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1、航空制造工程概论课程报告 得分：班 级： 学 号： 姓 名： 日 期： 飞机并行产品数字化定义技术朱晨摘要：为了阐明飞机并行产品数字化定义技术，本文借鉴了国内外相关知名学者的研究报告，总结了飞机产品的数字化定义的内容，提出了工程数据集和自动零件表APL相关概念，定义了以产品对象为核心的组织模型和以产品研发阶段划分为核心的组织模型技术，并给出了应用实例。定义了并行工程的概念，针对基于并行工程的产品开发过程给出了产品并行设计体系框架。定义了飞机设计中数字样机的概念，给出了三级数字样机的划分阶段，阐述了数字样机的应用范畴。分析了如何基于工艺数字样机进行并行设计制造。关键词：产品数字化定义 并行工程
2、数字样机1. 引言自大规模工业化生产以来，产品定义经历了从二维到三维模型发展的4段如图I。目前我国的工业应用，仍然采用以图纸为中心的管理模式，即处于2D+工程图+3D模型方式，有些企业甚至还在应用过时的2D工程图。可以见得，和国外先进技术相比，我国这种产品设计，工艺设计，制造等整个生命周期的生产管理模式显然存在效率低下，设计部门与生产部门沟通协调不畅，产品研发周期很长的问题，面对航空工业，这种大型的极复杂的产品管理来说缺点就更加突出，因此实现产品数字化定义和效率更高的并行定义就显得尤为迫切。2.产品数字化定义 产品数字化定义面向从设计、分析、制造、装配到维护、销售、服务等产品全生命周期的各个环
3、节,用于描述和定义产品全生命周期的数字化过程中所应包含的信息以及这些信息之间的相互关联关系,并使其成为计算机中可实现、可管理和可使用的信息。 数字化产品的每一个零部件定义包括两项内容, 即工程数据集和自动零件表( APL) , 它们由零部件号组织起来, 一起构成产品的基本数据单位, 作为产品设计的完整信息, 由工程数据管理部门进行发放和控制, 把产品的数字化定义传递给制造部门。2.1 工程数据集工程数据集从逻辑上讲是产品数字化定义的数据集合, 是工程设计部门的设计结果, 它按照一定的逻辑结构, 将零件、装配件和安装件的几何信息、结构和工艺等与产品相关的信息组织在一个或几个CAD 模型中。工程数
4、据集从内容上主要分3 部分: 几何模型、绘图指令和数据集信息。几何模型包括零部件三维( 线框、表面和实体) 及二维模型; 绘图指令用来绘制二维工程图纸的绘图文件; 数据集信息包括零部件号、图纸标题、更改号等信息。工程数据集从物理上看是一个或一组计算机文件, 它的存贮格式根据所使用的CAD 软件的不同而有所差别。工程数据集所定义的数据是产品数字化定义的核心数据, 其数字化模型是产品制造和质量控制的依据。2.2 自动零件表APL自动零件表( Automated Parts List, APL) 是相对于手工零件表而言的, 内容也有所扩充, 它是由相应的计算机软件APL 系统或PDM 系统生成的。这
5、类计算机系统用于生成、维护和发放工程零部件数据。它们可以完成图纸零件和零件清册( Bill Of Material, BOM, 也称为物料表) 的生成、零部件的更改维护、零部件的构型管理、零部件之间结构和装配关系的生成与维护以及以表格的形式发放工程零件数据等多项功能。3. 产品数字化的组织模型以上所说的工程数据集和自动零件表是从管理层面对数字化定义后产品信息所作出的相关查询和检索。数字化定以后会得到庞大的信息数据，这些数据必须按照一定得逻辑结构进行整理，这样才能方便查询。这里介绍两种数字化的组织模型，为数据的整理提供借鉴。为了有效地组织数据 ,本文提出并采用了虚拟 Item和虚拟 BOM的概念
6、。虚拟 Item是指该 Item所表示的信息并不代表某一具体的产品零部件、原材料、物理文档等数据实体 ,而只是研制过程中某一阶段、某一产品数据片段的信息载体。通过虚拟 Item ,可以以合适的数据粒度表示特定阶段、特定对象的产品数据片段。3.1 以产品对象为核心的组织模型产品数字化过程中 ,产品、部件和零件都可以抽象为产品对象,与产品相关的数据文档可以封装为数据对象。以产品对象为核心的组织模型就是以产品对象所形成的产品结构树为核心来组织数据 ,将数据对象和产品对象相关联而形成的。由于飞机产品的复杂性 ,与产品对象关联的数据对象往往非常多。如果把这些繁多的数据对象一律作为引用文档与产品对象相联系
7、 ,势必会影响用户检索查询数据的效率。为此 ,在对与某一产品对象相关的所有数据对象分类之后 ,将每类数据对象构造为虚拟Item ,并把它作为产品对象的子对象 ,建立两者之间的关系 。如图 3所示。图中分别设计了两个虚拟的Item对象 ( Item 001和 Item 002)作为最小粒度 ,分别将零件翼肋的载荷分析数据和强度分析数据组织在一起。短翼长桁翼肋蒙皮制造数据工艺数据分析数据设计数据强度分析Item002载荷分析Item001图2 短翼部件示意图图3.以产品对象为核心的组织模型3. 2以产品研制阶段划分为核心的组织模型飞机产品的研制是一个多厂所联合的复杂过程 ,包括设计、分析、工艺准备
8、、制造、装配、维护等多个阶段 ,因此为了提供某一阶段的产品完整数据 ,需要将产品数据按照研制的不同阶段来组织。以研制阶段划分为核心的产品数据组织同样也采用基于虚拟 Item和虚拟 BOM的数据组织方法。图 4是以研制阶段划分为核心的组织模型结构示意图。飞机设计阶段分析阶段载荷分析数据强度分析数据短翼翼肋Item001短翼蒙皮Item002引用文档：载荷分析报告：引用文档：强度分析报告：图5某型飞机实例4.并行工程的定义并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关的各种过程(包括制造过程和支持过程) 的系统方法 这种方法要求产品开发人员在设计一开始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所
9、有因素，包括质量成 本、进度计划和用户要求。5. 基于并行工程的产品开发过程产品开发过程是指某产品从概念形成到正式投产之前这一工作流程。基于并行工程的产品开发过程，是多功能小组在计算机软硬件工具和网络通信环境的支持下，考虑产品及其全生命周期中有关信息，以缩短产品开发时间，提高产品开发一次成功率为目标而设计的开发活动流程。并行产品开发过程的实施需要从调整组织结构和建立产品并行设计体系两方而着手。产品并行设计作为并行工程的重要环节，决定着并行工程实施的成败。产品并行设计必须打破传统的串行设计模式，实现设计者、设计方法、设计工具、设计信息的有效集成及设计过程的高度并行。集成的关键在于各种设计信息能在
10、设计的不同阶段之间进行有效的交流和协调，这里的信息不但包括设计图样和设计说明，而且包括设计意图、设计原理、评价决策思想等。5.1 产品并行设计体系框架基于并行工程思想，以产品全生命周期为基准，可建立如图6所示的产品并行设计体系框架。此体系框架，主要有四大优点：图6 产品并行设计体系框架（1）每一设计活动在前一环节完成之前就开始进行，尽管这时所得到的信息并不完备，但由于各设计工作的每一最新结果做到及时发布，相互之间的信息，传输和使用是动态连续的，设计在全过程中逐步完善。（2）将上、下游的设计要求作为设计工作的约束条件，进行目标优化设计和相应评价。（3）引入反馈流，把设计中的单向通道改为嵌套循环，
11、各设计结果及时反馈给上游进行设计评价和修改，避免到产品开发后期才发现问题再返工。（4）应用过程管理软件对产品开发过程进行信息化管理，加快信息在设计部门和其他环节之间的流动，提高设计的质量和效率，缩短产品开发周期。6.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，还包含零部件的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。按照飞机研制的不同阶段，数字样机的定
12、义可以划分为三级。 1）一级数字样机，面向方案设计的样机，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。 2）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。 3）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三级数字样机的演变过程，三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
13、机在设计过程中包含一级样机。6.2 工艺数字样机的创建对于飞机这样大型复杂的机械产品，创建包含全部零/部件工艺信息的整体工艺数字样机是不现实的，占用的资源极其巨大，其处理过程甚至影响到整个系统的效率。因此，根据生产分厂具体生产需求，所需的数字样机只是局限于本厂的具体生产任务，这个需求一般可以从分厂零件目录而来。同时为了适应工装制造、工具准备、毛料准备、钣金件制造、机加件制造和部件装配等方面的个性化需求，工艺数字样机也可以相应地分为工装工艺数字样机、钣金件工艺数字样机等，其所含内容是分厂级工艺数字样机的可重叠的子集。各分厂级工艺数字样机相互之间各不重叠，其全集就是整体工艺数字样机。图7 工艺数字
14、样机的创建6.3 基于数字样机的制造执行过程在工艺数字样机支持下，计划编制时，不需查询产品目录就可以直接从工艺数字样机中获取零件配套、结构及使用机床等信息。生产管理系统基于工艺样机，以可视化的方式快速获得使用设备和组套信息，该信息与生产厂物料管理集成应用，迅速地反馈当前生产能力。在生产能力满足的情况下，确定零件生产订单。在制造执行中同样可基于工艺样机查询工艺准备状况、物料供应状况、设备能力状况以及订单状况。督促工艺管理部门依据工艺样机完成工艺设计、提供数控程序等工作。由生产准备系统根据工艺样机确保生产所需的工装、样板、工具、量具和毛料等可满足生产需求，如不满足，及时提出采购申请。根据工艺样机要
15、求确保具有可用的设备能力和计划时间，在一切问题都完备或计划开始之前可以完备的情况下，合并废补计划、临时计划和批架次计划，进行生产优化排程。如排程成功则输出机床计划，否则表明生产能力不足，对任务重新分析生成外协计划。机床计划执行过程中，在关键点位采集生产状态、质量状态和设备状况等参数，并与工艺样机技术要求相比较，进一步进行统计分析。工艺数字样机对制造执行过程的支持框图如图7所示。整个过程完成一个计划编制、下达、执行和控制的闭环，运行的畅通取决于工艺数字样机数据的完整性和准确性。7.结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
16、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两方面内容，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的实际工作过程中积累经验，在此基础上进行分析总结、提炼出相应的规范标准，这样才能与 PDM技术应用一道，实现对飞机产品数据的全生命周期管理。图7 工艺数字样机对制造执行过程的支持框图参考文献【1】卢鹄 范玉青.飞机结构产品的数字化定义.北京. 北京航空航天大学机械工程及自动化学院【2】卢鹄 韩爽.范玉青基于模型的数字化定义技术.北京航空航天大学【3】吴丹 王先逵魏志强.飞机产品数字化定义技术.清华大学【4】范玉青 机械产品数字化定义的数据内容及其组织.北京航空航天大学【5】杨伟.并行工程概念分析.三院质量技术部【6】王兵 徐达 张迎. 基于并行工程的产品开发过程研究.北京.装甲兵工程学院兵器工程系【7】孟飙 曲学军. 飞机工艺数字样机定义及其应用研究.沈阳. 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室. 专题论述现代制造工程 2011年第 10期