飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件及連接件數(shù)量多，且包括很多形狀復(fù)雜、尺寸大、剛性小的零件，對(duì)制造準(zhǔn)確度要求高。為保證產(chǎn)品制造準(zhǔn)確度及互換協(xié)調(diào)性，飛機(jī)制造過(guò)程中采用大量成套工藝裝備(“工裝”)。工裝設(shè)計(jì)是飛機(jī)研制過(guò)程中重要的一環(huán)，占飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期相當(dāng)大的比例，是影響新機(jī)研制周期的主要因素之一。

    為了縮短飛機(jī)生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，國(guó)內(nèi)一些大型航空制造企業(yè)已建立工裝設(shè)計(jì)的PDM協(xié)同化設(shè)計(jì)平臺(tái)。采用飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工裝設(shè)計(jì)并行的工作模式。然而，飛機(jī)工裝的協(xié)同設(shè)計(jì)有其如下自身的特點(diǎn)和難點(diǎn)。

    1)飛機(jī)工裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大，包含的零部件數(shù)量多，設(shè)計(jì)流程長(zhǎng)。在協(xié)同設(shè)計(jì)模式下，工裝設(shè)計(jì)在飛機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)某個(gè)重要階段數(shù)據(jù)預(yù)發(fā)放后就會(huì)開(kāi)始，而后續(xù)的工藝、制造、質(zhì)檢等部門也會(huì)盡早參與設(shè)計(jì)方案評(píng)審，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題以減少設(shè)計(jì)缺陷，避免返工。而工裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)到何時(shí)、達(dá)到何種程度才可以發(fā)放，需要有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

    2)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)需協(xié)調(diào)的專業(yè)部門多，業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，且有時(shí)要求工裝設(shè)計(jì)與工裝制造、裝配等環(huán)節(jié)并行開(kāi)展。為了保證按時(shí)完成各自的任務(wù)，不同部門需要了解工裝設(shè)計(jì)進(jìn)度，以便合理安排工作計(jì)劃。

    3)飛機(jī)工裝數(shù)據(jù)量大，且由于依賴于飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)模，在研制階段產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改頻繁，造成了工裝設(shè)計(jì)更改頻繁，尤其在并行環(huán)境下更是如此。

    如何管理和控制好飛機(jī)工裝的設(shè)計(jì)流程及數(shù)據(jù)一直是個(gè)十分棘手的問(wèn)題。在綜合考慮以上問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本文提出一種基于成熟度的工裝設(shè)計(jì)管理方法，解決所遇到的工裝協(xié)同設(shè)計(jì)管理問(wèn)題。目前，基于成熟度的研究多以技術(shù)成熟度、制造成熟度為主，針對(duì)設(shè)計(jì)成熟度的論述還不多見(jiàn)。從量化的角度探討了協(xié)同產(chǎn)品設(shè)計(jì)成熟度及其預(yù)測(cè)方法，但沒(méi)有結(jié)合設(shè)計(jì)過(guò)程中的簽審等環(huán)節(jié)定義成熟度等級(jí)，不便用于工程實(shí)踐。

1 飛機(jī)工裝協(xié)同設(shè)計(jì)成熟度定義

    在協(xié)同設(shè)計(jì)工作模式下，工裝設(shè)計(jì)工作一般在飛機(jī)產(chǎn)品初步設(shè)計(jì)階段完成后就開(kāi)始啟動(dòng)，首先擬定工藝總方案，接著制定質(zhì)量保證大綱，確定裝配協(xié)調(diào)方案；當(dāng)飛機(jī)理論外形凍結(jié)之后，開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)工裝的設(shè)計(jì)，同時(shí)啟動(dòng)部件和零件制造工藝設(shè)計(jì)，包括裝配工裝的設(shè)計(jì)、裝配工裝的制造等完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定后開(kāi)始，而零件制造工裝的生產(chǎn)要在強(qiáng)度分析最終驗(yàn)證通過(guò)、零件細(xì)節(jié)標(biāo)注完成之后進(jìn)行，此時(shí)，零件也同步開(kāi)始投產(chǎn)。

    從以上過(guò)程不難發(fā)現(xiàn)，工裝的設(shè)計(jì)制造與飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造息息相關(guān)，為了更好地管理工裝設(shè)計(jì)流程，分析工裝設(shè)計(jì)流程，定義其成熟度等級(jí)是十分必要的。

    1.1 飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)管理流程分析

    工裝設(shè)計(jì)是工裝生命周期中最重要的活動(dòng)之一，是從無(wú)到有的創(chuàng)造性活動(dòng)，是其它活動(dòng)的基礎(chǔ)。一般說(shuō)來(lái)，飛機(jī)工裝生命周期包括從需求制定到報(bào)廢等活動(dòng)（見(jiàn)圖1），本文主要研究工裝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

圖1 工裝生命周期業(yè)務(wù)流程

    飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)流程總體上可分為需求分析、工裝設(shè)計(jì)申請(qǐng)(Tooling Order，TO)、工裝設(shè)計(jì)及發(fā)放3個(gè)階段，其中，工裝設(shè)計(jì)階段又可進(jìn)一步分為初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和最終設(shè)計(jì)3個(gè)階段。伴隨著設(shè)計(jì)過(guò)程的推進(jìn)，不斷產(chǎn)生大量的與設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)及文件（如工裝數(shù)模、TO、TBOM等），圖2展示了完整的工裝數(shù)據(jù)管理流程。

圖2 工裝數(shù)據(jù)管理流程

    成熟度(Maturity Level，ML)是一種聯(lián)系業(yè)務(wù)流程、管理流程和支持流程的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)在業(yè)務(wù)流程中對(duì)工裝成熟度(Tooling Maturity)的等級(jí)進(jìn)行定義，在管理流程中對(duì)工裝成熟度的狀態(tài)進(jìn)行管理。需要說(shuō)明的是，成熟度管理僅用在工裝數(shù)據(jù)正式發(fā)布之前，在數(shù)據(jù)發(fā)布形成正式版本之后發(fā)生的更改則不采用成熟度控制。

    1.2 工裝設(shè)計(jì)成熟度定義及等級(jí)劃分

    設(shè)計(jì)成熟度是指設(shè)計(jì)工作的進(jìn)度和完成的程度，工裝設(shè)計(jì)成熟度是指協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中工裝設(shè)計(jì)的進(jìn)展和完成的程度，具體地說(shuō)，是對(duì)工裝定義數(shù)據(jù)完成情況和詳細(xì)程度的描述。根據(jù)成熟度情況將達(dá)到一定技術(shù)狀態(tài)的定義數(shù)據(jù)（包括工裝結(jié)構(gòu)信息、幾何信息、工藝信息、分析結(jié)果、技術(shù)說(shuō)明和檢測(cè)結(jié)果等）提供給用戶，以便于下一步工作的順利開(kāi)展。

    按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)達(dá)到的詳細(xì)程度，將工裝成熟度定義為TML1-TML5五個(gè)等級(jí)，具體的分級(jí)說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 工裝設(shè)計(jì)成熟度分級(jí)說(shuō)明

2 基于成熟度的協(xié)同設(shè)計(jì)管理和控制

    根據(jù)以上對(duì)工裝設(shè)計(jì)成熟度等級(jí)的定義，建立如下的工裝設(shè)計(jì)成熟度模型（見(jiàn)圖3）�；�于成熟度的工裝設(shè)計(jì)管理方法在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中賦予工裝數(shù)據(jù)成熟度標(biāo)識(shí)，以反映設(shè)計(jì)對(duì)象從開(kāi)始設(shè)計(jì)到發(fā)布的進(jìn)展情況，為相關(guān)工作的協(xié)同提供依據(jù)。

圖3 工裝設(shè)計(jì)成熟度模型

    基于成熟度的工裝設(shè)計(jì)管理在企業(yè)PDM平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，每個(gè)數(shù)�；蛭募�都具有自身的成熟度屬性。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的屬性信息中包括“成熟度等級(jí)”屬性，標(biāo)識(shí)該數(shù)據(jù)所處的成熟度狀態(tài)。用戶在該平臺(tái)中查找到各產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行瀏覽時(shí)，將能查看到該數(shù)據(jù)的成熟度等級(jí)信息。

    2.1 成熟度升級(jí)管理

    按照上述對(duì)工裝設(shè)計(jì)成熟度及其等級(jí)的定義，結(jié)合工裝設(shè)計(jì)流程，建立成熟度的升級(jí)管理方法。為了便于對(duì)成熟度升級(jí)進(jìn)行控制，一般應(yīng)將成熟度升級(jí)節(jié)點(diǎn)定義在相關(guān)數(shù)據(jù)或文件簽審?fù)ㄟ^(guò)之后。

    工藝員在編制工藝過(guò)程中，如果有使用工裝的需求，就會(huì)在PDM系統(tǒng)中創(chuàng)建COT(工裝技術(shù)條件)。此時(shí)，成熟度屬性項(xiàng)為空，然后進(jìn)行工藝分析和工藝立項(xiàng)，工藝部和工裝部進(jìn)行技術(shù)條件協(xié)商，工裝需求確定之后，工裝成熟度達(dá)到TML1級(jí)。根據(jù)協(xié)商結(jié)果，如果需要設(shè)計(jì)一套新的工裝，則由工藝部工藝人員負(fù)責(zé)在PDM系統(tǒng)上創(chuàng)建TO（工裝指令）文檔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)TO簽審流程，由工藝部、生產(chǎn)控制部、工裝部根據(jù)流程一起負(fù)責(zé)對(duì)To文檔進(jìn)行簽審，然后，由生控部負(fù)責(zé)TO的發(fā)放，工裝成熟度進(jìn)入TML2級(jí)。工裝部設(shè)計(jì)人員接到TO后，首先研究TO中的技術(shù)要求等內(nèi)容，明確工裝的功能，再結(jié)合工裝的協(xié)調(diào)要求，擬定初步設(shè)計(jì)方案，包括框架結(jié)構(gòu)、定位夾緊方式等的選擇，工裝成熟度達(dá)到TML3級(jí)。進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，工裝設(shè)計(jì)人員利用CATIA軟件設(shè)計(jì)出工裝的三維模型，進(jìn)而導(dǎo)出二維圖樣，完成相關(guān)標(biāo)注，填寫(xiě)標(biāo)題欄、明細(xì)表以及技術(shù)要求等信息，全部設(shè)計(jì)工作完畢后，工裝成熟度升級(jí)為TML4級(jí)。工裝設(shè)計(jì)工程師負(fù)責(zé)啟動(dòng)工裝發(fā)布簽審流程，工裝部、工藝部負(fù)責(zé)對(duì)工裝設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行簽審，生產(chǎn)控制部將工裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)正式發(fā)放到工藝部和車間，此時(shí)，工裝成熟度升為TML5級(jí)，表明工裝設(shè)計(jì)階段完成。

    以上成熟度由工藝部、工裝部、生控部相關(guān)人員在PDM平臺(tái)上進(jìn)行，工裝成熟度的升級(jí)伴隨著一系列的審批和簽審流程，一旦成熟度發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)更新數(shù)據(jù)庫(kù)，其它部門相關(guān)人員可同步獲知變化后的成熟度狀態(tài)。

    2.2 成熟度降級(jí)管理

    在工裝數(shù)據(jù)成熟度TML2到TML5過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)更改直接影響到下級(jí)用戶的工作，另外，飛機(jī)產(chǎn)品本身數(shù)據(jù)頻繁的更改也會(huì)導(dǎo)致相關(guān)工裝的更改。為保證工裝滿足技術(shù)要求和控制生產(chǎn)成本，在工裝數(shù)據(jù)信息需要發(fā)生更改，并影響到成熟度時(shí)，設(shè)計(jì)人員和制造人員均可提交成熟度降級(jí)申請(qǐng)，并重新開(kāi)展相應(yīng)工作。

    成熟度降級(jí)申請(qǐng)用于控制成熟度TML2到TML5階段，在對(duì)工裝數(shù)據(jù)的該階段數(shù)據(jù)進(jìn)行更改、部分取消等操作時(shí)，需填寫(xiě)成熟度降級(jí)申請(qǐng)，申請(qǐng)內(nèi)容主要包括：1)降級(jí)原因（工程更改、工藝變更等）；2)更改內(nèi)容；3)更改后等級(jí)。

    成熟度降級(jí)申請(qǐng)由造成更改原因的部門人員發(fā)出，經(jīng)過(guò)部門負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后方可執(zhí)行，因成熟度降級(jí)可能造成重大損失而無(wú)法決策時(shí)，由協(xié)同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)(IPT)整理受影響內(nèi)容及損失情況，以副頁(yè)形式，提交上級(jí)管理部門批準(zhǔn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

    圖4為基于成熟度的工裝協(xié)同設(shè)計(jì)管理方法的一個(gè)企業(yè)應(yīng)用實(shí)例，當(dāng)飛機(jī)平尾前梁工藝總方案擬定之后，工藝部工藝人員就會(huì)進(jìn)行工藝分析和立項(xiàng)，首先在PDM平臺(tái)上（示例企業(yè)采用Windchill）創(chuàng)建COT，明確工裝需求，將成熟度屬性定義為TML1，然后在Windchill平臺(tái)上創(chuàng)建TO，經(jīng)簽審后發(fā)放到工裝部，同時(shí)完成成熟度等級(jí)升級(jí)。工裝設(shè)計(jì)人員接到TO后，首先擬定初步設(shè)計(jì)方案，升級(jí)成熟度，接著進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，利用CATIA軟件進(jìn)行三維建模和數(shù)據(jù)標(biāo)注，全部設(shè)計(jì)完畢后，成熟度升級(jí)為TMLA。啟動(dòng)工裝數(shù)據(jù)簽審及發(fā)放流程，工裝數(shù)據(jù)發(fā)放到工藝部和車間后，工裝成熟度達(dá)到最高等級(jí)。在成熟度TML2至TML5期間，任何引起成熟度等級(jí)變化的數(shù)據(jù)更改在實(shí)施之前，需先提交降級(jí)申請(qǐng)，批準(zhǔn)后方可執(zhí)行。

圖4 平尾前梁裝配型架成熟度定義及在PDM平臺(tái)七的實(shí)現(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

    本文詳細(xì)分析了飛機(jī)工裝的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)管理流程，定義了工裝設(shè)計(jì)成熟度等級(jí)，建立了成熟度管理模型，給出了具體的管理流程和控制方法�；�于成熟度的工裝協(xié)同設(shè)計(jì)管理方法已在國(guó)內(nèi)某大型航空制造企業(yè)實(shí)施，并取得了良好的應(yīng)用效果，為工裝協(xié)同設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，使工裝設(shè)計(jì)效率大幅提高，工裝設(shè)計(jì)周期明顯縮短，同時(shí)，工裝設(shè)計(jì)質(zhì)量也得到保證。

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