1 概述
先進(jìn)復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高，性能可設(shè)計，抗疲勞，耐腐蝕性能好和易于整體成形等諸多優(yōu)點，將其用于航空航天結(jié)構(gòu)上，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重25%～30%，并可明顯改善其氣動彈性特性，提高飛行性能，這是其它材料無法或難以達(dá)到的。隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，各種各樣的軟件和數(shù)控設(shè)備相繼出現(xiàn)，使復(fù)合材料構(gòu)件研制過程以數(shù)字量傳遞成為可能，為復(fù)合材料構(gòu)件實現(xiàn)數(shù)字化制造創(chuàng)造了良好的條件。另一方面，在國內(nèi)飛機(jī)制造業(yè)中，復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計制造大多仍沿用傳統(tǒng)的模擬量尺寸傳遞體系，數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)雖得到了實際應(yīng)用，并取得了一定的效益，但基本處于孤立的狀態(tài)，尚未實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件從設(shè)計，工藝，工裝，制造到檢測整個過程中的信息共享，沒有打通整個數(shù)字化設(shè)計制造環(huán)節(jié)，致使現(xiàn)有的數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。美國波音公司在波音777型飛機(jī)型號研制中采用數(shù)字化技術(shù)，使研制周期縮短50%，出錯返工率減少75%，成本降低25%，已經(jīng)成為數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)在飛機(jī)研制中應(yīng)用的標(biāo)志和里程碑。在波音787飛機(jī)項目中采用FiberSIM軟件進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，并將設(shè)計數(shù)據(jù)向全球的合作伙伴進(jìn)行發(fā)放，保證了復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)據(jù)的唯一性和準(zhǔn)確性。飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線技術(shù)，重在將復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計制造技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計與制造各環(huán)節(jié)數(shù)字化，各環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)流暢通和復(fù)合材料構(gòu)件在并行工作模式下的設(shè)計，工藝，制造，檢測，裝配全過程的集成。
2 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線總方案
飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線總方案如圖1所示。
圖1 飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線總方案
本工程以計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和并行工作模式為基礎(chǔ)，在企業(yè)工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)支撐下，由兩個大的環(huán)節(jié)構(gòu)成——數(shù)字化設(shè)計中心和數(shù)字化制造中心。其中數(shù)字化設(shè)計中心主要完成復(fù)合材料構(gòu)件的相關(guān)設(shè)計任務(wù)，包括構(gòu)件的數(shù)字化定義，鋪層設(shè)計與排樣，鋪放與纏繞軌跡設(shè)計，CAE分析與仿真，工裝設(shè)計，工藝設(shè)計與制造過程仿真等，數(shù)字化制造中心主要完成毛料剪裁(預(yù)浸料和蜂窩)，激光鋪層定位，自動鋪放，自動鋪絲與纏繞，固化成型，切邊鉆孔，部件裝配，質(zhì)量檢測等制造任務(wù)。
從圖1中可以看出，構(gòu)建復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線，除實現(xiàn)兩大環(huán)節(jié)的數(shù)字化外，還必須保證各環(huán)節(jié)之間數(shù)據(jù)流暢通�；跀�(shù)字化生產(chǎn)線總方案，圍繞復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計，數(shù)字化工藝設(shè)計，數(shù)字化工裝設(shè)計，數(shù)字化制造，數(shù)字化檢測，并行工作管理，工作流程管理和質(zhì)量控制等開展研究，并將精益制造理論和思想融合到整個生產(chǎn)體系中。
3 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線技術(shù)研究
3.1 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線體系
飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線體系研究主要圍繞復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計，數(shù)字化工藝設(shè)計，數(shù)字化工裝設(shè)計，數(shù)字化制造，數(shù)字化檢測，并行工作管理，工作流程管理，質(zhì)量控制等開展，并將精益制造理論和思想融合到整個生產(chǎn)體系中。
(1)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線構(gòu)成
復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)線平面布置圖如圖2所示：
圖2 復(fù)合材料生產(chǎn)線平面布置圖
從圖2中我們可以看到：復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)線由9個區(qū)域組成，即材料存儲區(qū)，預(yù)浸料下料區(qū)，蜂窩下料區(qū)，鋪層區(qū)，固化區(qū)，復(fù)材機(jī)加區(qū)，復(fù)材檢測區(qū)，復(fù)材部件裝配區(qū)，噴漆區(qū)�？偯娣e達(dá)5萬余平方米，在亞洲是最大的。在企業(yè)近年的技術(shù)改造項目實施后每個區(qū)域都可實現(xiàn)數(shù)字化。
(2)復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)線流程
復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線典型流程如圖3所示：
圖3 數(shù)字化生產(chǎn)線典型流程
3.2 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計技術(shù)
復(fù)合材料構(gòu)件的最顯著工藝特點是在完成材料制造的同時完成產(chǎn)品的制造。因此，復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)字化定義與其它材料零件的定義方法有明顯的區(qū)別，其數(shù)據(jù)不僅包含構(gòu)件的幾何信息，鋪層信息，還要包含相關(guān)的材料制造信息等非幾何數(shù)據(jù)。
3.2.1 FiberSIM解決方案
FiberSIM可以完全集成于用戶已有的CAD系統(tǒng)中，使CAD系統(tǒng)成為高性能的設(shè)計/制造復(fù)合材料構(gòu)件的軟件工具。該軟件可以提供專業(yè)的工程設(shè)計環(huán)境，高效地處理復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性問題，能夠捕捉CAD系統(tǒng)中復(fù)合材料構(gòu)件的完整定義，管理復(fù)合材料數(shù)據(jù)，在項目內(nèi)部共享復(fù)合材料構(gòu)件的定義。FiberSIM復(fù)合材料工程設(shè)計環(huán)境見圖4。
圖4 FiberSIM復(fù)合材料工程設(shè)計環(huán)境
FiberSIM軟件獨有的鋪層仿真技術(shù)，能夠預(yù)測復(fù)合材料如何與復(fù)雜的表面貼合，支持整個復(fù)合材料的工程過程，該軟件使工程師同時在構(gòu)件幾何，材料，結(jié)構(gòu)要求以及工藝過程約束之間進(jìn)行權(quán)衡，使用FiberSIM軟件，工程師能快速可視化鋪層形狀和纖維方向，在設(shè)計階段即發(fā)現(xiàn)制造問題，并采取相應(yīng)的糾正措施，實現(xiàn)DFM從初步設(shè)計，詳細(xì)設(shè)計直至制造車間，設(shè)計師借助該軟件很容易創(chuàng)建和轉(zhuǎn)換設(shè)計，工程圖以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，并使零件數(shù)據(jù)在FiberSIM軟件，設(shè)計，制造以及商業(yè)應(yīng)用之間進(jìn)行交換和傳遞。
FiberSIM可選模塊有：分析接口模塊，文檔生成模塊，平面圖樣輸出模塊，激光投影模塊，纖維鋪放接口等，以構(gòu)件定義信息為源頭，向強(qiáng)度分析，工藝設(shè)計，工裝設(shè)計，制造過程仿真和相應(yīng)的制造設(shè)備傳遞復(fù)合材料構(gòu)件的幾何信息，材料信息，鋪層信息等。
3.2.2 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化定義
在設(shè)計階段的產(chǎn)品定義過程中是以工程數(shù)據(jù)集為核心來組織數(shù)據(jù)，是支持產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計，制造全過程的基礎(chǔ)，是制造，檢驗的重要依據(jù)。一個數(shù)據(jù)集是包含產(chǎn)品的幾何信息，繪圖數(shù)據(jù)以及相關(guān)信息的一個或幾個CAD模型，一般同時存在三維模型和二維模型，二者分別在三維空間工作模式和二維繪圖工作模式中建立，但它們不是完全獨立的，二者之間存在著關(guān)聯(lián)關(guān)系，二維視圖中的元素由空間的實體或曲面引出，對原空間實體或曲面的任何修改都會自動反映在二維視圖上。
(1)復(fù)合材料構(gòu)件的三維模型定義
由于其定義方法的特殊性和復(fù)雜性，復(fù)合材料構(gòu)件的最終形狀是由許多鋪放在模具表面的鋪層固化形成的，每個零件的不同區(qū)域厚度會有所不同，而且是逐步變化的。座艙罩頂棚鋪層定義如圖5所示，通過從設(shè)定的鋪層信息直接生成鋪層表面和三維實體，這些表面可用于制造數(shù)字實物模型，生成零件鋪疊表面，產(chǎn)生配套工裝的內(nèi)表面和中間鋪層表面等。座艙罩頂棚實體模型如圖6所示，三維實體用于定義構(gòu)件的形狀以及定位特征(如成形面的參考曲面，零件模型的定位點等幾何信息)，以便在重量和重心分析，數(shù)字化預(yù)裝配，工裝設(shè)計，運動部件的模擬運動分析等過程中應(yīng)用。因此，復(fù)合材料構(gòu)件三維實體建模的核心問題是表現(xiàn)材料制造信息的鋪層設(shè)計。鋪層設(shè)計中有兩個重用的概念：鋪層和鋪層集，并且鋪層集和鋪層都有編號。
圖5 座艙罩頂棚鋪層定義
圖6 座艙罩頂棚鋪實體模型
(2)復(fù)合材料構(gòu)件的二維模型定義
在數(shù)據(jù)集中，三維模型是最主要的數(shù)據(jù)，但二維圖紙模型也是必不可少的，一般由三維模型生成。在模型的二維視圖中，需要完整的定義出復(fù)合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式和幾何外形尺寸等信息，在目前生產(chǎn)實際中，二維圖紙仍然是進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件制造加工，檢驗，質(zhì)量保證的重要依據(jù)，也是供應(yīng)商評估和投標(biāo)的重要依據(jù)。在復(fù)合材料構(gòu)件的二維圖紙上，需要有剖面示意圖，鋪層圖，鋪層標(biāo)注，鋪設(shè)取向標(biāo)注以及鋪層表等內(nèi)容，鋪層表用來對照零件的鋪層，材料，取向等信息，如圖7所示。
圖7 復(fù)合材料構(gòu)件二維圖紙及鋪層表的放大圖
3.2.3 復(fù)合材料構(gòu)件工藝設(shè)計
基于CAPPFrameWork和ORACLE，結(jié)合企業(yè)復(fù)合材料工藝設(shè)計及管理的特點，開發(fā)了具有企業(yè)特點的復(fù)合材料構(gòu)件快速工藝設(shè)計系統(tǒng)。系統(tǒng)主要功能模塊包括：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理，工作任務(wù)分配，工藝設(shè)計審批，工藝知識管理，材料定額信息管理，工藝文檔管理，用戶角色管理，系統(tǒng)配置工具等。
3.2.4 復(fù)合材料構(gòu)件工裝快速設(shè)計
工裝的數(shù)字化設(shè)計是實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，主要內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)件庫，典型工裝結(jié)構(gòu)庫的建立，快速裝配技術(shù)研究和復(fù)合材料工裝快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)等。在項目實施中，利用CATIA的建模功能建立組成組件的子零件，然后裝配生成組件，組件為Product形式。這種解決方案可在CATIA交互環(huán)境下運行，使用標(biāo)準(zhǔn)件庫時，提供三維預(yù)覽窗口，并且預(yù)覽模型能示意各主要參數(shù)，從而可以直觀地了解各參數(shù)的意義，進(jìn)而可以脫離手冊的限制，能夠在CATIA當(dāng)前裝配模型內(nèi)生成所選組件的實體模型。基于CATIA二次開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)件批裝配模塊，實現(xiàn)了基于裝配特征的標(biāo)準(zhǔn)件的自動裝配。圖8所示為組件預(yù)覽界面。
圖8 組件預(yù)覽界面
圖9 下料數(shù)據(jù)
3.3 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造技術(shù)
復(fù)合材料構(gòu)件的數(shù)字化制造技術(shù)主要是結(jié)合我公司的軟硬件的實際情況，包括復(fù)合材料自動下料，激光投影等各方面技術(shù)。
3.3.1 預(yù)浸料數(shù)控下料
復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)過程中，預(yù)浸料下料是一個費時，費力，繁瑣的工序，我公司采用專門的數(shù)控切割設(shè)備-自動剪裁機(jī)進(jìn)行預(yù)浸料的平面切割，實現(xiàn)預(yù)浸料的自動下料。應(yīng)用FiberSIM軟件設(shè)計的復(fù)合材料構(gòu)件的每一三維鋪層信息展開為二維鋪層展開數(shù)據(jù)后，經(jīng)鋪層切割數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口生成預(yù)浸料排樣數(shù)據(jù)，直接輸入自動剪裁機(jī)控制軟件指導(dǎo)材料自動切割。自動剪裁的預(yù)浸料消除了手工下料樣板，每一鋪層的形狀和纖維方向更加準(zhǔn)確，并且都印有鋪層編號，減少了鋪放過程中的錯誤，其下料比手工下料效率可提高3倍以上，節(jié)約原材料20%左右，此外，排樣是優(yōu)化材料利用率的主要因素。圖9是座艙罩頂棚的排樣下料數(shù)據(jù)。
3.3.2 激光投影系統(tǒng)的應(yīng)用
復(fù)合材料專用設(shè)計/制造軟件FiberSIM基于構(gòu)件的CAD三維設(shè)計數(shù)據(jù)生成激光投影數(shù)據(jù)輸入到激光投影系統(tǒng)中，通過特殊反光鏡，控制激光束將構(gòu)件鋪層形狀輪廓線上的點依次投影到模具表面，由于點投影的更迭移動速度極快(每秒300m以上)，在操作者眼中，模具或零件表面會生成相應(yīng)的邊界輪廓線，操作者可根據(jù)該輪廓線進(jìn)行有關(guān)的定位操作(如定位鋪疊等)，從而實現(xiàn)各鋪層的精確定位，免除了傳統(tǒng)的鋪疊樣板。圖10是基于構(gòu)件的三維實體模型生成激光投影數(shù)據(jù)的過程。
圖10 激光投影數(shù)據(jù)的生成
3.4 復(fù)合材料數(shù)字化生產(chǎn)線集成技術(shù)
復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線以全面采用數(shù)字化技術(shù)為主要標(biāo)志，采用計算機(jī)定義，描述，管理和使用復(fù)合材料構(gòu)件開發(fā)過程中所包含的數(shù)據(jù)以及這些數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)。復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計和數(shù)字化制造是復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的主要組成部分，兩部分通過設(shè)計與制造之間的數(shù)據(jù)傳遞，轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成。
3.4.1 數(shù)字化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系
復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的顯著區(qū)別在于采用數(shù)字量形式對產(chǎn)品進(jìn)行全面描述及數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)復(fù)合材料設(shè)計，材料，工藝的一體化。生產(chǎn)線數(shù)據(jù)流主要包括設(shè)計軟件與分析軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞，產(chǎn)品設(shè)計與工裝設(shè)計間的數(shù)據(jù)傳遞，設(shè)計與工藝之間的數(shù)據(jù)傳遞，設(shè)計與制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞等。圖11是復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。
圖11 復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系
(1)設(shè)計軟件與分析軟件之間的數(shù)據(jù)傳遞
典型的復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計首先基于預(yù)期的載荷確定設(shè)計要求，結(jié)合分析提出的設(shè)計要求以及其它使用環(huán)境等要求初步選定材料和成形工藝。初步選定材料和成形工藝后，通過FiberSIM軟件與分析軟件之間的接口將幾何模型和粗略的鋪層定義數(shù)據(jù)輸入有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并將區(qū)域劃分以及各區(qū)域的詳細(xì)鋪層定義數(shù)據(jù)反饋回復(fù)合材料工程環(huán)境進(jìn)行鋪層詳細(xì)設(shè)計，設(shè)計完畢再將鋪層詳細(xì)定義數(shù)據(jù)包括纖維真實走向和其它細(xì)節(jié)等輸入分析軟件包進(jìn)行設(shè)計驗證，如此反復(fù)修改，驗證直至達(dá)到最優(yōu)設(shè)計，分析是對設(shè)計結(jié)果的驗證，設(shè)計滿足分析提出的要求，設(shè)計人員與分析人員之間組成了一個閉環(huán)。
(2)設(shè)計與工藝之間的數(shù)據(jù)傳遞
工藝設(shè)計是連接產(chǎn)品設(shè)計和制造的橋梁，是產(chǎn)品從數(shù)字化概念定義走向?qū)嵨锏谋夭豢缮俚男畔⑥D(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。工藝部門接收設(shè)計部門發(fā)放的產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)包括二維圖紙，技術(shù)文件等，包含了產(chǎn)品的項目信息，構(gòu)型信息，零組件的幾何，材料，鋪層信息。工藝人員對產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解和轉(zhuǎn)換，變成可用于指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝結(jié)構(gòu)。與此同時，對每一個要生產(chǎn)的零組件設(shè)計其加工工藝，設(shè)計或選擇其工裝夾具，指定原材料和計算材料定額，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)件，外購件等非生產(chǎn)零件的需求，編排工時定額等。工藝部門除了產(chǎn)生用于指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝規(guī)程數(shù)據(jù)文件外，還要進(jìn)行材料定額等各種統(tǒng)計匯總，并將數(shù)據(jù)傳向采購，庫存，調(diào)度等生產(chǎn)準(zhǔn)備和管理部門，以保證生產(chǎn)的順利進(jìn)行。
(3)設(shè)計與工裝之間的數(shù)據(jù)傳遞
設(shè)計傳遞到工裝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括：二維圖紙，三維模型，技術(shù)文檔等。
(4)設(shè)計與制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞
設(shè)計傳遞到制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括鋪層展開圖，下料數(shù)據(jù)，激光投影數(shù)據(jù)，技術(shù)文檔，纖維鋪放數(shù)據(jù)等。
鋪層展開圖：鋪層設(shè)計完成后，應(yīng)用FiberSIM軟件曲面展開技術(shù)，將構(gòu)件的三維實體模型逐層展開生成鋪層的展開數(shù)據(jù)，將每一個曲面鋪層展開為一個對應(yīng)的二維平面圖形，用以輸入到排樣系統(tǒng)和自動下料機(jī)進(jìn)行自動排料和自動剪裁。
激光投影文件：應(yīng)用FiberSIM軟件，基于構(gòu)件的CAD三維設(shè)計數(shù)據(jù)生成激光投影數(shù)據(jù)，輸入到激光投影系統(tǒng)中進(jìn)行鋪層定位， 在成形模具上進(jìn)行激光投影。
3.4.2 典型應(yīng)用系統(tǒng)集成
對應(yīng)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)流動關(guān)系(如圖12所示)，需要集成的應(yīng)用系統(tǒng)包括設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部的集成，設(shè)計系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的集成，設(shè)計系統(tǒng)與工藝設(shè)計系統(tǒng)的集成，設(shè)計系統(tǒng)與工裝設(shè)計系統(tǒng)的集成，以及設(shè)計系統(tǒng)與制造系統(tǒng)的集成等。
圖12 數(shù)字化生產(chǎn)線中的數(shù)據(jù)流集成
(1)設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)部的集成
復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計為后續(xù)優(yōu)化，分析，制造等環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)的源頭，是構(gòu)建復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的基礎(chǔ)。除常用的CAD外，復(fù)合材料專用設(shè)計/制造軟件是實施復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計不可缺少的工具。目前世界領(lǐng)先的復(fù)合材料專用設(shè)計/制造軟件有CATIA CPD模塊和VISTAGY公司開發(fā)的FiberSIM 軟件。前者與CATIA系統(tǒng)全面集成，后者亦能完全集成到CATIA，Pro/E，以及UG等CAD軟件中。復(fù)合材料專用設(shè)計/制造軟件與已有CAD系統(tǒng)的集成提供了高效的復(fù)合材料數(shù)字化設(shè)計/制造工具。
(2)設(shè)計系統(tǒng)與分析系統(tǒng)的集成
復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計/制造軟件FiberSIM提供數(shù)據(jù)接口輸出進(jìn)行有限元分析所必需的數(shù)據(jù)，保證了設(shè)計和分析共享同一CAD主模型。
(3)設(shè)計系統(tǒng)與工藝快速設(shè)計系統(tǒng)的集成
設(shè)計系統(tǒng)與工藝快速設(shè)計系統(tǒng)之間通過數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件二維圖紙，技術(shù)文件，BOM等信息的集成與共享。
(4)設(shè)計系統(tǒng)與工裝設(shè)計系統(tǒng)的集成
在并行設(shè)計工作環(huán)境中，產(chǎn)品設(shè)計與工裝設(shè)計在同一平臺上實現(xiàn)無縫集成，工裝設(shè)計工程師直接利用產(chǎn)品設(shè)計工程師提供的復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件工裝的設(shè)計，并將工裝邊界信息傳遞給產(chǎn)品設(shè)計工程師進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件預(yù)浸料鋪層的詳細(xì)設(shè)計。
(5)設(shè)計系統(tǒng)與制造系統(tǒng)的集成
除采用數(shù)字量形式對復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行全面描述及數(shù)據(jù)傳遞之外，復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計/制造軟件FiberSIM提供數(shù)據(jù)接口以聯(lián)系設(shè)計和制造環(huán)節(jié)，在并行設(shè)計過程中使制造與設(shè)計定義直接結(jié)合，實現(xiàn)了設(shè)計到制造車間的無縫集成，其集成過程如圖13所示。復(fù)合材料設(shè)計人員完成鋪層設(shè)計后，自動從設(shè)定的鋪層定義生成三維實體后，基于該三維CAD模型生成鋪層展開數(shù)據(jù)，為制造做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，鋪層展開數(shù)據(jù)進(jìn)一步提取生成下料機(jī)專用的下料文件和支持Virtek和General Scanning等激光投影系統(tǒng)的激光投影編碼(或提供中介APT格式文件)，通過數(shù)據(jù)接口將上述文件信息分別輸入到自動剪裁機(jī)和激光鋪層定位系統(tǒng)，自動進(jìn)行優(yōu)化排樣，下料以及各鋪層的精確定位。
圖13 設(shè)計系統(tǒng)到制造車間的集成
3.4.3 復(fù)合材料構(gòu)件制造過程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)開發(fā)
復(fù)合材料車間制造執(zhí)行系統(tǒng)是實現(xiàn)協(xié)同生產(chǎn)，信息的集成共享和生產(chǎn)精細(xì)化管理的手段。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括：生產(chǎn)作業(yè)計劃和調(diào)度管理，物料需求配送管理，零件執(zhí)行跟蹤，庫房管理，崗位管理，人員管理，權(quán)限管理和統(tǒng)計管理，以及ERP和CAPP接口等功能。系統(tǒng)框架圖如圖14所示。
圖14 車間制造執(zhí)行系統(tǒng)框架圖
4 取得的成果
復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)是一項龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我們本著總體規(guī)劃，分步實施的原則開展了項目的初步研究并取得了一些階段性成果，主要有：
(1)制定了我國第一條飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的總體建設(shè)方案，初步建立了復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線體系框架，對國內(nèi)飛機(jī)制造業(yè)研究建立復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線具有重要參考價值；
(2)改變了長期以來一直采用金屬件設(shè)計方法進(jìn)行復(fù)合材料構(gòu)件設(shè)計的模式，對復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品每一鋪層進(jìn)行數(shù)字化定義，實現(xiàn)了將復(fù)合材料構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)字化定義數(shù)據(jù)從設(shè)計初期傳遞至工裝設(shè)計，工藝設(shè)計，數(shù)控剪裁設(shè)備和激光鋪層定位系統(tǒng)，基本打通了復(fù)合材料構(gòu)件在現(xiàn)有計算機(jī)軟，硬件及數(shù)字化制造設(shè)備條件下從設(shè)計到制造過程的數(shù)據(jù)流；
(3)以復(fù)合材料構(gòu)件研制流程為主線，研究復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化工程環(huán)境中數(shù)據(jù)拓延和傳遞關(guān)系，開發(fā)了復(fù)合材料構(gòu)件制造過程信息管理系統(tǒng)，工藝快速設(shè)計系統(tǒng)，工裝快速設(shè)計工具集等軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM/ERP的集成；
(4)初步建立了工藝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫，典型工裝結(jié)構(gòu)庫；
(5)編制了復(fù)合材料制件工裝建模要求和數(shù)控編程通用要求兩項航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
5 實例驗證
5.1 直升機(jī)全復(fù)合材料座艙罩頂棚研制
在直升機(jī)全復(fù)合材料座艙罩頂棚設(shè)計過程中，應(yīng)用數(shù)字化手段進(jìn)行構(gòu)件的數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計，數(shù)字化工藝設(shè)計，數(shù)字化工裝設(shè)計，數(shù)字化制造及數(shù)字化檢測等，驗證了從設(shè)計，工藝，工裝到制造的數(shù)字化流程(見圖15)。
圖15 設(shè)計與工藝制造一體化流程圖
5.2 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板件設(shè)計
蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板件設(shè)計應(yīng)將蜂窩下面的鋪層和蜂窩上面的鋪層各設(shè)計一個laminate，便于鋪層展開。各鋪層展開時有時會存在問題，為保證鋪層精度和便于工人操作，有些鋪層下料文件需進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以滿足需要。
(1)蜂窩下面帶有開孔的鋪層需帶著開口展開成下料圖，但對于帶有開口超幅寬的鋪層，軟件展開下料圖(見圖16)，需要在下料微機(jī)上對鋪層下料文件進(jìn)行調(diào)整(見圖17)；
圖16 展開下料圖
圖17 下料文件調(diào)整
(2)對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板件，由于蜂窩具有一定的高度，蜂窩上面板的鋪層通過FiberSIM軟件生成的下料圖，不是很規(guī)范(見圖18)，與相應(yīng)鋪層的激光投影范圍不協(xié)調(diào)，制造困難，需要對不規(guī)范的平面圖樣輸出文件進(jìn)行調(diào)整(見圖19)，調(diào)整時要參考各鋪層的激光投影范圍進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)首件驗證后，確定各鋪層準(zhǔn)確的下料圖。
圖18 蜂窩上面板鋪層下料圖
圖19 蜂窩上面板鋪層調(diào)整
6 結(jié)束語
飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線技術(shù)研究內(nèi)容涵蓋了復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線體系，復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計，復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化制造，復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化檢測，復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線集成技術(shù)五大部分，本項目以制定我國第一條飛機(jī)復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字化生產(chǎn)線的總體建設(shè)方案為首要任務(wù)，理清思路，突出重點，并充分吸收國內(nèi)外先進(jìn)的經(jīng)驗，以打通復(fù)合材料構(gòu)件從產(chǎn)品設(shè)計到工藝設(shè)計，工裝設(shè)計，構(gòu)件制造等過程的數(shù)據(jù)流為首要目標(biāo)開展各項研究工作，取得了階段性研究成果，對航空，航天等行業(yè)建立數(shù)字化復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)線具有重要的參考作用。
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