS為楊D制造理埝、以CAD／CAM／CAPP／CAE／PDM／ES(Expert system)為主體數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，建設(shè)企業(yè)信息化。
2 重型裝備制造企業(yè)的信息化建設(shè)規(guī)劃
航空重型裝備設(shè)計(jì)制造的高標(biāo)準(zhǔn)要求企業(yè)信息化建設(shè)系統(tǒng)的多功能。信息化建設(shè)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)制造過(guò)程起到指導(dǎo)作用，需要實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)的專家智能輔助設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、虛擬仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)，故障分析等功能。同時(shí)還需要在已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立與重型裝備研制相適應(yīng)的4CP集成系統(tǒng)，消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)協(xié)同開(kāi)發(fā)模式，提高知識(shí)和數(shù)據(jù)共享性，建立面向航空重型裝備制造企業(yè)的信息化體系。
2.1 航空重型裝備設(shè)計(jì)制造專家系統(tǒng)
在重型裝備設(shè)計(jì)中，工作壓力、高度、溫度等環(huán)境參數(shù)不同，設(shè)備零部件結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)也會(huì)隨之變化。對(duì)裝備的重量、價(jià)格、綜合性能等目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)理論、有限元分析驗(yàn)證，構(gòu)建重型裝備的設(shè)計(jì)與制造專家系統(tǒng)。同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與常見(jiàn)故障，建立航空重型裝備故障分析專家系統(tǒng)，基于裝備的特種成形技術(shù)工藝專家系統(tǒng)。
2.2 重型裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造開(kāi)發(fā)系統(tǒng)
數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)包括：裝備零部件三維實(shí)體造型，二維工程圖，裝備整機(jī)虛擬裝配圖，NC代碼生成；重型裝備關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、安全可靠有限元分析；溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的仿真，快速冷卻仿真；高溫高壓下典型預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)力學(xué)仿真、鋼絲蠕變和疲勞壽命分析；裝備的電子樣機(jī)設(shè)計(jì)。
2.3 重型裝備產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)
重型裝備產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理是實(shí)施數(shù)字化制造技術(shù)的重要環(huán)境，是其工程管理得數(shù)字化，以縮短產(chǎn)品研制時(shí)間、降低企業(yè)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量為總體目標(biāo)。完成對(duì)重型裝備企業(yè)的項(xiàng)目管理、文檔管理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、工作流程管理、用戶權(quán)限管理等。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)重組，審批流程和工程申請(qǐng)，更改流程優(yōu)化管理，實(shí)現(xiàn)圖文檔的電子簽審、工程請(qǐng)求，變更流程的自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)研發(fā)過(guò)程管理的可視化，加強(qiáng)知識(shí)管理。
2.4 特種裝備技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)／知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)
在安全整體保密的情況下，建立加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù)／知識(shí)庫(kù)、裝備設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)／知識(shí)庫(kù)。
2.5 與重型裝備研制相適應(yīng)的4CP集成系統(tǒng)
建立集設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、試驗(yàn)及管理為一體的IT系統(tǒng)集成(CAD、CAM、CAPP、CAE與PDM系統(tǒng)集成)，協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的工作，并通過(guò)PDM系統(tǒng)對(duì)4C系統(tǒng)產(chǎn)生的電子數(shù)據(jù)進(jìn)行安全有效的全面管理。
2.6 企業(yè)信息化管理
建立企業(yè)MRPⅡ／MIS／ERP／OA的制造信息支持系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃、科研生產(chǎn)任務(wù)和信息化技術(shù)的發(fā)展需要對(duì)企業(yè)的業(yè)務(wù)流程進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到信息化建設(shè)與業(yè)務(wù)流程優(yōu)化的同步與協(xié)調(diào)，引入并行工程(CE)概念，鞏固并深化項(xiàng)目成果。面向航空重型裝備制造業(yè)的信息化體系流程，如圖1所示。
圖1 航空重型裝備信息化體系流程圖
3 重型裝備制造企業(yè)的信息化平臺(tái)建設(shè)
結(jié)合航空某企業(yè)裝備制造的信息化建設(shè)應(yīng)用案例，總結(jié)面向航空重型裝備信息化實(shí)施策略和關(guān)鍵技術(shù)如下，面向航空特種重型裝備制造的企業(yè)信息化開(kāi)發(fā)集成體系，如圖2所示。
圖2 航空重型裝備開(kāi)發(fā)體系集成框架圖
3.1 航空裝備企業(yè)信息化實(shí)施軟件配置
航空裝備企業(yè)建立相應(yīng)的信息化系統(tǒng)和應(yīng)用集成平臺(tái)，需實(shí)現(xiàn)CAD／CAM／CAE／CAPP／PDM／ES集成。CAD應(yīng)采用大型結(jié)構(gòu)三維實(shí)體建模軟件，如Catia，Ug，Pro／E等，而CAE軟件采用受力分析、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、熱力場(chǎng)及熱力耦合等工藝方面功能強(qiáng)大，二次開(kāi)發(fā)性能好的軟件，如Msc．Marc，MSC．Patran，MSC．Nastran等。CAPP可以選用金葉CAPPFRAMEWORK，PDM可采用SmarTeam、Caxa V5、TeamCenter等軟件配置。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)選用中大規(guī)模關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，如SQL server，Oracle等。
3.2 4CP集成系統(tǒng)模式及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境
PDM系統(tǒng)是信息化系統(tǒng)的支撐平臺(tái)，支持多人、多種軟件、多種硬件平臺(tái)的操作，其運(yùn)行實(shí)施的良好性直接影響到4CP集成系統(tǒng)。這也決定了它的運(yùn)行環(huán)境較復(fù)雜，需要以分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)為支撐，需要配備高性能的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、電子倉(cāng)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和PC客戶端；數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(Oracle Server)、PDM(SmarTeam)服務(wù)器分別安裝PDM Server，每臺(tái)用戶端PC機(jī)上安裝和運(yùn)PDM Client；建立采用客戶／服務(wù)器模式(C／S結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))等系統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)PDM與應(yīng)用系統(tǒng)CAX集成的良好運(yùn)行。
該集成的運(yùn)行環(huán)境包括：操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、PDM管理系統(tǒng)、應(yīng)用工具軟件等。構(gòu)建應(yīng)用平臺(tái)為：
(1)建立網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。將參與PDM運(yùn)行的所有計(jì)算機(jī)通過(guò)總線型局域網(wǎng)連成一個(gè)整體，需要網(wǎng)卡、集線器和網(wǎng)絡(luò)線等網(wǎng)絡(luò)配件以及網(wǎng)絡(luò)軟件。
(2)建立以操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為支撐的底層。
(3)建立以Web服務(wù)，應(yīng)用服務(wù)為核心的服務(wù)層。
(4)建立以PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，CAPP工藝設(shè)計(jì)平臺(tái)和CAD／CAM／CAE／ES數(shù)字化設(shè)計(jì)的應(yīng)用組件層。
4 結(jié) 論
(1)面向航空特種重型裝備制造企業(yè)，提出了詳盡的信息化建設(shè)總體規(guī)劃體系。各功能模塊包括：航空重型裝備設(shè)計(jì)制造專家系統(tǒng)、重型裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、重型裝備產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)、特種裝備技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)、與重型裝備研制相適應(yīng)的4CP集成系統(tǒng)、企業(yè)信息化管理等。
(2)針對(duì)特種企業(yè)，探討了信息化實(shí)施策略及關(guān)鍵技術(shù)，提出了信息化實(shí)施集成框架、信息化實(shí)施軟件解決方案，建立了4CP／ES(CAD／CAM／CAPP／CAD，PDM／ES)集成系統(tǒng)模式及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
(3)結(jié)合典型企業(yè)實(shí)施，該信息化解決方案和實(shí)施策略立足航空重型裝備企業(yè)需求，可有效改善了結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度和抗疲勞性能，提高設(shè)備使用壽命、減小設(shè)備體積和重量、降低加工制造的難度和成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。對(duì)航空特種重型裝備制造企業(yè)的信息化實(shí)施和相關(guān)工作具有一定的指導(dǎo)意義。
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