飛機(jī)框類零件制造模型及其數(shù)字化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

/探討生專業(yè)課程考試答題冊得分：學(xué)號姓名考試課程數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)概要考試日期201X年X月西北工業(yè)高校探討生院飛機(jī)框類零件制造模型及其數(shù)字化設(shè)計(jì)和應(yīng)用(西北工業(yè)高校,陜西西安710072)摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,CAD、CAM融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生了新的制造模式,即以數(shù)字量傳遞為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)。航空鈑金件及其數(shù)字化設(shè)計(jì)制造在整機(jī)研制中的重要性不容忽視,鈑金件的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造有著和其他制造加工方法不同的特點(diǎn)。本文以典型的飛機(jī)框類零件為切入點(diǎn)，闡述飛機(jī)框類零件制造模型內(nèi)容及定義方法，以XX機(jī)型XX號加強(qiáng)框?yàn)槔?，用CATIA建立數(shù)模，并建立基于該模型的應(yīng)用方案。關(guān)鍵詞制造模型；數(shù)字化設(shè)計(jì)；飛機(jī)制造DigitalDesignandApplicationofAircraftFramePartsManufacturingModelNieKouzhun(SchoolofMechatronics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)Abstract:Withthedevelopmentofcomputerandnetwork,digitaldesigningandmanufacturingtechnologyiscoming.Whichisbasedonthetransmissionofdigitalquantity.Inthemode,digitalmodelofthemachineisthefoundationofall.Takingatypicalaircraftframepartasthebreakthroughpoint,thispaperwillexplaintheplaneframemodelcontentandthedefinitionmethodofparts.WiththehelpofCATIA,thispaperbuildthemodelofreinforcedframewhichfromXXtypeplane,andprovidetheapplicationprogrambasedonthismodel.Keywords:Manufacturingmodel;Designofdigital;Aircraftmanufacturing引言在飛機(jī)制造工程中，鈑金零件制造是重要組成部分。框肋、蒙皮、壁板等典型鈑金零件構(gòu)成飛機(jī)機(jī)體的框架和氣動(dòng)外形，鈑金制造技術(shù)的發(fā)展對提高飛機(jī)性能、加快飛機(jī)產(chǎn)品發(fā)展、降低飛機(jī)研制費(fèi)用具有重要意義[1]。我國航空制造業(yè)自八十年頭起接受CAD來描述飛機(jī)理論外形，起先邁出了數(shù)字化制造的步伐。經(jīng)過近三十年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著成效，數(shù)字化技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理的各個(gè)環(huán)節(jié)正在被廣泛推廣應(yīng)用，諸如CAD、CAPP、CAM、PDM和ERP技術(shù)和系統(tǒng)的應(yīng)用較為普及，產(chǎn)品研制周期明顯的縮短，同時(shí)保證了設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量[2]。談到飛機(jī)零部件自然離不開鈑金零件，鈑金零部件的制造更是飛機(jī)制造過程中的重要組成部分，飛機(jī)機(jī)體的框架和氣動(dòng)外形主要由蒙皮、壁板、框肋等鈑金零件構(gòu)成。因此，鈑金制造技術(shù)水平干脆關(guān)系到整個(gè)飛機(jī)產(chǎn)品的的制造發(fā)展、飛機(jī)的性能及研制成本。數(shù)字化是現(xiàn)代航空制造技術(shù)的一個(gè)重要特征，是飛機(jī)鈑金制造技術(shù)發(fā)展的趨勢。傳統(tǒng)飛機(jī)鈑金制造技術(shù)最為顯著的特點(diǎn)是以模線、樣板等“模擬量”作為零件信息載體傳遞到工藝裝備。隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，“數(shù)字量”慢慢取代了“模擬量”成為鈑金制造要素信息載體?！皵?shù)字量”信息具有精確、平安、傳遞易行、并行分布式處理、容量大等優(yōu)點(diǎn)。鈑金制造要素信息表達(dá)的“數(shù)字化”，導(dǎo)致信息處理方式的變更及由此帶來的技術(shù)手段和過程等一系列變更，形成飛機(jī)鈑金數(shù)字化制造技術(shù)[1]。通過和以往的設(shè)計(jì)方法對比，引出制造模型的數(shù)字化定義，進(jìn)一步的探討鈑金類零件制造數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造數(shù)模快速、規(guī)范建立。不僅可以規(guī)范制造數(shù)模的建立方法，確保三維工藝信息的有效牢靠，而且提高工藝設(shè)計(jì)效率，避開人為操作錯(cuò)誤。從而為工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化奠定確定的基礎(chǔ)，縮短工藝設(shè)計(jì)和工藝準(zhǔn)備周期，對新機(jī)研制的進(jìn)度和質(zhì)量的提高具有重要意義。產(chǎn)品數(shù)據(jù)包含產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、制造模型數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)和工裝數(shù)據(jù)等,以往的探討多集中在對產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理。零件制造模型定義和管理是為了滿足數(shù)字化制造需求而出現(xiàn)的新技術(shù),建立鈑金零件制造模型管理體系,符合鈑金數(shù)字化制造的發(fā)展趨勢和廣泛應(yīng)用的要求。本文以典型的飛機(jī)框類零件為切入點(diǎn)，闡述飛機(jī)框類零件制造模型內(nèi)容及定義方法，以XX機(jī)型XX號加強(qiáng)框?yàn)槔?，用CATIA建立數(shù)模，并建立基于該模型的應(yīng)用方案。面對制造的零件模型當(dāng)前數(shù)字化定義中存在的問題在目前制造環(huán)境中,僅靠三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行加工還存在不足。因?yàn)槟壳皟H依靠三維模型數(shù)據(jù),往往難以干脆進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗(yàn),即三維模型數(shù)據(jù)中未能依據(jù)讓閱讀者馬上明白的方式將生產(chǎn)技術(shù)、模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、部件加工、部件和產(chǎn)品檢驗(yàn)等工序所必需的設(shè)計(jì)意圖添加進(jìn)來[3]。雖然三維數(shù)據(jù)包含了二維圖紙所不具備的詳細(xì)形態(tài)信息,但三維模型數(shù)據(jù)中卻不包含尺寸公差、表面粗糙度、表面處理方法、熱處理方法、材質(zhì)、結(jié)合方式、間隙的設(shè)置、連接范圍、潤滑油涂刷范圍、顏色、要求符合的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)等僅靠形態(tài)而無法表達(dá)的非形態(tài)信息。西北工業(yè)高校王俊彪教授和劉闖副教授指出，數(shù)字化制造對產(chǎn)品建模提出的新要求根源于制造的兩個(gè)工程特性[4]：（1）制造的不精確性要求在模型中表達(dá)公差及尺寸信息；（2）制造的多工序性要求面對工藝鏈表達(dá)工序件信息。由此可知以前的定義方法存在著許多的不足，須要新的數(shù)字化定義方法來幫助零部件的快速制造。MBD和制造模型基于模型的定義是用集成的三維實(shí)體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息的方法，從而消退或者削減2D圖紙，供下游用戶運(yùn)用。模型是帶有標(biāo)注的三維CAD模型，包括幾何形態(tài)特征、尺寸公差、注釋以及和制造、管理相關(guān)的屬性，定義是三維實(shí)體模型建模及模型中產(chǎn)品尺寸和公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。在三維模型中集成尺寸、公差等注釋性標(biāo)注,同時(shí)輔以零件表等制造文件對產(chǎn)品進(jìn)行全面描述的一種方式。它取代了二維圖紙成為協(xié)同設(shè)計(jì)共享中的唯一授權(quán)資料,設(shè)計(jì)、工藝制造等，方面的人員共同圍繞該數(shù)據(jù)集進(jìn)行產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等一系列工作?；谀Ｐ偷臄?shù)字化定義以產(chǎn)品數(shù)據(jù)集作為產(chǎn)品定義的核心組織。相對以往的方式，如圖1.1。圖1.1產(chǎn)品定義的變更歷程制造模型是相對于設(shè)計(jì)模型而提出的，是產(chǎn)品制造周期工藝過程階段工序件信息的描述。制造模型是以零件設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，在綜合考慮制造工藝過程和工藝資源的基礎(chǔ)上，所定義出的限制零件制造過程的數(shù)字模型。制造過程由多工序構(gòu)成，制造模型由工序件模型構(gòu)成，其定義既有幾何問題，更有物理問題。制造模型是多態(tài)的、衍化的，工序件模型反映了加工過程中材料控形和改性的不同要求，并組成相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)整體。模型數(shù)據(jù)反映了對構(gòu)成產(chǎn)品的各種元素的分類管理,如幾何元素、注釋元素、參考幾何體等,這些信息元素是構(gòu)成完整產(chǎn)品模型定義的一部分,它們之間既相互獨(dú)立,又相互關(guān)聯(lián),基于這種粒度的管理,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型信息的有序可控；圖1.2供應(yīng)了一個(gè)完整工程信息的產(chǎn)品模型。圖1.2完整工程信息的產(chǎn)品模型飛機(jī)框類零件制造模型及其數(shù)字化設(shè)計(jì)制造模型在鈑金件數(shù)字化制造中的應(yīng)用鈑金零件成形工藝的特性確定了其制造模型是由從毛坯到成品零件的多個(gè)狀態(tài)組成的集成模型,即多態(tài)模型[5]；在以模擬量傳遞為主的制造模式中，零件制造工藝各個(gè)環(huán)節(jié)的工序件沒有嚴(yán)密的數(shù)字化定義，零件制造精確度難以提高。制造模型是把傳統(tǒng)制造模式中以模擬量作為載體的工序件形態(tài)和尺寸信息接受數(shù)字量表達(dá)和定義?；谥圃炷Ｐ偷臄?shù)字量傳遞和限制的實(shí)質(zhì)是制造模型干脆用于成形模具設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)、制造指令設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，消退了從檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝備到工作裝備再到零件的模擬量傳遞若干中間環(huán)節(jié)引起的誤差，實(shí)現(xiàn)精密、快速和低成本的制造，即：工件模型用作標(biāo)準(zhǔn)工裝、工作裝備等制造依據(jù)的數(shù)字化定義和模型干脆傳遞，提高制造效率，工藝模型用作成形模具、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和制造操作的依據(jù)為優(yōu)化的工藝模型，實(shí)現(xiàn)精密成形，削減反復(fù)試錯(cuò)過程和手工校形，降低制造成本，縮短制造周期。鈑金零件成形工藝的特性確定了其制造模型是由從毛坯到成品零件的多個(gè)狀態(tài)組成的集成模型,即多態(tài)模型。多態(tài)模型接受系統(tǒng)的觀點(diǎn)組織零件信息,來表達(dá)鈑金零件制造模型,建立了鈑金零件制造過程的時(shí)間坐標(biāo)上“定常狀態(tài)”組成的信息集合。從毛坯到成品件的制造全過程中,其中某一特定時(shí)刻鈑金零件制造信息的總體即為零件狀態(tài)。狀態(tài)以不同結(jié)構(gòu)特征來區(qū)分,依據(jù)制造過程的須要,制造態(tài)可以劃分為毛坯態(tài)、中間件態(tài)、成形件態(tài)、成品件態(tài)等。飛機(jī)鈑金零件典型狀態(tài)如表1[6]所示?？蝾惲慵闹圃炷Ｐ蛢?nèi)容及定義方法框類零件是飛機(jī)中最常見的鈑金件，框分為一般框和加強(qiáng)框，一般框用于維持飛機(jī)外形固定蒙皮、桁條；加強(qiáng)框用于承受來自機(jī)翼、尾翼、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)和貨物的集中力并把這些力傳到蒙皮上?？虻淖陨砥矫鎯?nèi)剛度較大，借助于蒙皮能很好地承受自身平面內(nèi)的橫向彎曲，框類零件特殊適合這種受力環(huán)境?？蝾惲慵闹圃炷Ｐ蜖顟B(tài)如表2[6]所示。飛機(jī)鈑金零件尺寸各異,結(jié)構(gòu)困難,零件結(jié)構(gòu)由不同的結(jié)構(gòu)要素組成，框類零件結(jié)構(gòu)困難，特征繁多；須要獲得的零件信息包括工程設(shè)計(jì)信息、零件分類信息、零件幾何信息，詳細(xì)的步驟如下：（1）制造模型規(guī)劃：依據(jù)零件設(shè)計(jì)模型和工藝鏈信息，參照制造模型狀態(tài)劃分的原則和依據(jù)，確定制造模型中狀態(tài)的個(gè)數(shù)和內(nèi)容。（2）幾何模型定義：依據(jù)狀態(tài)方案和設(shè)計(jì)模型，由不同的部門和角色定義工件模型和工藝模型，以支持工藝和工裝設(shè)計(jì)。各個(gè)制造態(tài)模型數(shù)字化定義依次和工序依次不盡相同。（3）幾何模型優(yōu)化：制造狀態(tài)定義完成后對狀態(tài)幾何模型進(jìn)行工藝性分析，對狀態(tài)幾何模型進(jìn)行優(yōu)化。制造模型的優(yōu)化是削減產(chǎn)品研制中反復(fù)試錯(cuò)的有效方法。本文以XX機(jī)型的XX號加強(qiáng)框?yàn)槔?，給出框類零件制造模型數(shù)字化定義過程和結(jié)果，運(yùn)用CATIA建立數(shù)模，其關(guān)鍵技術(shù)包括毛坯定義（困難曲面綻開）、下料工藝模型定義（鈑金零件綜合排樣）、基于回彈修正的成形工藝模型定義、基于結(jié)構(gòu)要素綻開的過渡工件定義等。加強(qiáng)框包含彎邊、下陷、加強(qiáng)槽、減輕孔等特征，建模思路如下：確定框、及桁條的占位，建立內(nèi)緣正確的加強(qiáng)框毛坯，對應(yīng)的CATIA環(huán)境運(yùn)用草圖和凸臺；生成緣條的內(nèi)、外緣運(yùn)用曲面分割；確定緣條寬度，運(yùn)用多截面實(shí)體或凹槽；緣條厚度（保留左、右角度有變更的滿筋結(jié)構(gòu)），運(yùn)用多凹槽；拔模出緣條和腹板的角度，運(yùn)用拔模；生成全部筋條，運(yùn)用多凸臺；將滿筋加工到須要的尺寸，運(yùn)用分割；腹板的厚度，運(yùn)用厚度；腹板上的凸臺，運(yùn)用多凸臺；腹板上的孔，運(yùn)用凹槽；倒圓角和倒棱，運(yùn)用倒圓角和倒棱。一些特征可以在CATIA的鈑金設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行建立，耳片、下陷、減輕孔、加強(qiáng)槽的建立結(jié)構(gòu)如如下圖：圖2.1部分特征建立結(jié)果整體效果如圖2.2，圖2.2加強(qiáng)框的CATIA模型進(jìn)入CATIA的FunctionTolerancing&Annotation模塊對裝配件加強(qiáng)框的個(gè)個(gè)零件進(jìn)行三維信息標(biāo)注，如圖2.3，圖2.3三維標(biāo)注基于框類零件的制造模型的應(yīng)用制造模型是把傳統(tǒng)制造模式中以模擬量作為載體的工序件形態(tài)和尺寸信息接受數(shù)字量表達(dá)和定義。基于制造模型的數(shù)字量傳遞和限制的實(shí)質(zhì)是制造模型干脆用于成形模具設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)、制造指令設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，消退了從檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)裝備到工作裝備再到零件的模擬量傳遞若干中間環(huán)節(jié)引起的誤差，實(shí)現(xiàn)精密、快速和低成本的制造，即：工件模型用作標(biāo)準(zhǔn)工裝、工作裝備等制造依據(jù)的數(shù)字化定義和模型干脆傳遞，提高制造效率，工藝模型用作成形模具、工藝參數(shù)設(shè)計(jì)和制造操作的依據(jù)為優(yōu)化的工藝模型，實(shí)現(xiàn)精密成形，削減反復(fù)試錯(cuò)過程和手工校形，降低制造成本，縮短制造周期。本例的加強(qiáng)框零件制造模型的應(yīng)用方案如下圖：圖2.4加強(qiáng)框零件制造模型的應(yīng)用方案結(jié)束語當(dāng)前產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(ProductDataManagement,PDM)主要用于管理產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和文檔,對零件制造階段的活動(dòng)定義和數(shù)據(jù)管理涉及很少[7]，新的基于制造模型的定義方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：(l)變更了傳統(tǒng)的信息授權(quán)模式，產(chǎn)品在數(shù)據(jù)集中不再有二維圖紙信息,產(chǎn)品模型定義包含了諸如尺寸公差等顯式信息的全部描述。新的信息授權(quán)模式更適合網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)制造環(huán)境,削減了由實(shí)物信息傳遞帶來的不便和成本。(2)促進(jìn)并行研制工作的綻開。工程人員可以依據(jù)已授權(quán)的產(chǎn)品模型開展相關(guān)的工程設(shè)計(jì),如型架、模具、裝配方案以及相關(guān)的質(zhì)量限制支配等工作。由于削減了對實(shí)物樣件的依靠,使設(shè)計(jì)和制造之間的信息反饋加快,從而加快了設(shè)計(jì)循環(huán)步驟,提高了設(shè)計(jì)實(shí)力?；谥圃炷Ｐ偷臄?shù)字化定義技術(shù)解決了設(shè)計(jì)部門和承包生產(chǎn)部門之間信息傳遞必需依靠圖紙的現(xiàn)狀,有效地提高了設(shè)計(jì)信息傳遞的速度和便利性,削減了實(shí)物信息傳遞,進(jìn)而削減了設(shè)計(jì)的成本。該技術(shù)的應(yīng)用加強(qiáng)了設(shè)計(jì)和制造之間信息協(xié)同共享程度,即設(shè)計(jì)者和制造者之間只須要通過網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和制造意圖描述的雙向傳遞。此外,基于模型的定義技術(shù)還進(jìn)一步推動(dòng)了并行工程在設(shè)計(jì)和制造之間的應(yīng)用,制造人員可以更簡潔、更精確地獲得設(shè)計(jì)信息,更早地介人工程設(shè)計(jì)過程?；谀Ｐ偷亩x技術(shù)的探討和應(yīng)用將推動(dòng)數(shù)字化技術(shù)在制造業(yè)中順當(dāng)實(shí)施,在