飞机结构产品的数字化定义

　收稿日期 : 2005204229 　基金项目 : 总装备部预研资助项目 (41318. 1. 323 ,41318. 1. 1. 4) ; 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20020006012) 　作者简介 : 卢　鹄 (1976 - ) ,男 ,河南郑州人 ,博士生 , hoo @buaa. edu. cn. 飞机结构产品的数字化定义 卢　鹄　　范玉青 (北京航空航天大学 机械工程及自动化学院 , 北京 100083) 　　摘 　　　要 : 为满足数字化飞机研制环境对结构产品定义的要求 ,借鉴国外航空企业成 功经验 ,总结了飞机结构产品数字化定义内容的构成. 定义了数字化定义中基准类型 ,并给出 应用实例. 定义了飞机 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中数字样机的概念 ,以及其应用范畴. 对数字化条件下加工制造进 行分析 ,给出了二维制图的指导原则. 提出了融合传统制造信息的概念 ,总结了工艺信息、质量 控制信息在数字化定义中的应用. 分析了数字化定义内容信息颗粒度 ,建立了基于层表的数字 化信息管理模式. 最终为建立满足航空工业数字化工程中数字化定义技术的应用提供了参考 依据. 关 　键 　词 : 航空宇航工程 ; 产品设计 ; 并行工程 ; 数字样机 ; 数字化定义 中图分类号 : TH 166 文献标识码 : A 　　　　文 章 编 号 : 100125965 (2006) 0520526205 Digital definition of aircraft structure product Lu Hu 　Fan Yuqing (School of Mechanical Engineering and Automation , Beijing University of Aeronautics and Astronautics , Beijing 100083 , China) Abstract : In order to meet the requirement of digital information system deployed in aircraft development , studying the aircraft structure product definition is very important . Based on anglicizing the method and process of aircraft development under the digital circumstance , the content and the form of aircraft structure product definition were summarized. The classes and the transformation principle of the axis and datum system were given for the digi2 tal aircraft design. The concept of the digital mockup and its usage were proposed , and the primary principle of the engineering drawings creation was discussed. The manufacture information and the quality control information were integrated into the digital definition to support engineering use. A way to manage all information integrated in the digital definition by layers and filters was introduced. The result consummates the concept of generalized digital defi2 nition and provides a reference instruction to implement digital system for aeronautical engineering. Key words : aerospace engineering ; product design ; concurrent engineering ; digital mockup ; digital definition 　　数字化先进制造技术的发展和应用为航空工 业注入了新的动力 ,设计人员已掌握数字化设计 的基本方法[1 - 2 ] . 然而 ,传统的设计 —工艺 —制造 的串行工作方法使设计产品信息与制造产品数据 之间缺乏系统的联系 ,没有充分体现出产品制造 过程中的特性 ,常常存在着制造厂无法有效使用 设计部门所传递过来的产品定义数据、需要进行 二次设计的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,造成所谓的数字化生产线中断 现象. 因此在现代飞行器研制过程中开展数字化 定义技术研究 ,明确数字化定义内容以及定义过 程就显得尤为重要. 通过对我国转包生产的国外航空企业数字化 应用技术的跟踪与研究 ,并结合我国航空企业在 数字化研制技术的应用特点 ,提出面向并行工程 的飞机结构产品数字化定义. 1 　基准的建立与传递 数字化定义中的基准是建立数字化协调体系 　2006 年 5 月第32卷 第5期 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics May 　2006 Vol. 32 　No15 的关键要素. 基准的建立是根据气动布局以及对 结构安排的要求 ,定义出的产品外形基准及位置 基准. 通常 ,飞机总体设计组给出全机气动外形 (外形基准) 、全机布置图和全机交点图及全机测 量图等位置基准. 1. 1 　定位基准 每一个零部件最终是通过解决零部件之间位 置关系等问题集成到整个飞机产品上的. 因此 ,明 确无歧异的定位基准是飞机产品零件制造和检验 的基础. 这些定位基准主要包含坐标系统、基准 线Π基准面系统和局部定位几何元素等要素. 其中 坐标系统是所有模型定位和尺寸度量的基础. 坐标系统根据用途的不同 ,可以分为机身坐 标系统、辅助坐标系统和局部坐标系统 ,其应用的 范围不同. 1) 机身坐标系. 机身坐标系用来确定零部件 在飞机上的空间位置 ; 2) 辅助坐标系. 辅助坐标系主要用来定义机 身以外的安装件的相对空间位置 ,如机翼装配体 中的坐标系统 ; 3) 局部坐标系. 局部坐标系统用来在建模过 程中确定零部件相对其自身某一特定点的空间位 置 ,用以反映零部件某一特征对应零部件设计原 点的位置. 根据坐标系应用特点 ,机身坐标系采用绝对 坐标系统 ,而辅助坐标系与局部坐标系采用相对 坐标系统 ,3 种坐标系存在着严格的转换关系. 如 图 1 所示. 图 1 　定位基准的定义与传递 图 1 中 ,为定义水平尾翼上翼肋零部件 ,应用 了机身坐标系、辅助坐标系以及局部坐标系. 通过 机身坐标系 ,确定了水平尾翼在飞机上安装的位 置 ;通过辅助坐标系 ,确定了水平尾翼上各零部件 相对水平尾翼原点的位置 ;最后通过局部坐标系 , 定义了翼肋零部件中各特征相对零部件原点的位 置.准确的应用坐标系统是实现数字化协调体系 的基础. 在定位基准系统中 ,除了坐标系统 ,还定义了 基准线Π面系统. 其作用是更方便、更有效地表达 飞机产品的空间位置. 如图 1 中的基准线局部视 图. 在设计一个处于关键装配位置的零部件时 , 可能出现同时采用多种站位线定位的情况. 如图 2 中 A 点是装配的关键位置点 ,在机翼前梁的装 配件定义过程中需使用前缘站位线 LE 来定义其 空间位置 ,以便前梁装配时肋的定位和检查 ;在机 翼总装定义的过程中 ,需要使用机翼站位线 WS 定义其在整个机翼辅助坐标系统下的位置 ,方便 机翼总装时的装配和检查 ;最后 ,在飞机总装定义 过程中 ,该点仍为关键定义点需要保证 ,此时 ,则 需要用机翼纵向线 WBL 来定义其所在位置 ,以保 持与机身坐标系一致. 图 2 　站位线应用 1. 2 　外形基准 零部件外形的基准 ,一般为飞机的理论外形 (空间曲面模型) . 外形基准不仅可以用来定义产 品结构的形状 ,同时它们也是产品与工装协调的 外形基准. 外形基准可以分为 2 种 ,一种基准是飞 机主尺寸表面模型 MDS (Master Dimension Sur2 face) ,它是通过风洞试验 ,最终确定的飞机理论外 形 ;另一种是派生的基准 ,它们可以由 MDS 生成 , 也可以由相关零部件的某一个表面生成 ,主要用 来保证相关零部件产品之间的协调性. 图 1 中 ,用主尺寸表面模型 MDS 作为翼肋零 件的外形基准. 这些外形表面模型还是制造过程 中的外形基准 ,如数控加工中的走刀曲面. 因此表 面边界要大于零部件实际的表面尺寸 ,以满足零 725第 5 期 　　　　　　　　　　　　　卢 　鹄等 :飞机结构产品的数字化定义 部件边界外形过渡的要求. 2 　数字化定义中的基本模型 在数字化产品设计过程中 ,设计人员 (包含工 艺等设计人员)在计算机环境下进行设计工作 ,工 作对象是数字化的产品模型 ,用以支持实现产品 由粗到细的设计过程 ,以及数字化制造、装配等仿 真过程. 2. 1 　数字样机 数字样机是计算机辅助飞机设计过程中使用 的一个术语 ,它包含了预装配模型在内的三维产 品数字模型. 数字样机的定义过程不仅包含零部 件的三维模型 ,还包含零部件数字化预装配的过 程. 数字样机主要用于工程设计、加工制造和产品 拆装维护的模拟 ,它覆盖了产品从概念设计到维 护服务的整个生命周期 ,是支持产品设计和工作 流程控制、信息传递与共享和决策制定的公共数 据. 数字样机概念的建立是基于传统制造系统中 的物理样机 ,通过用反映一定物理样机功能的数 字模型来表示物理样机的各实物部分 ,达到减少 物理样机制造的目的[3 ] . 按照飞机研制的不同阶段 ,数字样机的定义 可以划分为 3 级 : 一级数字样机 ,是面向 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计的样机 ,它主 要由主尺寸表面模型、产品模型的包络空间以及 主要的空间位置分布等组成 ; 二级数字样机 ,是面向产品的初步设计 ,它定 义了产品的初步结构形式 ,并完成了产品模型之 间连接界面的干涉检查 ; 三级数字样机 ,是对产品模型的精确定义 ,包 括产品模型应遵循的各种标准所形成的产品尺寸 模型. 数字化定义过程中产品三维模型的建立是 3 级数字样机的演变过程 ,3 级数字样机之间存在 以下关系 :依赖关系 ,即二级样机依赖于一级样 机 ,在建立二级样机过程中 ,一级样机只读 ;生成 关系 ,三级样机由二级样机生成 ,即二级数字样机 是产品数字样机生成过程中的中间状态 ;包含关 系 ,二级、三级样机在设计过程中包含一级样机. 在飞机并行设计阶段 ,数字样机精确地反映 产品的几何形状 ,用以解决产品与产品之间、产品 与工装之间、产品与地面维护设备之间的界面协 调问题 ,同时在数字化制造和维护仿真过程中起 到几何尺寸模拟等作用. 2. 2 　工 程 图 在产品的数字化定义中 ,三维模型是数字化 产品设计的核心 ,而工程图则是指导实物制造过 程中重要的工程信息. 工程图一般由三维模型生 成 ,用来标注零部件的尺寸与公差 ,以及注释说明 零部件在工程制造中的一些特性. 在产品协同设 计组中 ,工程图一般由绘图人员根据已完善的产 品三维模型生成. 与传统设计图纸不同 ,工程图纸不仅要按比 例准确地反映产品的尺寸 ,还需要包含相关的工 艺信息 ,以及采用数字化条件下特征结构绘制与 尺寸标注方法. 工程图的定义具有如下特征 : 1) 工程图中的模线 数字化技术应用的同时仍然部分保留了传统 的模线样板工作方法 ,因此 ,使用该技术制造的产 品零部件的二维图将既是产品图 ,又是样板图 ; 2) 工程图中的三维视图 对零部件图和简单的组件需要三维视图 ,在 图纸空间允许的情况下 ,对主要的组件和装配件 也需要三维视图 ,三维视图用于加深对产品形状 的理解 ; 3) 工程图中的层表视图 每一张图纸中必须包含记录层表的辅助视 图 ,以方便使用者从中对数据模型进行分类查看 和提取 ; 4) 工程图中的特征结构绘制与尺寸标注 由于采用了数字化定义的手段 ,所有产品都 可以由三维的实体模型准确的表示 ,特征结构的 绘制将直接采用投影的方法生成 ,不再采用传统 方式下的绘制方法 ,所绘制的特征需要在工程图 中进行标注. 同时 ,对于数控设备加工的产品 ,工 程图可以按简化尺寸标注的方法进行标注. 3 　产品的制造信息定义 在面向制造、质控的数字化定义过程中 ,设计 人员不仅要定义出产品的尺寸形状 ,还需要定义 出产品制造检验等的工艺信息. 这些信息需要 IPT( Integrated Product Team)工作组中的工艺、质量 等人员来共同定义. 工艺信息一般添加在工程数据集中 ,当工艺 过程复杂或工程数据集无法表达工艺信息时 ,则 根据需要生成相关的制造数据集. 零部件工艺设计人员确定零部件因制造过程 需要而留有的余量、导孔和其它要求 ,如图 3 所 示.零部件在制造过程中不同阶段的状态可以存 825 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 　　　　　　　　　　　 　 　　2006 年 图 3 　零件的工艺信息设计过程 放在不同的层 (layer)中 ,以分类使用. 这些工艺数 据与产品设计数据一起组成了完整描述产品的数 据集. 通常在生产中 ,制造和检验是按照零部件图 纸以及零部件表共同确定的. 在数字化定义的产 品数据集中 ,定义了产品与几何尺寸相关的信息 内容 ,至于零部件的加工方法和检验要求步骤要 在零部件表中定义. 对于航空复合材料零部件而言 ,由于其产品 结构的特殊性 ,需要在定义零部件产品的过程中 就定义出零部件铺层的铺设过程. 因此 ,复合材料 零部件的数字化定义本身是与复合材料的加工工 艺紧密结合的 ,其产品数字化定义的内容即为各 工艺阶段零部件状态的内容. 3. 1 　数字化定义中工艺信息的分类 在并行数字化定义中 ,工艺人员需要根据产 品制造要求 ,完成以下种类工艺信息的定义 : 1) 工装设计基准的定义 进行工装 (钣金、机加、装配等工装装备)的数 字化设计是实现数字化传递体系的重要一环 ,工 装的设计必须保证产品设计过程中的协调. 工装设计过程中协调是通过使用与零部件设 计过程中一致的定位基准、外形基准来保证的. 通 常 ,这些基准游离于零部件模型本身 ,多以辅助基 准参考信息的形式出现在模型中. 2) 建模辅助基准信息 一般根据定义产品零部件对象的特点 ,首先 需要定义一些辅助的点、线、面等几何信息 ,以帮 助产品几何模型的建立. 一般这些信息在建模结 束后应该予以保留 ,以便后续环节的工艺人员利 用这些信息作为定义工装模型的依据或参考. 3) 产品模型中工艺结构信息的定义 在制造产品的过程中 ,为了方便产品的加工 定位、搬运等要求 ,需要在设计过程中定义产品的 某些工艺结构. 4) 影响质量控制的关键特性定义 关键特性 KC ( Key Characteristics) 是材料、零 部件或过程的特征. 它们的变化对产品的配合、性 能、服务寿命或可制造性影响最大. 因此 ,为了适 应先进的质量控制体系 ,需要在设计阶段通过与 质控人员的协同工作 ,确定出零部件的关键特性. 需要定义的产品关键特性有 :影响装配的外 形、定位特征 ,影响产品性能的外形特征 ,影响产 品寿命的特征. 在设计组定义关键特性时 ,影响装 配以及产品性能的外形或位置特征需要在二维图 纸模型中定义 ,通常它们的表现形式为尺寸和公 差. 3. 2 　完善工艺信息的意义 工艺信息是数字化定义中的重要内容 ,完善 的数字化定义减少了传递过程中对延拓信息的增 减而带来对数据集的频繁更改 ,提高了设计效率 , 保证了数据的一致性与稳定性. 数据集中定义工 艺信息有以下意义 : 1) 解决设计制造信息延拓的矛盾 在现有的体系下 ,设计所仅负责产品的设计 工作 ,负责发放产品的图纸和三维模型 ,它们仅准 确地描述出产品零部件的最终形状和尺寸 ,未能 考虑零部件制造的中间状态和部件装配过程中的 各种要求. 当制造厂根据图纸和三维模型进行制 造加工时 ,由于制造过程的特殊要求 ,在制造过程 中 ,中间零部件产品 (毛坯、半成品等)与其最终产 品形状尺寸不一致 ,因此制造厂并不能完全按照 设计所给出的数字化模型和图纸进行加工 ,需要 进行制造工艺的再设计 ,并对原设计图纸进行修 改.而在目前的设计制造体制下需要经过多方面 的协调才能完成 ,这种重复性工作大幅地延长了 研制周期. 因此 ,有必要将制造过程中需要的工艺信息 直接在设计阶段的数字化模型中定义 ,即设计组 最终给出的模型中包含后续制造所需要的信息 , 使制造厂的工艺部门不需要修改数字模型和图 纸 ,就可以完成按照数字化定义制造的要求. 2) 提高数字化模型的使用效率 925第 5 期 　　　　　　　　　　　　　卢 　鹄等 :飞机结构产品的数字化定义 将工艺需要的信息定义在结构产品的数字化 模型中可以明显地提高生产效率. 在飞行器结构 产品中 ,无论是钣金零部件、复合材料件还是装配 零部件 ,其形状、安装定位都是通过工装模具、型 架等实现的. 在工装设计过程中需要将结构产品 的外形以及位置信息接收过来 ,以保证设计的工 装与产品之间的协调性. 因此 ,在使用定义有工艺 信息 (如有工艺定位信息、外形信息等) 的数字化 模型时 ,可直接方便地利用它们来定义成形模具 和装配工装等. 4 　产品模型定义的组织管理 采用数据集的方式 ,将设计、工艺等集成在一 个工作包中 ,势必带来数据繁多、管理复杂的问 题. 因此 ,在数字化定义的工程数据集中 ,还需要 定义层表 ,以区别不同类型的数据[4 ] ,如图 4 所 示. 图 4 　基于层的数字化定义组织管理模式 　　层表管理的粒度是设计、工艺、质量、制图等 分类的信息. 这些信息由 IPT 不同职能成员将相 关信息定义到不同的层中. 同时 ,由于相同类别的 信息仍然有可能由不同工作人员完成 ,因此分配 给工作人员的工作空间也是不同的 ,所以需要将 若干人员的工作内容进行组合 ,建立相关层的层 表过滤器 ,使数据筛选时通过一次操作即可获得 所有相关的信息. 这种分层定义的方法成为工程数据集中数据 组织管理的基本手段. 通过采用不同层及设计不 同层表过滤器的方法 ,使 IPT 成员可以快速准确 获取相关信息. 5 　结 束 语 对飞机产品的设计过程采用并行数字化定义 技术 ,可以顺利地实现在产品全生命周期中以数 字量为基础的传递体系. 进行数字化定义技术的 研究 ,为飞机制造业开展并行工程以及对产品实 施全生命周期管理提供了依据. 数字化定义技术 包含了定义内容和组织管理模式 2 方面内容 ,它 是一项相当复杂而细致、技术性很强的工作. 需在 长期的数字化飞机研制实际工作过程中积累经 验 ,在此基础上进行分析总结、提炼出相应的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 标准 ,这样才能与产品数据管理技术应用一起 ,实 现对飞机产品数据的全生命周期管理. 参考文献 ( References) [1 ] 姚福生. 先进制造技术进展 [J ] . 北京航空航天大学学报 , 2004 ,30 (4) :290 - 295 Yao Fusheng. Development of advanced manufacturing technology [J ] . Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics , 2004 ,30 (4) :290 - 295 (in Chinese) [2 ] 黄双喜 ,范玉顺 ,徐志勇 ,等. 集成化产品生命周期模型研究 [J ] . 航空制造技术 ,2003 (8) :26 - 32 Huang Shuangxi , Fan Yushun , Xu Zhiyong , et al . Research on the integrated product lifecycle model[J ] . Journal of Aeronautical Manu2 facturing Technology ,2003 (8) :26 - 32 (in Chinese) [3 ] 范玉青. 现代飞机制造技术[M] . 北京 :北京航空航天大学出 版社 ,2001 :119 - 142 Fan Yuqing. Modern aircraft manufacture technique [ M] . Beijing : Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press , 2001 :119 - 142 (in Chinese) [4 ] 范玉青. 机械产品数字化定义的数据内容及其组织[J ] . 航 空制造技术 ,2002 (3) :41 - 43 Fan Yuqing. Data content and organization of digital definition for mechanical product[J ] . Journal of Aeronautical Manufacturing Tech2 nology , 2002 (3) :41 - 43 (in Chinese) ( 责任 安全质量包保责任状安全管理目标责任状8安全事故责任追究制幼儿园安全责任状占有损害赔偿请求权 编辑 :彭 　徽) 035 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报 　　　　　　　　　　　 　 　　2006 年