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【数字化】航空工业成飞数字化制造工程平台实施案例

2018 年 11 月 30 日 产业智能官

本文选自《智慧企业之路》创刊号，第80页，“智慧企业建设实务”栏目

作者/蔡长春

一、成飞公司介绍

航空工业成都飞机工业（集团）有限责任公司（简称“航空工业成飞”，以下称“成飞”），创建于1958年，是我国航空武器装备研制生产和出口主要基地、民机零部件重要制造商，国家重点优势企业。

成飞生产了歼5、歼7、枭龙、歼10 等系列飞机数千架，歼-10飞机荣获国家科技进步奖特等奖；同时与成飞民机公司一道承担了大型客机C919、新支线客机ARJ21、大型水陆两栖飞机AG600机头的研制生产。

二、项目背景与目标

2.1 项目背景

成飞早在上世纪八十年代就启动了CIMS工程等信息化项目实施，2005年启动PDM实施，经过多年的信息化建设，初步构建了飞机研制数字化综合协同工作平台，初步打通了产品数字化设计、制造与管理价值链。

随着“中国智能制造2025”的发布，成飞也规划并制定了相应的智能制造之路：以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以满足成飞公司科研生产发展为目标，全力推进智能制造。以数控加工、装配为突破口、以智能物流为支撑，逐步推广应用到其它专业，最终建立以数字化、网络化、自动化为基础、智能化为核心的航空产品智能制造模式，并建成有行业典型代表性的智能生产单元。

2.2 存在的问题与挑战

随着新型飞机研制进度的深入，以及成飞智能制造规划要求，成飞数字化制造工程平台存在以下核心问题和挑战：

1）新一代航空产品战技指标的不断提升对成飞提出了挑战——提高制造精度与产品质量；

2）多品种小批量的生产特点导致生产计划频繁调整，对成飞提出了挑战——缩短产品交付周期；

3）频繁多变的订单需求特点导致产品技术状态多样性，对成飞提出了挑战——快速满足个性化需求；

4）持续不断的技术研究与创新对成飞提出了挑战——降低企业运营成本。

2.3 项目目标

为提升数字化工程制造协同平台的协同能力，实现厂所间紧密协同，实现制造现场无纸化管理，实现设计、工艺、制造的端到端一体化更改，平台需提升一下能力：

1）基于“网络互联、应用集成、流程整合”为基础的“紧密协同”研制模式核心思想实现厂所紧密协同机制；

2）基于成飞装配制造管理的核心业务基于装配过程管理的思想，将飞机制造过程看作为具有多维度关系的工艺过程的集合，实现面向制造过程的MBOM搭建；

3）提供三维可视化环境下段位、工位、AO等不同层级的消耗式工艺设计能力，变装配工艺设计时事后的验证纠错为事中控制；

4）细化工艺信息的管控粒度，管控粒度从整本工艺规程下沉到工序对象。建立工序、参装件、工艺资源、工序模型、设计MBD模型等之间的关联管理，实现以MBOM为核心的工艺数据和信息组织方式，提供一体化的工艺规划、设计、管理及发布环境，实现结构化工艺信息向生产制造端的无缝传递；

5）建设装配生产现场可视化装配系统，实现从产品数字样机，三维装配工艺指令、生产现场可视化装配的信息传递模式，并作为生产制造依据提供给生产工人和检验人员现场使用，实现工艺文件现场无纸化流转；

6）实现设计更改在工艺、制造环节的自动传播和通知，促进工艺、制造环节对设计更改的及时响应，满足工艺数据与设计数据一定程度上自动同步的需要，保障数据的一致性；

2.4 信息化建设总体思路

成飞作为我国航空制造业的核心单位，承接了国家多个重点型号的研制工作，需要与多家设计单位在不同型号进行协同研制工作，如果沿用设计单位管理模式延续到工艺制造阶段，这将极大的增加平台的复杂化，因此成飞在平台建设早期就制定了工艺、制造阶段的管理需要整个不同单位设计数据并形成符合成飞工艺、制造管理统一的思路，成飞一直秉承着这一核心思路进行相关信息化系统建设工作。

2.5 数字化制造工程平台实施路线

成飞公司从2005年启动PDM平台的建设，至今为止经过10年以上的持续建设，成飞公司的产品数据管理实现从纸质文件人工管理到以BOM为核心组织数据，电子化流程驱动，再到设计工艺一体化管理，设计制造一体化系统管理，在多年的建设中，成飞创造性的提出了很多新的思路，成为了行业最佳实践，并获得了军工信息化领域的先行者。但系统仍然有不尽如人意的地方，随着国家对某重点型号前期研制工作的肯定和持续重点投入，未来数字化工程制造平台还将根据业务需要不断完善。▲成飞数字化制造工程平台建设历程

三、数字化工程制造平台建设方案

▲成飞数字化制造工程平台系统结构

3.1 基于全三维模型的设计制造一体化协同

通过厂所间点对点的金航网连接，使得厂所间的协同模式可以采用系统集成模式，既能实现厂所系统间全三维数据模型的即时传递，同时也能符合安全保密及业务约束的条件下实现厂所系统平台数据传递、流程对接、互访互查等服务。

▲厂所一体化协同框架

1）通过流程驱动，自动将发布的数据有设计单位传递到制造单位PDM系统，并自动根据数据所属型号、类型等导入制造单位平台，根据数据状态展开工艺审查或数据厂内分发活动，并建立异常处理机制，对数据交互过程中的异常进行分类，协助准确定位、快速处理跨厂所异常；

2）通过跨系统间的自动数据发放接收，实现了厂所间基于全三维模型的协同，同时保证了全三维模型从设计到制造的连续传递；

3）通过跨系统间的流程激发机制，实现了跨厂所的数据的工艺签署；

4）通过跨系统间的流程激发机制，实现了跨厂所的设计/制造一体化更改管理，一方面保证了更改从设计到制造过程完整的闭环，同时保证了设计、制造更改流程的连续与数据的一致性；

5）构建了厂所间符合安全保密和业务约束的互信互访机制，实现了跨厂所业务数据对象的相互查询，提供了高效的紧密协同沟通渠道。

3.2 基于装配过程的三维工艺管理

▲三维工艺设计业务场景

1）基于工艺过程的MBOM顶层规划：在航空行业率先采用贴近生产的MBOM网络拓扑化管理模式，实现了MBOM的拓扑化管理。将整个工艺规划与生产制造过程中的工艺过程、零组件、材料、制造资源信息组成了多维度的MBOM信息网络，构建了全新的MBOM网络拓扑化管；

▲面向制造过程的MBOM拓扑结构

2）消耗式分配管理：实现三维可视化环境下多级物料消耗过程管理，改变了传统自底向上的物料消耗统计模式，由事后补救的物料检查改为自顶向下的物料分配模式，可以做到消耗的过程控制和检查；

▲消耗式分配管理界面

3）结构化工艺编制环境：提供工艺文件（AO、FO、热表工艺）、检验计划的结构化编制；三维数模、动画和二维简图辅助编辑；将多种工艺规划与仿真、工序模型及三维装配动画制作等工具及工艺管理环境进行整合，提供一体化的工艺规划、设计、管理及发布环境。充分利用三维模型的表现力和交互性，提供快速、高质量的的工艺设计能力。构建飞机制造环节的单一产品数据源。

▲AO编辑环境界面

3.3 基于数字化工艺的现场无纸化管理

工艺现场无纸化更改方案

通过三维工艺系统与MES系统的无缝集成，实现基于R-I（引用-实例）模型实现现场实例管理，保证现场无纸化作业目标的成功达成:

1) 在MES系统与PDM系统的集成环境建立过程中，PDM接收MES发送的生产指令，在进行现场派工的时候，将AO/FO进行现场实例化，PDM根据AO/FO信息实例出相应编号现场实例。

2) 当生产现场执行的工艺实例需要进行变更的时候，基于R-I控制模型的实例更改原则，由MES冻结需更改的工艺文件/工序，同时通过WebService接口（instanceChange）向工艺系统发送实例更改请求，由工艺设计系统处理相关任务，工艺员在收到任务后进行现场更改操作，一方面保证了工艺设计人员设计/更改环境的一致性，同时保证了现场更改的可控。

3) MES系统接收实例数据，基于工艺指令文件可视化的要求，获取工艺文件数据；并按照现场要求基于示例的AO/FO重构工艺文件，在MES平台终端中展示；

3.4 基于BOM设计制造一体化更改无缝传递

▲基于BOM的设计制造一体化更改业务场景

通过统一的厂所协同工程变更控制过程中的数据包管理，有效控制工程更改对象，在变更发生时，能数据创建者、零件分工车间等信息，向相关人员通过流程发送通知任务。用户接到任务后，根据情况将更改执行到工艺、制造环节，并将相关更改数据发送到制造执行端，并要求制造执行端反馈执行结果，通过这种流程与数据相结合的方式驱动设计、工艺、制造一体化更改的执行与监控。

四、数字化工程平台应用成果

1）建立了厂所间完整的流程协同机制，满足了厂所间的业务流程协同，实现产品设计／制造信息的数字量传递和资源共享，深化并行工程技术的应用，打破了长期以来飞机研制中设计与制造分立的局面，通过厂所间紧密系统，在某型飞机研制过程中，将设计发图周期从原来的6个月缩短到1个月。

2）通过三维工艺系统的应用，使无纸化装配制造方案得以实现，在国内航空制造业，首次实现了某型号研制的无纸化装配应用试点，取消了原有的工艺文档打印、领用、发放环节，缩减了纸张打印、管理的成本，将原来的AO/FO发放周期从平均3-5天缩短到不到1分钟。

五、成飞数字化制造工程平台未来建设目标

未来成飞希望一方面立足于现状，通过减少设计、制造中间环境，进一步加强设计、制造协同效率，另一方面，通过研究实现基于数字量连续传递的设计、制造协同新模式，进一步打造构建基于智能制造的航空产品制造模式。

5.1 减少设计、制造中心环节

当前，协同平台管理模式仍然是接收上游设计院所的EBOM，成飞再基于EBOM构建PBOM，进行相关工艺路线规划及工艺准备，后续成飞希望能够取消PBOM管理环节，实现直接从EBOM到MBOM业务新模式，进一步建设设计制造协同的中间环节，加快设计制造一体化协同进程。

5.2 基于数字量传递的设计、制造协同新模式

随着航空市场竞争的不断加强、型号研制的任务与复杂度的不断提升，中航工业成飞需要在复杂环境中不断进行改革创新和提质增效。成飞一直在努力寻求三维模型的全生命周期管理，实现数字量的有效连续传递，从而有效降低飞机制造的复杂性，通过基于全三维模型的制造工程新型业务流程、工作模式、协作方式，以及制造数据集和技术状态的组织及管理新方式，为未来数字成飞建设奠定坚实基础。

航天总装企业结构化工艺项目实践

本文选自《智慧企业之路》创刊号，第85页，“智慧企业建设实务”栏目

作者/曾志超

摘要

在航天型号产品大力推进数字化研制模式以及智能制造的背景下，航天总装企业通过结构化工艺设计管理系统的建设实现从传统工艺设计模式向数字化、结构化、一体化的新工艺设计模式转变。通过工艺管理精益化与工艺数据精细化，为型号数字化研制以及智能制造的实现奠定坚实的管理基础和数据基础。

一、项目背景

随着航天行业在“十二五”期间大力推动型号产品研制过程的数字化应用，各航天院所在配套的数字化研制工具及信息化系统建设方面取得了显著的成果。从2012年开始，航天某院新型号研制逐步采用基于MBD（Model Based Definition）的数字化技术，总体所在设计前端通过全三维结构数字化样机的构建实现试点型号产品的数字化定义，有力推动数字化样机在型号研制全生命周期过程中的传递与应用，并在数字化基础技术、管理机制与标准规范体系等方面取得了较大的突破性成果。

《中国智能制造2025》于2015年正式发布，航空航天装备被列为十大重点领域之一，建设智慧企业成为航天院所未来十年的重要发展目标。智慧企业具有“全数字、全互联、全智能”三大特征，建设数字化企业成为航天院所迈向智慧院所的必要前提和核心基础。

对于航天总装企业而言，实现智慧制造的重要前提是在工艺制造环节全面实现全数字化应用，为车间智能制造的实现夯实“系统、数据、管理”三大核心基础。

二、问题与挑战

航天某院某总装单位于2013年配合总体所设计制造一体化项目，同步开展了型号协同设计管理平台（PDM系统）的建设工作，从根本上解决了企业缺少型号数据管理基础平台的问题。通过该平台建设实现了以电子数据为唯一载体的设计制造数据传递方式，以PBOM为核心的工艺数据组织形式，并建立PDM系统的单一产品数据源地位。同时，该总装单位于“十一五”和“十二五”期间陆续完成CAPP、ERP、MES等系统的建设工作，构建形成较完善的信息化基础条件。

随着新型号数字化研制模式的深入推进，该总装单位在工艺制造环节面临以下核心问题和挑战：

1）缺少企业统一的工艺设计管理平台

工艺设计与管理业务在不同的系统中实现，在PDM系统中完成PBOM构建管理、工艺任务分工与工艺路线规划，在CAPP系统中进行卡片式二维工艺文件编制与签审。这使得工艺业务过程复杂度增加，工艺人员工作效率降低。

2）难以推进基于全三维模型的数字化工艺设计模式

目前应用的CAPP系统不具备对全三维模型及其轻量化模型进行处理的底层能力支持，无法直接使用设计单位发放的全三维模型进行数字化工艺设计，难以充分利用三维模型的直观性、易理解性表达工艺设计意图。

3）跨专业工艺之间的工艺协同设计困难

不同专业工艺人员分别编制不同类型的工艺文件，主辅制专业之间依赖《工艺状态交接表》开展工艺协同设计。主制和辅制工艺文件不能关联查看，多专业工艺设计无法并行开展，导致工艺设计效率低下，工艺变更难以及时协调。

4）非结构化的工艺数据无法满足车间智能制造的需求

完整、准确、细颗粒度的工艺数据是实现车间智能制造的核心基础数据源之一。而CAPP系统核心能力主要聚焦在工艺文件编制层面，不支持工艺数据信息的结构化管理，并存在工艺数据冗余、数据准确性和一致性难以保证等问题，导致MES系统难以有效获取所需的工艺数据，阻碍了MES系统在车间的深化推广应用。

5）无法实现制造过程的检验检测数据电子化采集

生产制造过程的检测数据电子化实时采集是实现质量大数据分析的重要基础。传统工艺设计模式中质量检验要求以文字表述为主，制造现场只能通过纸质检验文件记录检验结果，在MES系统中无法实现实时的检验检测数据采集，不利于后续的质量追溯与质量数据分析。

因此，该总装单位于2015年正式开始建设结构化工艺设计管理系统，从根本上解决制约型号数字化研制推进及车间智能制造实现的核心瓶颈问题。

三、系统建设框架

结合信息化建设现状以及工艺制造业务需求，该总装单位选择基于国睿信维Glaway MPM数字化工艺解决方案建设企业统一的结构化工艺设计管理系统。该系统基于既有的PDM系统进行部署实施，从底层架构上实现了设计数据与工艺数据的单一平台、单一数据源管理。

结构化工艺设计管理系统涵盖了企业的工艺设计管理全业务过程，建设框架如下图：▲结构化工艺设计管理系统建设框架

四、项目建设思路

工艺设计过程精益化、工艺数据管理精细化是打造智能制造企业的基石，同时也是结构化工艺设计管理系统建设的核心目标。工艺设计过程精益化是指在企业工艺设计业务过程中尽可能优化业务流程，减少不必要的环节，实现信息流和数据流在各业务环节的高效无缝传递，从而提升工艺设计与管理效率。工艺数据管理精细化是指从面向智能制造的角度，采用结构化、对象化、关联化的方式组织管理各类工艺数据（PBOM、工艺路线、工艺简图、工艺文档、制造资源、定额信息、质量检验检测要求等），实现多维度工艺数据的细颗粒度管理，为车间智能制造的实现夯实数据管理基础。

因此在项目实施过程中，项目团队遵循国睿信维项目实施方法论的规范要求有序推进系统建设工作，并以“流程+数据”为核心进行业务解决方案的定义与落地实现。即基于企业当前业务流程、痛点及需求，以“业务流程优化、解决实际问题”为原则规划未来业务流程，精简不必要的业务环节，明确各环节角色职责，减少业务流程及管理复杂度，确保工艺设计过程精益化。同时，基于未来业务流程的定义明确各业务环节之间数据的流向，以制造管理系统的数据需求为牵引，明确对结构化工艺数据的完整性、规范性、颗粒度要求，确保工艺数据管理精细化。

五、项目建设成果

结构化工艺设计管理系统目前已经在该总装单位全面工程化应用，项目建设达到预期的目标并取得良好的实际应用效果。

1）构建形成企业统一的工艺设计管理平台

通过基于PDM系统的结构化工艺设计与管理平台构建，实现工艺业务全过程在单一平台，避免工艺部门在不同工作环节切换系统工作，提高了工作效率，同时有利于业务数据基于单一平台的无缝传递，避免了多系统集成的问题。

该企业工艺部门应用CAPP系统多年，存在大量的历史工艺规程数据。通过对现有历史数据中相关问题的梳理，定制历史工艺数据迁移工具，将CAPP系统中大量历史工艺规程文件迁移至新系统中进行结构化数据管理，尽可能的确保了原有历史数据内容的正确性和完整性。

▲历史工艺数据迁移

2）全面推行结构化工艺设计模式

基于总装单位工艺设计特点和个性化需求，对结构化工艺编辑器（Glaway MPE）进行深度定制改造，同时支持基于MBD全三维模型和基于二维图纸的结构化工艺设计模式。由于结构化工艺编辑器是工艺人员最常用的工作台面，因此在功能细节层面充分考虑了工艺人员对于易用性、便捷性的要求，较大程度上降低了结构化工艺设计模式推广过程中带来的效率影响。

▲结构化工艺设计

3）实现基于全工艺流程的多专业工艺协同设计模式

为了实现多专业工艺并行协同设计，对现有工艺设计业务流程进行梳理优化，保留主辅工艺分别编制、签审、发布的现行模式，取消原有主辅工艺之间协同使用的《工艺状态交接表》，通过协作工序及辅制工艺设计任务来实现工艺交接信息的传递，从而实现主辅制工艺的并行协同设计，大幅提升工艺设计效率。

▲多专业工艺协同设计

4）实现结构化工艺与质量检验的一体化

工艺检验信息（工艺参数表、质量控制记录表、首件检验表、关键工序检验表等）融合在结构化工艺规程中，形成一体化的设计、签审和发布，支撑现场制造过程检验结果的电子化记录和管理，为后续产品质量分析提供基础数据。

▲工艺质量一体化

在结构化工艺设计过程中，支持从PDM系统获取MBD模型各视图尺寸标注信息文件进行解析，选择结构化的检验参数，作为车间现场实物检测记录的输入，确保检验尺寸要求信息的准确性。从MBD模型提取的检验参数可以与工艺编辑器可视化区域的三维轻量化模型中的视图与尺寸双向联动，方便工艺工程师的识别

5）实现现场工艺的闭环变更管理

现场工艺更改取消纸质的临时工艺更改单，采用实例化工艺更改方式实现现场工艺更改的电子化管理。即现场制造需要临时工艺更改时，工艺员在MES系统中基于路卡发起现场工艺更改，在结构化工艺设计管理系统完成现场工艺文件的实例化（每一路卡对应一份实例化工艺），工艺员对实例化工艺中冻结工序进行修改，完成后将实例化工艺信息更新发布至MES系统，继续执行后续的生产制造工序。现场工艺变更电子化管理的实现一方面确保现场工艺文件技术状态的有效控制与追溯，另一方面支撑了车间全面无纸化制造应用。

▲现场工艺闭环变更

6）实现工艺制造一体化集成应用

通过结构化工艺设计管理系统与ERP/MES系统紧密集成，实现工艺数据向后端制造管理系统的及时准确传递。通过工艺质量一体化支撑了生产现场质量检验电子化记录，在MES系统中对检验结果数据的存储管理，为型号产品的质量与可靠性分析提供准确可靠的数据来源。

▲车间质量检验数据电子化采集

六、总结

结构化工艺设计管理系统在实施过程中充分借鉴了国睿信维在航空航天行业的最佳实践经验，并结合该总装企业的工艺制造特点以及智能制造建设目标进行了大量技术创新和管理创新。系统的成功建设有效支撑了该航天总装企业数字化工艺制造模式的推广应用，打通型号产品从研发到制造的全数字化信息链路。

智慧制造的实现是通过集成化工艺设计仿真、柔性灵活的制造运营管理、基于物联网的智能工厂、智能化供应链物流体系以及工业大数据分析及决策等先进的信息化平台与理念，打通产品研制、生产管控以及工厂数字化价值流，加快制造模式升级，实现生产模式向高度智能化、分布化的制造模式转变。因此，结构化工艺设计管理系统通过全数字化工艺规划与工艺设计的实现，为该企业的制造运营管理系统提供了有力的数据支撑，并为未来车间智能制造乃至企业智慧制造的实现奠定了坚实的基础。

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