飞机框类零件制造模型及其数字化设计与应用.doc

研究生专业课程考试答题册得分：学 号 姓 名 考试课程 数字化设计制造技术概要 考试日期 201X年 X月 西北工业大学研究生院飞机框类零件制造模型及其数字化设计与应用(西北工业大学, 陕西 西安 710072)摘要：随着计算机技术和网络技术的发展,CAD、CAM融合网络技术产生了新的制造模式,即以数字量传递为基础的数字化设计制造技术。航空钣金件及其数字化设计制造在整机研制中的重要性不容忽视,钣金件的数字化设计制造有着与其他制造加工方法不同的特点。本文以典型的飞机框类零件为切入点，阐述飞机框类零件制造模型内容及定义方法，以XX机型XX号加强框为例，用CATIA建立数模，并建立基于该模型的应用方案。关键词 制造模型；数字化设计；飞机制造Digital Design and Application of Aircraft Frame Parts Manufacturing ModelNie Kou zhun (School of Mechatronics, Northwestern Polytechnical University, Xian 710072, China)Abstract: With the development of computer and network,digital designing and manufacturing technology is coming. Which is based on the transmission of digital quantity.In the mode,digital model of the machine is the foundation of all.Taking a typical aircraft frame part as the breakthrough point, this paper will explain the plane frame model content and the definition method of parts. With the help of CATIA, this paper build the model of reinforced frame which from XX type plane ,and provide the application program based on this model.Key words: Manufacturing model; Design of digital; Aircraft manufacturing1 引言在飞机制造工程中，钣金零件制造是重要组成部分。框肋、蒙皮、壁板等典型钣金零件构成飞机机体的框架和气动外形，钣金制造技术的发展对提高飞机性能、加快飞机产品发展、降低飞机研制费用具有重要意义1。我国航空制造业自八十年代起采用 CAD 来描述飞机理论外形，开始迈出了数字化制造的步伐。经过近三十年的发展已经取得了显著成效，数字化技术在产品设计、制造、管理的各个环节正在被广泛推广应用，诸如 CAD、CAPP、CAM、PDM 和 ERP 技术与系统的应用较为普及，产品研制周期明显的缩短，同时保证了设计制造的质量2。谈到飞机零部件自然离不开钣金零件，钣金零部件的制造更是飞机制造过程中的重要组成部分，飞机机体的框架和气动外形主要由蒙皮、壁板、框肋等钣金零件构成。因此，钣金制造技术水平直接关系到整个飞机产品的的制造发展、飞机的性能及研制成本。数字化是现代航空制造技术的一个重要特征，是飞机钣金制造技术发展的趋势。传统飞机钣金制造技术最为显著的特点是以模线、样板等“模拟量”作为零件信息载体传递到工艺装备。随着数字化技术的应用，“数字量”逐渐取代了“模拟量”成为钣金制造要素信息载体。“数字量”信息具有精确、安全、传递易行、并行分布式处理、容量大等优点。钣金制造要素信息表达的“数字化”，导致信息处理方式的变化及由此带来的技术手段和过程等一系列变化，形成飞机钣金数字化制造技术1。通过与以往的设计方法对比，引出制造模型的数字化定义，进一步的研究钣金类零件制造数模设计技术，实现制造数模快速、规范建立。不仅可以规范制造数模的建立方法，确保三维工艺信息的有效可靠，而且提高工艺设计效率，避免人为操作错误。从而为工艺设计数字化奠定一定的基础，缩短工艺设计和工艺准备周期，对新机研制的进度和质量的提高具有重要意义。产品数据包含产品设计数据、制造模型数据、工艺数据和工装数据等, 以往的研究多集中在对产品设计数据的管理。零件制造模型定义与管理是为了满足数字化制造需求而出现的新技术, 建立钣金零件制造模型管理体系, 符合钣金数字化制造的发展趋势和广泛应用的要求。本文以典型的飞机框类零件为切入点，阐述飞机框类零件制造模型内容及定义方法，以XX机型XX号加强框为例，用CATIA建立数模，并建立基于该模型的应用方案。2 面向制造的零件模型2.1 当前数字化定义中存在的问题在目前制造环境中,仅靠三维模型数据进行加工还存在不足。因为目前仅依靠三维模型数据,往往难以直接进行产品生产和检验,即三维模型数据中未能按照让阅读者立刻明白的方式将生产技术、模具设计与生产、部件加工、部件与产品检验等工序所必需的设计意图添加进来3。虽然三维数据包含了二维图纸所不具备的详细形状信息,但三维模型数据中却不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面处理方法、热处理方法、材质、结合方式、间隙的设置、连接范围、润滑油涂刷范围、颜色、要求符合的规格与标准等仅靠形状而无法表达的非形状信息。西北工业大学王俊彪教授和刘闯副教授指出，数字化制造对产品建模提出的新要求根源于制造的两个工程特性4：（1）制造的不准确性要求在模型中表达公差及尺寸信息；（2）制造的多工序性要求面向工艺链表达工序件信息。由此可知以前的定义方法存在着许多的不足，需要新的数字化定义方法来帮助零部件的快速制造。2.2 MBD与制造模型基于模型的定义是用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，从而消除或者减少2D图纸，供下游用户使用。模型是带有标注的三维CAD模型，包括几何形状特征、尺寸公差、注释以及与制造、管理相关的属性，定义是三维实体模型建模及模型中产品尺寸与公差的标注规则和工艺信息的表达方法。在三维模型中集成尺寸、公差等注释性标注,同时辅以零件表等制造文件对产品进行全面描述的一种方式。它取代了二维图纸成为协同设计共享中的唯一授权资料,设计、工艺制造等，方面的人员共同围绕该数据集进行产品的设计、制造、检验等一系列工作。基于模型的数字化定义以产品数据集作为产品定义的核心组织。相对以往的方式，如图1.1。图1.1 产品定义的变化历程制造模型是相对于设计模型而提出的，是产品制造周期工艺过程阶段工序件信息的描述。制造模型是以零件设计模型为基础，在综合考虑制造工艺过程和工艺资源的基础上，所定义出的控制零件制造过程的数字模型。制造过程由多工序构成，制造模型由工序件模型构成，其定义既有几何问题，更有物理问题。制造模型是多态的、衍化的，工序件模型反映了加工过程中材料控形和改性的不同要求，并组成相互关联的一个整体。模型数据反映了对构成产品的各种元素的分类管理,如几何元素、注释元素、参考几何体等,这些信息元素是构成完整产品模型定义的一部分,它们之间既相互独立,又相互关联,基于这种粒度的管理,实现了设计模型信息的有序可控；图1.2提供了一个完整工程信息的产品模型。图1.2 完整工程信息的产品模型3 飞机框类零件制造模型及其数字化设计3.1 制造模型在钣金件数字化制造中的应用钣金零件成形工艺的特性决定了其制造模型是由从毛坯到成品零件的多个状态组成的集成模型,即多态模型5；在以模拟量传递为主的制造模式中，零件制造工艺各个环节的工序件没有严密的数字化定义，零件制造准确度难以提高。制造模型是把传统制造模式中以模拟量作为载体的工序件形状和尺寸信息采用数字量表达和定义。基于制造模型的数字量传递与控制的实质是制造模型直接用于成形模具设计、检验工装设计、制造指令设计、工艺参数设计等环节，消除了从检验标准装备到工作装备再到零件的模拟量传递若干中间环节引起的误差，实现精密、快速和低成本的制造，即：工件模型用作标准工装、工作装备等制造依据的数字化定义和模型直接传递，提高制造效率，工艺模型用作成形模具、工艺参数设计和制造操作的依据为优化的工艺模型，实现精密成形，减少反复试错过程和手工校形，降低制造成本，缩短制造周期。钣金零件成形工艺的特性决定了其制造模型是由从毛坯到成品零件的多个状态组成的集成模型,即多态模型。多态模型采用系统的观点组织零件信息, 来表达钣金零件制造模型, 建立了钣金零件制造过程的时间坐标上“定常状态”组成的信息集合。从毛坯到成品件的制造全过程中, 其中某一特定时刻钣金零件制造信息的总体即为零件状态。状态以不同结构特征来区别, 根据制造过程的需要, 制造态可以划分为毛坯态、中间件态、成形件态、成品件态等。飞机钣金零件典型状态如表16所示。3.2 框类零件的制造模型内容及定义方法框类零件是飞机中最常见的钣金件，框分为普通框和加强框，普通框用于维持飞机外形固定蒙皮、桁条；加强框用于承受来自机翼、尾翼、起落架、发动机和货物的集中力并把这些力传到蒙皮上。框的自身平面内刚度较大，借助于蒙皮能很好地承受自身平面内的横向弯曲，框类零件非常适合这种受力环境。框类零件的制造模型状态如表26所示。飞机钣金零件尺寸各异, 结构复杂, 零件结构由不同的结构要素组成，框类零件结构复杂，特征繁多；需要获取的零件信息包括工程设计信息、零件分类信息、零件几何信息，详细的步骤如下：（1）制造模型规划：根据零件设计模型和工艺链信息，参照制造模型状态划分的原则与依据，确定制造模型中状态的个数和内容。（2）几何模型定义：根据状态方案和设计模型，由不同的部门和角色定义工件模型和工艺模型，以支持工艺和工装设计。各个制造态模型数字化定义顺序与工序顺序不尽相同。（3）几何模型优化：制造状态定义完成后对状态几何模型进行工艺性分析，对状态几何模型进行优化。制造模型的优化是减少产品研制中反复试错的有效方法。本文以XX机型的XX号加强框为例，给出框类零件制造模型数字化定义过程和结果，使用CATIA建立数模，其关键技术包括毛坯定义（复杂曲面展开）、下料工艺模型定义（钣金零件综合排样）、基于回弹修正的成形工艺模型定义、基于结构要素展开的过渡工件定义等。加强框包含弯边、下陷、加强槽、减轻孔等特征，建模思路如下：确定框、及桁条的占位，建立内缘正确的加强框毛坯，对应的CATIA环境使用草图和凸台；生成缘条的内、外缘使用曲面分割；确定缘条宽度，使用多截面实体或凹槽；缘条厚度（保留左、右角度有变化的满筋结构），使用多凹槽；拔模出缘条与腹板的角度，使用拔模；生成所有筋条，使用多凸台；将满筋加工到需要的尺寸，使用分割；腹板的厚度，使用厚度；腹板上的凸台，使用多凸台；腹板上的孔，使用凹槽；倒圆角和倒棱，使用倒圆角和倒棱。一些特征可以在CATIA的钣金设计模块进行建立，耳片、下陷、减轻孔、加强槽的建立结构如如下图：图 2.1 部分特征建立结果整体效果如图2.2，图 2.2 加强框的CATIA模型进入CATIA的Function Tolerancing &Annotation模块对装配件加强框的个个零件进行三维信息标注，如图2.3，图 2.3 三维标注3.3 基于框类零件的制造模型的应用 制造模型是把传统制造模式中以模拟量作为载体的工序件形状和尺寸信息采用数字量表达和定义。基于制造模型的数字量传递与控制的实质是制造模型直接用于成形模具设计、检验工装设计、制造指令设计、工艺参数设计等环节，消除了从检验标准装备到工作装备再到零件的模拟量传递若干中间环节引起的误差，实现精密、快速和低成本的制造，即：工件模型用作标准工装、工作装备等制造依据的数字化定义和模型直接传递，提高制造效率，工艺模型用作成形模具、工艺参数设计和制造操作的依据为优化的工艺模型，实现精密成形，减少反复试错过程和手工校形，降低制造成本，缩短制造周期。本例的加强框零件制造模型的应用方案如下图：图 2.4 加强框零件制造模型的应用方案4 结束语当前产品数据管理( Product Data Management, PDM) 主要用于管理产品设计过程中产生的数据和文档, 对零件制造阶段的活动定义与数据管理涉及很少7，新的基于制造模型的定义方法有以下的优点：(l) 改变了传统的信息授权模式，产品在数据集中不再有二维图纸信息,产品模型定义包含了诸如尺寸公差等显式信息的所有描述。新的信息授权模式更适合网络化设计制造环境,减少了由实物信息传递带来的不便和成本。(2) 促进并行研制工作的展开。工程人员可以根据已授权的产品模型开展相关的工程设计,如型架、模具、装配方案以及相关的质量控制计划等工作。由于减少了对实物样件的依赖,使设计与制造之间的信息反馈加快,从而加快了设计循环步骤,提高了设计能力。基于制造模型的数字化定义技术解决了设计部门与承包生产部门之间信息传递必需依靠图纸的现状,有效地提高了设计信息传递的速度和便利性,减少了实物信息传递,进而减少了设计的成本。该技术的应用加强了设计与制造之间信息协同共享程度,即设计者与制造者之间只需要通过网络即可实现设计意图与制造意图描述的双向传递。此外,基于模型的定义技术还进一步推进了并行工程在设计与制造之间的应用,制造人员可以更容易、更准确地获得设计信息,更早地介人工程设计过程。基于模型的定义技术的研究与应用将推动数字化技术在制造业中顺利实施,在更高层次上实现设计制造一体化。面向制造的飞机产品模型数字化定义技术在飞机研制中推广及应用，将有效提升飞机的数字化制造能力。参考文献1 刘闯，王俊彪，黄俊，熊杰. 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