现代飞行器制造工艺学--第5章

12019/10/31现代飞行器制造工艺学航空科学与工程学院教师：何景武办公地点：新主楼C座C1120室联系电话：82338732电子信箱：[e-mail]上课地点（三）号楼403教室上课周次、时间：每周五，第五、六节课2第5章飞机数字化设计制造技术5.1数字化设计制造技术的概念、内容和过程5.1.1数字化设计与制造的概念3一、数字化设计的概念数字化设计就是通过数字化的手段来改造传统的产品设计方法，旨在建立一套基于计算机技术、网络信息技术，支持产品开发与生产全过程的设计方法。数字化设计的内涵是支持企业的产品开发全过程、支持企业的产品创新设计、支持产品相关数据管理、支持企业产品开发流程的控制和优化等，归纳起来就是产品建模是基础，优化设计是主体，数控技术是工具，数据管理是核心。传统的设计与数字化设计相比从设计工具、设计理念、设计模式等方面都发生了深刻的变化，从手工绘图到计算机绘图、从纸上作业到无纸作业、从串行设计到并行设计、从单独设计到协同设计，都体现了数字化设计技术的进步与发展。下表为传统设计与数字化设计的比较。4传统设计与数字化设计的比较传统设计数字化设计设计方式手工绘图计算机绘图设计工具绘图板、丁字尺、圆规、铅笔、橡皮等计算机、网络、CAD及CAE软件、绘图机、打印机等产品表示二维工程图纸、各种明细表等三维CAD模型、二维CAD电子图、BOM等设计方法经验设计、手工计算、封闭收敛的设计思维基于三维的虚拟设计、智能设计、可靠性设计、有限元分析、优化设计、动态设计、工程造型设计等现代设计方法仿真方式物理样机数字样机、物理样机工作方式串行设计、独立设计并行设计、协同设计管理方式纸质图档、技术文档管理基于PDM的产品数字化管理设计特点过早进入物理样机阶段，从设计到物理样机反复迭代修正由个人经验、手工计算带来的设计错误，设计周期长，成本高形象外观，干涉检查、强度分析、动态模拟、优化设计、外观及色彩设计等采用数字样机实现，设计错误少，设计周期短，成本低5二、数字化制造的概念数字化制造是指对制造过程进行数字化描述并在数字空间中完成产品的制造过程，是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果。数字化制造技术本质上是产品设计制造信息的数字化，是将产品的结构特征、材料特征、制造特征和功能特征统一起来，应用数字技术对设计制造所涉及的所有对象和活动进行表达、处理和控制，从而在数字空间中完成产品制造过程，即制造对象、状态与过程的数字化表征、制造信息的可靠获取及其传递，以及不同层面的数字化模型与仿真。6•从控制论的角度来看，数字制造系统的输入是用户需求和产品的反馈信息，根据原材料、零件图样、工艺信息、生产指令、机床、设备和工具等种种数字信息，经过设计、计算、优化、仿真、原型制造、加工、检验、运输和装配等多个环节，其输出则是达到用户性能要求的产品。由此可见，数字制造系统是一个涉及到多种过程、多种行为和多种对象的复杂系统。•数字化设计与制造不仅贯穿企业产品开发的全过程，而且涉及企业的设备布置、物流、生产计划、成本分析等多个方面。数字化设计与制造技术的应用可以大大提高企业的产品开发能力，缩短产品研制周期，降低开发成本，实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短时间内组织全球范围的设计制造资源，开发、制造新产品。75.1.2数字化设计与制造的内容数字化设计与制造技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术，包括三维建模、装配分析、优化设计、虚拟设计与制造、系统集成、产品信息管理和网络通信等，是一项多学科的综合技术。涉及的主要内容有：1．CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM2.数字化三维实体建模3．模拟仿真和虚拟制造4.并行设计与异地协同设计81．CAD/CAE/CAPP/CAM/PDMCAD/CAE/CAPP/CAM分别是计算机辅助设计、计算机辅助工程分析、计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造的英文缩写，它们是制造业信息化中数字化设计与制造技术的基础，是实现计算机辅助产品开发的主要工具。PDM技术集成并管理与产品有关的信息、过程及人与组织，实现分布环境中的数据共享，为异构计算机环境提供了集成应用平台，从而支持CAD/CAE/CAPP/CAM系统过程的实现。9CAPP：计算机辅助工艺过程设计（computeraidedprocessplanning）CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）是指借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程。借助于CAPP系统，可以解决手工工艺设计效率低、一致性差、质量不稳定、不易达到优化等问题。CAPP是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节。缩写说明：CAPP-计算机辅助工艺过程设计10•PDM是ProductDataManagement(产品数据管理)的缩写，是指某一类软件的总称。PDM是以软件为基础的技术，它将所有与产品相关的信息和所有与产品有关的过程集成到一起。•PDM是一门用来管理所有与产品相关信息(包括零件信息、配置、文档、CAD文件、结构、权限信息等)和所有与产品相关过程(包括过程定义和管理)的技术。缩写说明：PDM--产品数据管理11缩写说明：PDM--产品数据管理PDM是以软件为基础的技术，它将所有与产品相关的信息和所有与产品有关的过程集成到一起。产品有关的信息包括任何属于产品的数据，如CAD/CAM/CAE的文件、材料清单(BOM)，产品配置、事务文件、产品定单、电子表格、生产成本、供应商状态等等。产品有关的过程包括任何有关的加工工序、加工指南和有关于批准、使用权、安全、工作标准和方法、工作流程、机构关系等所有过程处理的程序。包括了产品生命周期的各个方面，PDM使最新的数据能为全部有关用户，包括从工程师、NC操作人员到财会人员和销售人员均能按要求方便地存取。与PDM常常相关的术语有：电子数据库、过程或过程控制、结构、配置管理/改变控制、接口和集成等。NC(NumericalControl,数字控制,简称数控)指用离散的数字信息控制机械等装置的运行，只能由操作者自己编程122.数字化三维实体建模•在以往的产品设计和制造过程中，用以表示产品几何形状和加工要求的是二维工程图。计算机绘图只是对传统的手工绘制工程图的简单模仿，物体的三维形体仍是用各个视图和切面图的二维图形来描述，设计、工艺人员仍要用形象思维方式将几个视图、剖视图、局部视图等联系起来，才能形成产品的三维真实概念。随着计算机处理能力的不断提高，直接建立物体的三维几何模型已成为产品设计、制造的发展方向。•三维几何模型有线框模型、表面模型和实体模型三种型式，如图5-1所示，设计时可以根据不同的使用情况选用。13线框模型、表面模型和实体模型的比较三维几何模型线框模型表面模型实体模型14从图中可以看出，若用CAD系统的二维绘图功能，在计算机中仅能存储一些点和线段的相关信息。若用实体造型软件在计算机中建立该轴的实体模型，则在计算机中可存储有关该模型的体、面、线段（边）和点的几何和拓扑信息。在计算机集成制造的环境下，需要将产品的有关设计、制造、管理信息尽量完整地包含在产品的数字化定义中，以便提高生产过程中各个环节的自动化和智能化处理水平。实体模型可提供三维形体的最完整的几何、拓扑信息和特征信息，在此基础上，可以实现有限元分析中的网格自动划分、加工和装配工艺过程的自动设计，数控加工刀具轨迹的自动生成和校验、加工过程和机器人操作的动态仿真、空间布置和运动机构的干涉检查，视景识别的几何模型建立，人机工程的环境模拟等过程。因此，三维实体模型将成为产品智能化、集成化、标准化CAD/CAM系统的几何描述核心。153．模拟仿真和虚拟制造综合利用建模、分析、仿真以及虚拟现实等技术和工具，在网络支持下，采用群组协同工作，通过模型来模拟和预估产品功能、性能、可装配性、可加工性等各方面可能存在的问题，实现产品设计、制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，并进行过程管理与控制等。飞机部件装配过程不仅涉及数量巨大的零部件，其内部结构又十分紧凑，装配工装极其复杂，而且装配的工艺过程和人机工程紧密相关，特别是对大型飞机而言，重则数吨的部件在实际装配过程中无论运输、定位、调整和移动都很困难，若此时发现任何装配问题或错误，返工修改所要付出的代价之大、成本之高、周期之长是任何公司难以接受的。为此，飞机制造公司普遍采用数字化仿真技术，在数字化环境中模拟实际的飞机装配过程，借以发现问题，并在飞机产品并行设计过程中一一解决。164.并行设计与异地协同设计•并行设计以并行工程模式替代传统的串行式产品开发模式，使得在产品开发的早期阶段就能很好地考虑后续活动的需求，以提高产品开发的一次成功率。•在因特网/企业内部网的环境中，进行产品定义与建模、产品分析与设计、产品数据管理及产品数据交换等，异地、协同设计系统在网络设计环境下为多人、异地实施产品协同开发提供了支持工具。•数字设计制造技术在国外起步早，发展也比较完善，所产生的效益相当明显。如波音公司在B777机型的研制中采用数字化制造技术，使制造成本降低了30%～40%、产品开发周期缩短了40%～60%，缩短了研制和交货的周期。欧洲空中客车公司也采用类似技术，使空中客车新机的研制周期从4年缩短为2.5年。波音与空客的成功向人们展示了数字化设计制造的巨大潜力和优越性。•数字化设计与制造技术中各组成部分作为独立的系统，已在生产中得到了广泛的应用，不仅提高了产品设计的效率，更新了传统的设计思想，降低了产品的成本，增强了企业及其产品在市场上的竞争力，还在企业新的设计和生产技术管理体制建设中起到了很大作用。175.1.3飞机数字化设计与制造过程•在飞机的设计和制造过程中，数字化技术全面应用的具体体现即为“无图纸”设计／制造技术。“无图纸”并不是说不再需要图纸，而是通过在计算机上进行产品的三维数字建模、数字化预装配，再由三维模型生成工程图纸，从而替代以前在图板上进行的产品设计工作，并相应地形成一整套数字化产品信息的发放、更改、跟踪和控制系统。18工程设计部门随着设计工作的进展，可随时更新综合工作说明。设计工作人员在工作过程中首先建立所有零件的三维数字化模型，然后进行数学化预装配。数字化预装配过程中需要确定对接面、检查设计集成、确定有无干涉现象、安排管线系统并支持所有设计开发工作。整个产品的开发以协同设计组的方式进行，在这一设计过程中允许制造计划、工装设计、生产车间、NC编程、用户服务、协作对象、供应商及有关人员一起参加。在此过程中①产品协同设计组可以从制造部门和其它产品协同设计组那里获得工艺性和维护性的反馈信息；②制造计划部门可利用三维数字模型生成图解计划表；③工装设计利用数字化预装配检查界面配合情况以及零件和工装、工装和工装之间有无干涉等。在产品协同设计组处理完一系列的反馈信息后，零件设计才算完成，才可把零件模型以数据集的形式发放到制造部门。零件制造出来后，进行装配和总装工作，如图5-3的右下角部分。若还有少数零件有问题，工程设计组或产品协同设计组负责对零件重新评审设计，作适当修改，重新进行数字化预装配来检查干涉和配合情况并发放设计。飞机制造完成后，进行飞行试验，鉴定合格后再交付给航空公司，用户服务部门支持飞机在它生命周期里的整个工作。195.2飞机数字化设计过程1.建立飞机内部轮廓数字模型DIP（DigitalInboardProfile）飞机产品数字化设计从销售和市场部门获取的用户需求开始，由总体设计组根据对飞机航程、燃油、载客量、总体性能及制造成本等的分析，建立飞机总体定义，如飞机的描述文档、三面图、气动外形布局和飞机内部轮廓数字模型（DIP）等。DIP代表了飞机初始的一级数字样机，其中包括系统安排、空间分配和飞机外形线等，如下图所示。DIP的模型数据由