波音公司的飞机无纸设计技术

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波音公司的飞机无纸设计技术
徐微
（中国航空工业总公司科技局  北京．100712）
    摘  要  美国波音飞机制造公司利用无纸设计技术研制B- 777双发宽体客机的成功，开创了飞机设计的新纪元。本文对Boeing公司无纸设计技术的应用情况作了介绍，并对我国航空工业开展无纸设计提出了建议。
    关键词  无纸设计  数字化定义  数字化预
装配  并行产品定义PDM
引言
    无纸设计的技术含义是指产品从设计、制造到出厂、使用的整个生命周期中的主要信息由计算机进行管理，纸质的工程图纸仅起到参考作用。无纸设计技术主要包括以下三个方面：
    a．ioo%的产品数字化定义DPD( Digital Product Definition)
    b．三维实体数字化预装配DPA(Digital PreAssembly)
    c．并行的产品定义Production Definition)
构情况来看，在波音公司的11万员工中，有近十分之一的人是专门从事信息技术服务的专业人员，图l给出了组织结构图。
The Boeing
  民用飞机部
_-._1.______0-o________._-______一
737 1747，767
757 1  777
  SEArⅡ甩
  R日阿r(]N
  EVEI也TT
  AUBURN
WiChita-P0ftl蛐d
  7万人
图1组织结构
Information
Support
Services
BELLEUUE
l万人
    CPDC    l.2波音公司计算机软硬件配置情况
CPD(Concurrent
    波音公司采用无纸设计技术研制B- 777，从研制到交付使用仅用了55个月的时间，大大地缩短了研制周期，降低了成本，提高了质量。本文对波音公司当时的软硬件环境、公司的组织机构、无纸设计的应用情况作一简要的介绍。
1基本情况
1.1波音公司的组织结构
    波音公司现有军品、民机、信息服务三大分公司，员工分别为30000、70000、10000人，而在这三个部门中从事计算机软件开发、支持服务的技术人员分别为1000、3500、6000人。因此，从人员组织结收稿日期：1998 - 03- 09
    波音公司在西雅图地区共有11台大型IBM主机，运行MVS/ESA操作系统和CATIA应用软件，集中放在BELLEUUE，通过Tl，T3通讯协议连接了南北70英里范围内4个地方(EVERETT、SEATTLE、RENTON、AUBURN)共约4000台CATIA终端，如图2所示。
    1994年波音公司计算机配置开始向分布式网络环境方向过渡，已在兰个地区配置了5台IBMRS/6000 390作服务器，约245台RS/1000工作站通过以太网组成了三个主要飞机研制地的CATIA网络环境，并通过FDDI实现与主机的相连，如图3所示。
    此外，波音公司还配置了约6000套工作站，其中有1000多套是IBM RS/6000，其余为HP，SGI，
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  2    航空计算技术    1998年6月
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DEC等。在RS/6000工作站上约有300多套安装了CATIA系统，其它是工程分析等软件。
MAINFRAMES
图2资源配置
图3网络环境
1.3  波音公司的CAD／CAM和数据管理
应用情况
    波音公司从70年代开始，在飞机型号研制中采用CAD/CAM技术，使用的软件主要是自行开发的，也有外购的，形成若干CAD/CAM孤岛，之间没有联系，采用不同的数据格式，当发展到需要进行数据交换时，花了很大精力开发接口程序。
    从80年代开始，波音公司在应用软件的选用上，决定采用从市场上购买成熟软件的策略，自己主要做些集成和二次开发的工作。在1986年正式决定选用CATIA软件，从此，波音公司所有从事飞机研制工作的工程师（约20000多人）开始能在网络上使用同一的CAD/CAM软件，访问同一数据库。
1. 3.1关于数字化产品定义
    随着CATIA软件的引进和CAD/CAM技术应用的深入，波音公司逐步实施DPD，DPA和CPD经过7年的局部应用，终于在波音777上实现了完全的CATIA数字严品定义。其问题的实质是：
    a．整架飞机完全用CATIA软件进行三维实体定义；
    b．在计算机内进行预装配，并进行干涉检查；
    c．实旋并行工程。
    图纸、模线还是存在，但不作为制造依据，只作参考用。
    由于采用了全数字化设计方法，波音公司第一次在B- 777上实现了异地并行设计。为了完成这一工作，在组织管理上做了很大调整，在B- 777研制过程中组成了238个综合设计小组，每个小组都由来自不同专业的技术人员（如设计、制造、工装、用户等）组成，他们长期在一个办公室工作，代表不同的专业方面，对同一工程项目的研制负责。
    无纸设计技术的应用，极大地缩短了B- 777研制周期，提高了产品质量，使波音公司在激烈的市场竞争中保持了领先地位，也为世界航空工业翻开了崭新的一页。
1-3.2关于CATIA的二次开发
    波音公司在B-777研制中全部采用CATIA软件，为了使该软件更好地满足型号研制需要，波音公司根据其自身20年来在CAD/CAM方面开发和应用经验，利用CATIA的开放平台(GII、IUA等)，先后开发了约800个应用程序，如“漫游程序”等，现归并成300个，其中大多数是产品数据管理方面的。
1.3.3波音公司的PDM应用
    陋着CAD/CAM应用的深入和普及，产品数据管理问题就越来越突出。波音公司与IBM公司合作，十几年来，应用GII开发了近300个应用软件，实现了在飞机型号全寿命周期内的产品数据管理。其功能包括产品定义、审批过程、发放过程、更改过程和产品的维修过程。其主要软件有Epic和Clash:
    Epic的主要功能：
    a．3D产品设计的审批和发放过程管理；
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    b．工艺工装设计管理；
    c．产品结构管理；
    d．产品预装配过程零件查询及管理。
    在产品预装配过程中Epic软件与Clash软件配合使用以实现：
    a．预装配干涉检查；
    b．报告功能；
    c．干涉分析。
    整架B- 777约有50000个模型文件，每个文件平均存储量约为3MB，实际存储文件为上面所说的2-3倍，目前波音公司的数据存储、发放等管工作是在IBM主机环境下进行，其上装有IMS和DB2数据库管理系统，建立了两大数据库，一个是In- Work DATA以实现各专业数据共享；另一个是Released DATA专门存储可发放的数据。图4给出了各软件系统同数据库之间的关系：
图4软件系统与数据库
    使用CATIA产生的工作数据放在In - Work DATA数据库里。为了管理数据，波音公司自己开发了一个数据管理软件Epic管理系统，所有的库之间及各应用软件之间的数据如何传递与管理都是通避Epic进行的。如果工程人员完成自己的工作，产生的结果要发放，就把这些数据存放在Released DATA数据库里，作为共享数据。至此，任何人对这一数据库不许作更改，但可以访问。
1.3.4波音公司计算机软件版本管理过程
    波音公司软件版本管理过程称为Blockpoint Process，简称为BP过程，由一专门部门来管理，主要是指CATIA和MVS操作系统，一般每年进行两次。该过程是一个非常重要而复杂的过程，因为其中不仅包括了波音公司内部从设计到生产的各部门，而且涉及到它的3000多个供应商和100多个合作伙伴，所以在每次BP过程前的45 - 60天左右，将以书面形式通知各有关单位软件的版本和更改的控制。
1.4  波音公司内部的CATIA培训工作
    目前波音公司约有20000多名工程师都在使用CATIA系统，能否熟练地使用CATIA已成为一个工程师必须具备的基本条件，为此公司在培训方面下了很大功夫，一般对员工的CATIA培训分下几个层次：
    a．首先对一些骨干人员进行基础培训
    开始时每人二周，每期60人，一月二期，一共培训了半年，使用达索教材，由IBM负责培训；
    b．不同部门的工程师用不同模块进行培训
    这项培训白波音中经过训练的人担任教师，教材由波音公司自编，时间视情况而定。
    c．职务变动培训
    工作人员职务变动后，对其新工作岗位上需要使用的CATIA模块进行培训。
    d．专业提高培训
    波音公司为造就一批熟悉CATIA的专业人员，每年都要派一批专家到达索公司学习，年复一年，形成一支骨干队伍。
    e．经常性培训
    因CATIA版本的不断更新，波音公司每个工程师每一季度都要接受16小时的CATIA培训。
    f．交流提高
    波音公司经常派出使用CATIA的专业人员参加各种CATIA的学术交流会议，以提高专业人员的业务素质。
    所有这些培训工作确保了波音公司的工程师们能在型号研制中熟练地使用CATIA软件，为B-777的数字化设计奠定了基础。
1.5波音公司计算机应用的发展计划
1. 5.1  计算机配置的发展趋势
    波音公司的CAD/CAM即CATIA应用将逐
渐从主机环境向工作站转移，原因一是感到主机响
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航空计算技术
1998年6月
应速度慢，远程终端只在100英里以内有效；第二，
也许是更主要的原因，达索公司已决定1996年以
后CATIA的新功能将不再支持主机环境，因此波
音公司的整个计算机配置要发展成分布式的计算
机网络环境已成定局。
    至于IBM主机系统，波音公司目前还是打算
用于数据管理，主要是主机的MVS操作系统对于
数据的安全性、可靠性是无可比拟的。到目前为止，
用大型的Unix计算机作服务器用于数据管理，经
验甚少，不敢轻举妄动。
1.5.2数据管理
    波音公司已认识到在PDM领域内涉及到300
多个应用软件太复杂，准备简化过程，尽量采用单
一软件。
    另外波音公司正在将数据管理从以图纸管理
为基础过渡到以零件管理为基础，其核心是将设
计、工装工艺、加工之间的数据内在联系建立起来。
    目前波音公司已决定选用SDRC公司的
Metaphase软件作为其唯一使用的PDM软件。
1.5.3制造方面的计划
    a．提出精良制造(Lean manufacturing)口号；
    b．目标是降低成本、缩短周期、减少库存和提
高质量；
    c．  在  DCAC/MRM(Define  and  Control
Airplane  Configuration／Manufacturing  Resource
Management)有面采用以下软件；
    a．市场分析：Trilogy；
    b．工程设计：CATIA，Metaphase；
    c．制    造：Triton(MRPⅡ软件)，Cimliiic
(CAPP软件)；
    d．在制造过程中全部使用CATIA数字化数
据，组织攻关小组解决人事、工艺中出现的问题。
2体会和建议
2.1  抓好CAD/CAM/CAE的研究及其在
型号中的应用已迫在眉睫
    美国波音公司在CAD/CAM/CAE技术应用
于型号研制方面已达到了很高水平，B- 777的研
制成功充分说明了CAD/CAM/CAE技术在提高
产品质量、降低成本、缩短周期等方面起到了关键
作用。我国航空工业在CAD/CAM/CAE方面起步
较早（基本与波音同步），但目前与国外发达国家相
比差距较大，从总体上来讲，我们还处于CAD/
CAM的孤岛水平，计算机投资强度低，形不成规
模，也就体现不出效益，如果在新一代航空产品的
研制过程中不抓好CAD/CAM及其相关的计算机
技术的应用，我们就很难研制出高质量的高科技产
品，就不可能在市场竞争中取胜，更不可能与国际
接轨。CAD／CAM已成为研制航空产品的必备手
段和关键技术，是企业改造、搜术进步的重点方向
和国际合作的先决条件，大力推广CAD/CAM技
术是落实邓小平同志提出的“科学是第一生产力”
的具体体现。
2.2立即开展“无纸设计”的应用研究，并
具体在新飞机型号研制中组织实施
    采用无纸设计即三维数字化产品定义和装配
方法的B-777的研制成功，揭开了世界航空工业
的一个新的里程碑，成为未来飞机研制的方向。传
统意义上的CAD/CAM应用只是提高了生产的自
动化程度，而无纸设计技术的应用从根本上减少了
因设计错误、零件间干涉和装配不协调等造成的工
程变更，从而大大地降低了成本，缩短了周期。B-
777装配时出现的问题与过去项目相比减少50～
80%0。最后B-777在总装后经激光检测，机头处
的垂直误差为0. 012 inch，水平误差为0.003 inch，
机尾处的垂直误差为0. 035 inch，水平误差为0．
008 inch，达到了很高的精度。
    因此无纸设计技术在飞机研制中的应用标志
着CAD/CAM及其相关计算机技术应用的最高水
平，它从根本上改变了飞机研制的方法、组织、管理
模式，极大地冲击了人们的旧观念和传统习惯势
力，代表了未来数十年世界飞机生产发展的战略方
向。
    为了使中国航空工业尽快参与到世界市场竞
孥中去，我们应立即开展“无纸设计”的应用研究工
作，并迅速在新飞机型号研制中贯彻实施。
2.3  加大投资强度，迅速建立型号研制所
必需的计算机软、硬件环境
    航空总公司各飞机厂、所目前的计算机配置水
平很低，远远不能满足型号研制，特别是开展无纸
设计新方法的需求，更不能与波音公司相比，是根
据经验，大致每4个工程师配置一台CATIA工作
  第2期    徐微·波音公司的飞机无纸设计技术    5
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站。因此我们建议在新上项目及考虑技改方案时，
应将计算机配置作为重要内容来考虑。计算机的配
置一定要配套，一定要有规模，要形成生产力，这样
才能有效益，产出／投入就会大大增加。
2.4积极开展PDM应用研制工作
    随着计算机应用的普及，特别是无纸设计和并
行工程的使用，工程数据管理(PDM)软件应用的
重要性将日趋显著。在B-777的研制过程中，波
音公司在CATIA上开发的几百项应用软件中大
部分都属于PDM范畴。我们在此领域内的工作基
本上还处于刚起步阶段，还没有一个单位有过完整
使用PDM的经验，PDM的实施与很多因素有关，
例如，它需要分布式计算机环境和分布式数据库支
持，需要与CAD/CAM、MRPⅡ的集成，支持并行
工程，需要做大量的用户化工作；特别与管理机制
和观念有很大关系，所以具体实施有相当大的困
难，建议组织专门小组进行需求分析、市场调研、测
试、选型等工作，并立即在民杌型号研制中组织实
施。
2.5大力加强人员培训工作
    波音公司在B-777研制中，把对工程技术人
员的CATIA技术培训放在非常重要的位置上，总
共花费几亿美金。目前我们飞机厂、所工程技术人
员CATIA的使用水平整体上说是很低的，急需进
行各级水平的培训。建议总公司组织专门机构对飞
机行业的有关工程技术人员进行全面CATIA技
术培训，给其颁发CATIA上岗合格证书，使具备
参与飞机型号研制的必要条件，同时对各级领导进
行有关计算机知识的普及培训。
作者简介
    徐微，女，1945年生，高工，1967年毕业于哈尔滨军事
工程学院飞机设计专业。多年从事CAD/CAM专业的研究
工作，19 91年调入中航总科研局计算机处从事航空预研项
目的技术管理工作。
The Paperless Design Technique for Airplane in Boeing
                Xu Wei
(Aviation Industries o f C.hina, Beijing 100712)
     Abstract  It is a new milestone in aeronautic history that B-777s have been successfuly
built in Boeing with the aid of paperless design technique. The paperless disign technique
generalizes the B- 777 strategy for computer product definition, digital preassembly for fit
check, and concurrent product development. This paper gives a description of the general
conditions of airplane paperless design in Boeing.
   Key Words  Paperless design  Digital product definition  Digital preassembly
Concurrent production definition  PDM

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波音公司在西雅图地区共有11台大型IBM主机