飛機結構復雜，零件及連接件數量多，且包括很多形狀復雜、尺寸大、剛性小的零件，對制造準確度要求高。為保證產品制造準確度及互換協調性，飛機制造過程中采用大量成套工藝裝備(“工裝”)。工裝設計是飛機研制過程中重要的一環，占飛機生產準備周期相當大的比例，是影響新機研制周期的主要因素之一。
為了縮短飛機生產準備周期，國內一些大型航空制造企業已建立工裝設計的PDM協同化設計平臺。采用飛機產品設計與工裝設計并行的工作模式。然而，飛機工裝的協同設計有其如下自身的特點和難點。
1)飛機工裝結構復雜、尺寸大，包含的零部件數量多，設計流程長。在協同設計模式下，工裝設計在飛機產品設計某個重要階段數據預發放后就會開始，而后續的工藝、制造、質檢等部門也會盡早參與設計方案評審，及早發現問題以減少設計缺陷，避免返工。而工裝設計數據到何時、達到何種程度才可以發放，需要有一個統一的標準。
2)飛機工裝設計需協調的專業部門多，業務流程復雜，且有時要求工裝設計與工裝制造、裝配等環節并行開展。為了保證按時完成各自的任務，不同部門需要了解工裝設計進度，以便合理安排工作計劃。
3)飛機工裝數據量大，且由于依賴于飛機產品數模，在研制階段產品設計更改頻繁，造成了工裝設計更改頻繁，尤其在并行環境下更是如此。
如何管理和控制好飛機工裝的設計流程及數據一直是個十分棘手的問題。在綜合考慮以上問題的基礎上，本文提出一種基于成熟度的工裝設計管理方法，解決所遇到的工裝協同設計管理問題。目前，基于成熟度的研究多以技術成熟度、制造成熟度為主，針對設計成熟度的論述還不多見。從量化的角度探討了協同產品設計成熟度及其預測方法，但沒有結合設計過程中的簽審等環節定義成熟度等級，不便用于工程實踐。
1 飛機工裝協同設計成熟度定義
在協同設計工作模式下，工裝設計工作一般在飛機產品初步設計階段完成后就開始啟動，首先擬定工藝總方案，接著制定質量保證大綱，確定裝配協調方案；當飛機理論外形凍結之后，開始標準工裝的設計，同時啟動部件和零件制造工藝設計，包括裝配工裝的設計、裝配工裝的制造等完整的產品結構確定后開始，而零件制造工裝的生產要在強度分析最終驗證通過、零件細節標注完成之后進行，此時，零件也同步開始投產。
從以上過程不難發現，工裝的設計制造與飛機產品的設計制造息息相關，為了更好地管理工裝設計流程，分析工裝設計流程，定義其成熟度等級是十分必要的。
1.1 飛機工裝設計及數據管理流程分析
工裝設計是工裝生命周期中最重要的活動之一，是從無到有的創造性活動，是其它活動的基礎。一般說來，飛機工裝生命周期包括從需求制定到報廢等活動（見圖1），本文主要研究工裝設計環節。
圖1 工裝生命周期業務流程
飛機工裝設計流程總體上可分為需求分析、工裝設計申請(Tooling Order，TO)、工裝設計及發放3個階段，其中，工裝設計階段又可進一步分為初步設計、詳細設計和最終設計3個階段。伴隨著設計過程的推進，不斷產生大量的與設計相關的數據及文件（如工裝數模、TO、TBOM等），圖2展示了完整的工裝數據管理流程。
圖2 工裝數據管理流程
成熟度(Maturity Level，ML)是一種聯系業務流程、管理流程和支持流程的關鍵技術，通過在業務流程中對工裝成熟度(Tooling Maturity)的等級進行定義，在管理流程中對工裝成熟度的狀態進行管理。需要說明的是，成熟度管理僅用在工裝數據正式發布之前，在數據發布形成正式版本之后發生的更改則不采用成熟度控制。
1.2 工裝設計成熟度定義及等級劃分
設計成熟度是指設計工作的進度和完成的程度，工裝設計成熟度是指協同設計過程中工裝設計的進展和完成的程度，具體地說，是對工裝定義數據完成情況和詳細程度的描述。根據成熟度情況將達到一定技術狀態的定義數據（包括工裝結構信息、幾何信息、工藝信息、分析結果、技術說明和檢測結果等）提供給用戶，以便于下一步工作的順利開展。
按照設計數據達到的詳細程度，將工裝成熟度定義為TML1-TML5五個等級，具體的分級說明見表1。
表1 工裝設計成熟度分級說明
2 基于成熟度的協同設計管理和控制
根據以上對工裝設計成熟度等級的定義，建立如下的工裝設計成熟度模型（見圖3）。基于成熟度的工裝設計管理方法在產品數據管理平臺中賦予工裝數據成熟度標識，以反映設計對象從開始設計到發布的進展情況，為相關工作的協同提供依據。
圖3 工裝設計成熟度模型
基于成熟度的工裝設計管理在企業PDM平臺上實現，每個數模或文件都具有自身的成熟度屬性。產品數據的屬性信息中包括“成熟度等級”屬性，標識該數據所處的成熟度狀態。用戶在該平臺中查找到各產品數據進行瀏覽時，將能查看到該數據的成熟度等級信息。
2.1 成熟度升級管理
按照上述對工裝設計成熟度及其等級的定義，結合工裝設計流程，建立成熟度的升級管理方法。為了便于對成熟度升級進行控制，一般應將成熟度升級節點定義在相關數據或文件簽審通過之后。
工藝員在編制工藝過程中，如果有使用工裝的需求，就會在PDM系統中創建COT(工裝技術條件)。此時，成熟度屬性項為空，然后進行工藝分析和工藝立項，工藝部和工裝部進行技術條件協商，工裝需求確定之后，工裝成熟度達到TML1級。根據協商結果，如果需要設計一套新的工裝，則由工藝部工藝人員負責在PDM系統上創建TO（工裝指令）文檔，系統會自動啟動TO簽審流程，由工藝部、生產控制部、工裝部根據流程一起負責對To文檔進行簽審，然后，由生控部負責TO的發放，工裝成熟度進入TML2級。工裝部設計人員接到TO后，首先研究TO中的技術要求等內容，明確工裝的功能，再結合工裝的協調要求，擬定初步設計方案，包括框架結構、定位夾緊方式等的選擇，工裝成熟度達到TML3級。進入詳細設計階段，工裝設計人員利用CATIA軟件設計出工裝的三維模型，進而導出二維圖樣，完成相關標注，填寫標題欄、明細表以及技術要求等信息，全部設計工作完畢后，工裝成熟度升級為TML4級。工裝設計工程師負責啟動工裝發布簽審流程，工裝部、工藝部負責對工裝設計圖紙進行簽審，生產控制部將工裝設計數據正式發放到工藝部和車間，此時，工裝成熟度升為TML5級，表明工裝設計階段完成。
以上成熟度由工藝部、工裝部、生控部相關人員在PDM平臺上進行，工裝成熟度的升級伴隨著一系列的審批和簽審流程，一旦成熟度發生變化，系統會自動更新數據庫，其它部門相關人員可同步獲知變化后的成熟度狀態。
2.2 成熟度降級管理
在工裝數據成熟度TML2到TML5過程中，所有數據更改直接影響到下級用戶的工作，另外，飛機產品本身數據頻繁的更改也會導致相關工裝的更改。為保證工裝滿足技術要求和控制生產成本，在工裝數據信息需要發生更改，并影響到成熟度時，設計人員和制造人員均可提交成熟度降級申請，并重新開展相應工作。
成熟度降級申請用于控制成熟度TML2到TML5階段，在對工裝數據的該階段數據進行更改、部分取消等操作時，需填寫成熟度降級申請，申請內容主要包括：1)降級原因（工程更改、工藝變更等）；2)更改內容；3)更改后等級。
成熟度降級申請由造成更改原因的部門人員發出，經過部門負責人批準后方可執行，因成熟度降級可能造成重大損失而無法決策時，由協同設計團隊(IPT)整理受影響內容及損失情況，以副頁形式，提交上級管理部門批準。
3 應用實例
圖4為基于成熟度的工裝協同設計管理方法的一個企業應用實例，當飛機平尾前梁工藝總方案擬定之后，工藝部工藝人員就會進行工藝分析和立項，首先在PDM平臺上（示例企業采用Windchill）創建COT，明確工裝需求，將成熟度屬性定義為TML1，然后在Windchill平臺上創建TO，經簽審后發放到工裝部，同時完成成熟度等級升級。工裝設計人員接到TO后，首先擬定初步設計方案，升級成熟度，接著進入詳細設計階段，利用CATIA軟件進行三維建模和數據標注，全部設計完畢后，成熟度升級為TMLA。啟動工裝數據簽審及發放流程，工裝數據發放到工藝部和車間后，工裝成熟度達到最高等級。在成熟度TML2至TML5期間，任何引起成熟度等級變化的數據更改在實施之前，需先提交降級申請，批準后方可執行。
圖4 平尾前梁裝配型架成熟度定義及在PDM平臺七的實現
4 結束語
本文詳細分析了飛機工裝的設計及數據管理流程，定義了工裝設計成熟度等級，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。基于成熟度的工裝協同設計管理方法已在國內某大型航空制造企業實施，并取得了良好的應用效果，為工裝協同設計提供了依據，使工裝設計效率大幅提高，工裝設計周期明顯縮短，同時，工裝設計質量也得到保證。
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