飞机结构复杂，零件及连接件数量多，且包括很多形状复杂、尺寸大、刚性小的零件，对制造准确度要求高。为保证产品制造准确度及互换协调性，飞机制造过程中采用大量成套工艺装备(“工装”)。工装设计是飞机研制过程中重要的一环，占飞机生产准备周期相当大的比例，是影响新机研制周期的主要因素之一。
为了缩短飞机生产准备周期，国内一些大型航空制造企业已建立工装设计的PDM协同化设计平台。采用飞机产品设计与工装设计并行的工作模式。然而，飞机工装的协同设计有其如下自身的特点和难点。
1)飞机工装结构复杂、尺寸大，包含的零部件数量多，设计流程长。在协同设计模式下，工装设计在飞机产品设计某个重要阶段数据预发放后就会开始，而后续的工艺、制造、质检等部门也会尽早参与设计方案评审，及早发现问题以减少设计缺陷，避免返工。而工装设计数据到何时、达到何种程度才可以发放，需要有一个统一的标准。
2)飞机工装设计需协调的专业部门多，业务流程复杂，且有时要求工装设计与工装制造、装配等环节并行开展。为了保证按时完成各自的任务，不同部门需要了解工装设计进度，以便合理安排工作计划。
3)飞机工装数据量大，且由于依赖于飞机产品数模，在研制阶段产品设计更改频繁，造成了工装设计更改频繁，尤其在并行环境下更是如此。
如何管理和控制好飞机工装的设计流程及数据一直是个十分棘手的问题。在综合考虑以上问题的基础上，本文提出一种基于成熟度的工装设计管理方法，解决所遇到的工装协同设计管理问题。目前，基于成熟度的研究多以技术成熟度、制造成熟度为主，针对设计成熟度的论述还不多见。从量化的角度探讨了协同产品设计成熟度及其预测方法，但没有结合设计过程中的签审等环节定义成熟度等级，不便用于工程实践。
1 飞机工装协同设计成熟度定义
在协同设计工作模式下，工装设计工作一般在飞机产品初步设计阶段完成后就开始启动，首先拟定工艺总方案，接着制定质量保证大纲，确定装配协调方案；当飞机理论外形冻结之后，开始标准工装的设计，同时启动部件和零件制造工艺设计，包括装配工装的设计、装配工装的制造等完整的产品结构确定后开始，而零件制造工装的生产要在强度分析最终验证通过、零件细节标注完成之后进行，此时，零件也同步开始投产。
从以上过程不难发现，工装的设计制造与飞机产品的设计制造息息相关，为了更好地管理工装设计流程，分析工装设计流程，定义其成熟度等级是十分必要的。
1.1 飞机工装设计及数据管理流程分析
工装设计是工装生命周期中最重要的活动之一，是从无到有的创造性活动，是其它活动的基础。一般说来，飞机工装生命周期包括从需求制定到报废等活动（见图1），本文主要研究工装设计环节。
图1 工装生命周期业务流程
飞机工装设计流程总体上可分为需求分析、工装设计申请(Tooling Order，TO)、工装设计及发放3个阶段，其中，工装设计阶段又可进一步分为初步设计、详细设计和最终设计3个阶段。伴随着设计过程的推进，不断产生大量的与设计相关的数据及文件（如工装数模、TO、TBOM等），图2展示了完整的工装数据管理流程。
图2 工装数据管理流程
成熟度(Maturity Level，ML)是一种联系业务流程、管理流程和支持流程的关键技术，通过在业务流程中对工装成熟度(Tooling Maturity)的等级进行定义，在管理流程中对工装成熟度的状态进行管理。需要说明的是，成熟度管理仅用在工装数据正式发布之前，在数据发布形成正式版本之后发生的更改则不采用成熟度控制。
1.2 工装设计成熟度定义及等级划分
设计成熟度是指设计工作的进度和完成的程度，工装设计成熟度是指协同设计过程中工装设计的进展和完成的程度，具体地说，是对工装定义数据完成情况和详细程度的描述。根据成熟度情况将达到一定技术状态的定义数据（包括工装结构信息、几何信息、工艺信息、分析结果、技术说明和检测结果等）提供给用户，以便于下一步工作的顺利开展。
按照设计数据达到的详细程度，将工装成熟度定义为TML1-TML5五个等级，具体的分级说明见表1。
表1 工装设计成熟度分级说明
2 基于成熟度的协同设计管理和控制
根据以上对工装设计成熟度等级的定义，建立如下的工装设计成熟度模型（见图3）。基于成熟度的工装设计管理方法在产品数据管理平台中赋予工装数据成熟度标识，以反映设计对象从开始设计到发布的进展情况，为相关工作的协同提供依据。
图3 工装设计成熟度模型
基于成熟度的工装设计管理在企业PDM平台上实现，每个数模或文件都具有自身的成熟度属性。产品数据的属性信息中包括“成熟度等级”属性，标识该数据所处的成熟度状态。用户在该平台中查找到各产品数据进行浏览时，将能查看到该数据的成熟度等级信息。
2.1 成熟度升级管理
按照上述对工装设计成熟度及其等级的定义，结合工装设计流程，建立成熟度的升级管理方法。为了便于对成熟度升级进行控制，一般应将成熟度升级节点定义在相关数据或文件签审通过之后。
工艺员在编制工艺过程中，如果有使用工装的需求，就会在PDM系统中创建COT(工装技术条件)。此时，成熟度属性项为空，然后进行工艺分析和工艺立项，工艺部和工装部进行技术条件协商，工装需求确定之后，工装成熟度达到TML1级。根据协商结果，如果需要设计一套新的工装，则由工艺部工艺人员负责在PDM系统上创建TO（工装指令）文档，系统会自动启动TO签审流程，由工艺部、生产控制部、工装部根据流程一起负责对To文档进行签审，然后，由生控部负责TO的发放，工装成熟度进入TML2级。工装部设计人员接到TO后，首先研究TO中的技术要求等内容，明确工装的功能，再结合工装的协调要求，拟定初步设计方案，包括框架结构、定位夹紧方式等的选择，工装成熟度达到TML3级。进入详细设计阶段，工装设计人员利用CATIA软件设计出工装的三维模型，进而导出二维图样，完成相关标注，填写标题栏、明细表以及技术要求等信息，全部设计工作完毕后，工装成熟度升级为TML4级。工装设计工程师负责启动工装发布签审流程，工装部、工艺部负责对工装设计图纸进行签审，生产控制部将工装设计数据正式发放到工艺部和车间，此时，工装成熟度升为TML5级，表明工装设计阶段完成。
以上成熟度由工艺部、工装部、生控部相关人员在PDM平台上进行，工装成熟度的升级伴随着一系列的审批和签审流程，一旦成熟度发生变化，系统会自动更新数据库，其它部门相关人员可同步获知变化后的成熟度状态。
2.2 成熟度降级管理
在工装数据成熟度TML2到TML5过程中，所有数据更改直接影响到下级用户的工作，另外，飞机产品本身数据频繁的更改也会导致相关工装的更改。为保证工装满足技术要求和控制生产成本，在工装数据信息需要发生更改，并影响到成熟度时，设计人员和制造人员均可提交成熟度降级申请，并重新开展相应工作。
成熟度降级申请用于控制成熟度TML2到TML5阶段，在对工装数据的该阶段数据进行更改、部分取消等操作时，需填写成熟度降级申请，申请内容主要包括：1)降级原因（工程更改、工艺变更等）；2)更改内容；3)更改后等级。
成熟度降级申请由造成更改原因的部门人员发出，经过部门负责人批准后方可执行，因成熟度降级可能造成重大损失而无法决策时，由协同设计团队(IPT)整理受影响内容及损失情况，以副页形式，提交上级管理部门批准。
3 应用实例
图4为基于成熟度的工装协同设计管理方法的一个企业应用实例，当飞机平尾前梁工艺总方案拟定之后，工艺部工艺人员就会进行工艺分析和立项，首先在PDM平台上（示例企业采用Windchill）创建COT，明确工装需求，将成熟度属性定义为TML1，然后在Windchill平台上创建TO，经签审后发放到工装部，同时完成成熟度等级升级。工装设计人员接到TO后，首先拟定初步设计方案，升级成熟度，接着进入详细设计阶段，利用CATIA软件进行三维建模和数据标注，全部设计完毕后，成熟度升级为TMLA。启动工装数据签审及发放流程，工装数据发放到工艺部和车间后，工装成熟度达到最高等级。在成熟度TML2至TML5期间，任何引起成熟度等级变化的数据更改在实施之前，需先提交降级申请，批准后方可执行。
图4 平尾前梁装配型架成熟度定义及在PDM平台七的实现
4 结束语
本文详细分析了飞机工装的设计及数据管理流程，定义了工装设计成熟度等级，建立了成熟度管理模型，给出了具体的管理流程和控制方法。基于成熟度的工装协同设计管理方法已在国内某大型航空制造企业实施，并取得了良好的应用效果，为工装协同设计提供了依据，使工装设计效率大幅提高，工装设计周期明显缩短，同时，工装设计质量也得到保证。
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