现代飞行器制造工艺学第章

12023/1/81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：hejingwu@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。9CAPP：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10PDM是ProductDataManagement(产品数数据管管理)的缩写写，是是指某某一类类软件件的总总称。。PDM是以软软件为为基础础的技技术，，它将将所有有与产产品相相关的的信息息和所所有与与产品品有关关的过过程集集成到到一起起。PDM是一门门用来来管理理所有有与产产品相相关信信息(包括零零件信信息、、配置置、文文档、、CAD文件、、结构构、权权限信信息等等)和所有有与产产品相相关过过程(包括过过程定定义和和管理理)的技术术。缩写说说明：：PDM--产品数数据管管理11缩写说说明：：PDM--产品数数据管管理PDM是以软软件为为基础础的技技术，，它将将所有有与产产品相相关的的信息息和所所有与与产品品有关关的过过程集集成到到一起起。产产品有有关的的信息息包括括任何何属于于产品品的数数据，，如CAD/CAM/CAE的文件、材材料清单(BOM)，产品配置置、事务文文件、产品品定单、电电子表格、、生产成本本、供应商商状态等等等。产品有有关的过程程包括任何何有关的加加工工序、、加工指南南和有关于于批准、使使用权、安安全、工作作标准和方方法、工作作流程、机机构关系等等所有过程程处理的程程序。包括括了产品生生命周期的的各个方面面，PDM使最新的数数据能为全全部有关用用户，包括括从工程师师、NC操作人员到到财会人员员和销售人人员均能按按要求方便便地存取。。与PDM常常相关的的术语有：：电子数据据库、过程程或过程控控制、结构构、配置管管理/改变控制、、接口和集集成等。NC(NumericalControl,数字控制,简称数控)指用离散的的数字信息息控制机械械等装置的的运行，只只能由操作作者自己编编程122.数字化三维维实体建模模在以往的产产品设计和和制造过程程中，用以以表示产品品几何形状状和加工要要求的是二二维工程图图。计算机机绘图只是是对传统的的手工绘制制工程图的的简单模仿仿，物体的的三维形体体仍是用各各个视图和和切面图的的二维图形形来描述，，设计、工工艺人员仍仍要用形象象思维方式式将几个视视图、剖视视图、局部部视图等联联系起来，，才能形成成产品的三三维真实概概念。随着着计算机处处理能力的的不断提高高，直接建建立物体的的三维几何何模型已成成为产品设设计、制造造的发展方方向。三维几何模模型有线框框模型、表表面模型和和实体模型型三种型式式，如图5-1所示，设计计时可以根根据不同的的使用情况况选用。13线框模型、、表面模型型和实体模模型的比较较三维几何模型线框模型表面模型实体模型14从图中可以以看出，若若用CAD系统的二维维绘图功能能，在计算算机中仅能能存储一些些点和线段段的相关信信息。若用用实体造型型软件在计计算机中建建立该轴的的实体模型型，则在计计算机中可可存储有关关该模型的的体、面、、线段（边边）和点的的几何和拓拓扑信息。。在计算机集集成制造的的环境下，，需要将产产品的有关关设计、制制造、管理理信息尽量量完整地包包含在产品品的数字化化定义中，，以便提高高生产过程程中各个环环节的自动动化和智能能化处理水水平。实体模型可可提供三维维形体的最最完整的几几何、拓扑扑信息和特特征信息，，在此基础上上，可以实实现有限元元分析中的的网格自动动划分、加加工和装配配工艺过程程的自动设设计，数控控加工刀具具轨迹的自自动生成和和校验、加加工过程和和机器人操操作的动态态仿真、空空间布置和和运动机构构的干涉检检查，视景景识别的几几何模型建建立，人机机工程的环环境模拟等等过程。因因此，三维实体模模型将成为为产品智能能化、集成成化、标准准化CAD/CAM系统的几何何描述核心心。153．模拟仿真真和虚拟制制造综合利用建建模、分析析、仿真以以及虚拟现现实等技术术和工具，，在网络支支持下，采采用群组协协同工作，，通过模型型来模拟和和预估产品品功能、性性能、可装装配性、可可加工性等等各方面可可能存在的的问题，实实现产品设设计、制造造的本质过过程，包括括产品的设设计、工艺艺规划、加加工制造、、性能分析析、质量检检验，并进进行过程管管理与控制制等。飞机部件装装配过程不不仅涉及数数量巨大的的零部件，，其内部结结构又十分分紧凑，装装配工装极极其复杂，，而且装配的工艺艺过程和人人机工程紧紧密相关，，特别是对对大型飞机机而言，重则数吨的的部件在实实际装配过过程中无论论运输、定定位、调整整和移动都都很困难，，若此时发发现任何装装配问题或或错误，返返工修改所所要付出的的代价之大大、成本之之高、周期期之长是任任何公司难难以接受的的。为此，飞机机制造公司司普遍采用用数字化仿仿真技术，，在数字化化环境中模模拟实际的的飞机装配配过程，借借以发现问问题，并在在飞机产品品并行设计计过程中一一一解决。。164.并行设计与与异地协同同设计并行设计以以并行工程程模式替代代传统的串串行式产品品开发模式式，使得在在产品开发发的早期阶阶段就能很很好地考虑虑后续活动动的需求，，以提高产产品开发的的一次成功功率。在因特网/企业内部网网的环境中中，进行产产品定义与与建模、产产品分析与与设计、产产品数据管管理及产品品数据交换换等，异地地、协同设设计系统在在网络设计计环境下为为多人、异异地实施产产品协同开开发提供了了支持工具具。数字设计制制造技术在在国外起步步早，发展展也比较完完善，所产产生的效益益相当明显显。如波音音公司在B777机型的研制制中采用数数字化制造造技术，使使制造成本本降低了30%～40%、产品开发发周期缩短短了40%～60%，缩短了研研制和交货货的周期。。欧洲空中中客车公司司也采用类类似技术，，使空中客客车新机的的研制周期期从4年缩短为2.5年。波音与与空客的成成功向人们们展示了数数字化设计计制造的巨巨大潜力和和优越性。。数字化设计计与制造技技术中各组组成部分作作为独立的的系统，已已在生产中中得到了广广泛的应用用，不仅提提高了产品品设计的效效率，更新新了传统的的设计思想想，降低了了产品的成成本，增强强了企业及及其产品在在市场上的的竞争力，，还在企业业新的设计计和生产技技术管理体体制建设中中起到了很很大作用。。175.1.3飞机数字化化设计与制制造过程在飞机的设设计和制造造过程中，，数字化技技术全面应应用的具体体体现即为为“无图纸”设计／制造造技术。“无图纸”并不是说不不再需要图图纸，而是是通过在计计算机上进进行产品的的三维数字字建模、数数字化预装装配，再由由三维模型型生成工程程图纸，从从而替代以以前在图板板上进行的的产品设计计工作，并并相应地形形成一整套套数字化产产品信息的的发放、更更改、跟踪踪和控制系系统。18工程设计部部门随着设设计工作的的进展，可可随时更新新综合工作作说明。设计工作作人员在在工作过过程中首首先建立立所有零零件的三三维数字字化模型型，然后后进行数数学化预预装配。。数字化预预装配过过程中需需要确定定对接面面、检查查设计集集成、确确定有无无干涉现现象、安安排管线线系统并并支持所所有设计计开发工工作。整个产品品的开发发以协同同设计组组的方式式进行，，在这一一设计过过程中允允许制造造计划、、工装设设计、生生产车间间、NC编程、用用户服务务、协作作对象、、供应商商及有关关人员一一起参加加。在此过程程中①产品协协同设计计组可以以从制造造部门和和其它产产品协同同设计组组那里获获得工艺艺性和维维护性的的反馈信信息；②制造计计划部门门可利用用三维数数字模型型生成图图解计划划表；③工装设设计利用用数字化化预装配配检查界界面配合合情况以以及零件件和工装装、工装装和工装装之间有有无干涉涉等。在产品协协同设计计组处理理完一系系列的反反馈信息息后，零零件设计计才算完完成，才才可把零零件模型型以数据据集的形形式发放放到制造造部门。。零件制造造出来后后，进行行装配和和总装工工作，如如图5-3的右下角角部分。。若还有有少数零零件有问问题，工工程设计计组或产产品协同同设计组组负责对对零件重重新评审审设计，，作适当当修改，，重新进进行数字字化预装装配来检检查干涉涉和配合合情况并并发放设设计。飞机制造造完成后后，进行行飞行试试验，鉴鉴定合格格后再交交付给航航空公司司，用户户服务部部门支持持飞机在在它生命命周期里里的整个个工作。。195.2飞机数字字化设计计过程建立飞机机内部轮轮廓数字字模型DIP（DigitalInboardProfile）飞机产品品数字化化设计从从销售和和市场部部门获取取的用户户需求开开始，由由总体设设计组根根据对飞飞机航程程、燃油油、载客客量、总总体性能能及制造造成本等等的分析析，建立立飞机总总体定义义，如飞飞机的描描述文档档、三面面图、气气动外形形布局和和飞机内内部轮廓廓数字模模型（DIP）等。DIP代表了飞飞机初始始的一级级数字样样机，其其中包括括系统安安排、空空间分配配和飞机机外形线线等，如如下图所所示。DIP的模型数数据由各各工程部部门提拱拱，所有有结构和和系统都都分别构构造成三三维实体体模型，，并由总总体设计计组把这这些三维维模型综综合起来来，进行行初步的的数字预预装配，，同时气气动组利利用CATIA软件的曲曲面造型型功能最最终建立立飞机的的气动外外形。20飞机内部部轮廓数数字模型型212.建立数字字样机与与数字化化预装配配DPA（DigitalPreassembly）工程设计计部门对对每个零零件进行行三维数数字建模模后，就就要进行行数字化化预装配配，即建建立数字样机机（或称称电子样样机）。。在传统设设计中的的一级和和二级实实物样机机将被数数字化模模拟预装装配所替替代。所所谓一级级、二级级和三级级样机是是按通常常标准划划分的设设计过程程中不同同的阶段段。22数字化预预装配DPA的过程如如下：（1）第一阶阶段数字字化预装装配—一级数字字样机一级数字字样机建建立了零零部件的的基本形形状、包包容空间间，并协协调各工工程设计计组之间间的空间间位置安安排。（2）第二阶阶段数字字化预装装配—二级数字字样机二级数字字样机已已经进行行了飞机机结构设设计和不不同设计计组之间间界面的的协调，，零部件件外形已已确定下下来，但但还未进进行详细细设计。。这阶段段DPA工作进展展主要体体现在尽尽可能地地为飞机机的可达达性、可可维护性性、可服服务性、、可靠性性、人机机工程以以及支持持装备的的兼容性性等进行行详细设设计，但但尚未进进行详细细的装配配和安装装设计。（3）第三阶阶段数字字化预装装配—三级数字字样机三级数字字样机是是对详细细设计的的零部件件进行完完整的数数字化预预装配，，如飞机机上的管管道系统统、空气气管路、、燃油管管线、液液压管路路、角片片支架、、紧固件件和连接接孔等的的制造和和安装等等都在三三级数字字样机上上完成，，它是数数字化预预装配的的最后阶阶段。数字化预预装配是是一个过过程，设设计人员员、系统统分析人人员、工工艺计划划人员以以及工装装设计人人员需要要时可以以把零部部件、装装配件等等组装起起来，在在虚拟环环境中完完成飞机机的装配配模拟工工作。所有零部部件都构构造成三三维实体体模型，，用来检检查设计计集成的的各种状状态、干干涉和界界面对接接情况。。整架飞飞机的所所有干涉涉情况都都可以标标识出来来，并在在预装配配过程中中加以解解决。233.三维外形形数字模模型和三三维数字字化产品品定义飞机气动动部门对对气动布布局、气气动性能能、稳定定性和操操纵性进进行研究究后，确确定出飞飞机最终终的气动动外形，，包括翼翼型形状状，整个个机翼和和发动机机短舱的的外形等等。然后模线线设计组组利用前前述的气气动设计计结果、、飞机内内部轮廓廓模型和和结构数数据，通通过曲面面造型建建立飞机机的三维外形形数字模模型。此时飞机机的三维维外形数数字模型型和内部部轮廓数数字模型型共同构构成了三维数字字化产品品定义。。三维数字字化产品品定义可可以直接接起到三三维飞机机模线的的作用和和用于三三维飞机机零组件件的定义义构形，，也可用用于后续续的制造造、工装装设计、、产品检检验和数数控加工工编程等等环节。。244.零件结构构设计和和零件表表生成在飞机产产品数字字化定义义的基础础上，进进一步对对零组件件进行结结构设计计，如图图所示。。一般来来说，此此阶段的的所有零零组件都都应具有有精确的的三维实实体模型型。在此此阶段，，还要对对这些零零组件进进行进一一步的数数字化预预装配，，检查所所有零组组件的配配合情况况，进行行重量分分析、维维护的可可达性检检查，有有无异常常情况和和是否满满足功能能需要等等。同时时，结构构设计人人员还应应考虑到到所有系系统在结结构中的的贯穿情情况，有有无干涉涉和保留留必要的的间隙等等。25设计人员员要和协协同设计计组的其其他人员员一起工工作，广广泛听取取他们的的反馈意意见，并并和制造造工艺人人员共同同建立产产品零部部件树当结构设设计人员员进行详详细设计计，每个个零组件件的几何何形状和和尺寸正正确无误误后，把把产品的的几何定定义（三三维实体体模型和和二维图图形、数数控加工工表面信信息），，以及机机构运动动模拟信信息存入入到数据据库，由由集成数数据管理理IDM（IntegratedDataManagement）系统进行管管理在综合工作说说明IWS中的产品结构构树以及其它它相关的工艺艺信息，通过过自动零件表表生成器APL－G（AutomatedPartListGenerator），输入到自自动零件表系系统中进行存存储至此，数字化化产品设计的的完整信息已已经基本建立立，由此可见见，产品设计计结果体现在在两个方面：：一个是产品品几何信息，，存储在IDM系统中的数据据集中，另一一部分是产品品的非几何信信息，包括产产品结构树和和工艺信息存存储于APL系统中。这两两部分信息是是密切相关，，不可分割的的，否则产品品信息就不完完整。这两部部分信息相关关性是通过产产品图号或零零件号来实现现的。265.产品数字建模模的其它相关关工作飞机的产品数数字建模工作作除了上述的的①产品的外形三三维数字定义义；②内部结构的三三维数字定义义外，还有很很多系统数字字建模和其它它的相关工作作。如为了加速设设计进度、提提高工作效率率，还应开发发标准零件库库。典型的标标准件有：连连接件、紧固固件、垫片、、垫圈、轴承承、液压系统统管接头和夹夹紧件。设计计人员在设计计过程中在计计算机系统上上可以直接提提取它们，并并且利用成组组技术对飞机机上已用过的的零件也建立立一个库。这这样可以省掉掉重新进行工工艺计划、工工装设计和制制造、数控编编程以及其它它有关发放一一个新零件的的耗时费工的的工作，大大大节省了设计计时间，提高高了工作效率率。275.3飞机数字化制制造过程飞机的数字化化制造过程大大体上是与飞飞机的设计工工作同时展开开的，制造技技术人员和设设计员在同一一协同设计组组中并行工作作。飞机数字字化制造过程程主要包括以以下内容：1.产品结构分解解在飞机产品的的初步设计阶阶段，飞机的的三维数字模模型还是单一一的整体模型型，此时制造造技术人员和和设计人员（（包括用户））一起，把飞飞机整体模型型分解成部件件、组件和零零件，以及基基于这些零组组件上的装配配件和安装件件，直到最后后把飞机装配配出来。设计人员、工工艺计划人员员和工装设计计人员共同进进行详细的设设计改进、车车间工作中心心的工作分解解以及其它有有关制造工艺艺的研究和准准备工作。28水平安定面结结构分解图292.关键特征的确确定飞机结构分解解以后，工艺艺人员和设计计人员还需共共同确定零组组件或装配件件的关键特征征KC（KeyCharacteristics），如零件的允许许公差范围、、垂直度、平平行度等，这些都是零零组件的关键键特性。关键特性的数数量和范围对对以后减少零零组件的制造造问题有着十十分重要的意意义，对产品品的性能和疲疲劳强度也有有很大影响。。因此，确定定关键特性的的工作极其重重要，要慎重重进行。产品协同设计计组的每个成成员（设计、、制造、工装装、材料等部部门）都有权权参与确定大大多数结构件件的关键特性性。在制造过过程中从零件件组装成组件件，再由组件件装配成部件件，关键特性性也是一个树树形结构，它它们之间是由由上到下逐步步定义和相互互影响的。所所以，在零件件制造过程中中的加工定位位、装配过程程中的定位基基准选择，工工装夹具的确确定等都应细细致考虑到关关键特性。30关键特征的传传递过程机身段蒙皮外外形（包括机机身的外径和和蒙皮形状））是关键特征征之一，它是是影响飞机飞飞行性能的主主要因素。机身蒙皮外形形的关键特征征将传递到壁壁板的装配件件和隔框的装装配件上，而机身蒙皮的的形状又受到到剪应变角材材与蒙皮之间间配合是否光光滑的影响。。因此，角材的的角度以及隔隔框和壁板的的外形都是关关键特征。一般来说，装装配件的关键键特征将传递递到组成它的的零件上。313.三维工装设计计与工艺计划划工装是在飞机机零部件制造造和装配过程程起支持作用用的机械装置置，包括各种种模具、机加加卡具、装配配型架、测试试设备、专用用钻铆设备等等。工装设计和产产品设计一样样，首先也要要进行三维实实体建模，然然后工装设计计人员利用三三维零部件模模型进行工装装的数字化预预装配，检查查零部件对工工装以及工装装对工装有无无干涉和留有有足够的空间间，这样大大大改进了装配配的可行性和和装配过程的的可视性，如如图所示。32工装的三维建建模334.数控加工产品的数字化化定义过程使使数控加工程程编人员在产产品设计发放放以前就可以以在产品协同同设计组中构构造数控加工工表面，定义义零件数控加加工所需的线线框和表面模模型，并且可可以在计算机机上进行数控控加工过程的的模拟，验证证所设计的走走刀路线是否否正确。数控程编人员员和产品设计计及制造工艺艺人员协同工工作的数字化化定义模式，，考虑到了数数控加工过程程的各种问题题，包括零件件的表面定义义是否有利于于数控加工、、加工过程的的工艺问题、、有否刀具干干涉和过切等等情况345.工厂车间布置置和地面支持持装备制造工程部门门定义产品零零组件和工装装的三维数字字化模型的同同时，还可以以构造整个车车间的三维模模型和地面支支持装备的三三维实体模型型。在计算机上可可以模拟零部部件装配和地地面支持装备备的数字化预预装配，直至至整架飞机的的装配过程。。目的：验证、、分析零组件件对工装和工工装对工装的的界面，工装装的机构运动动情况，运输输设备在车间间内的移动，，甚至整架飞飞机在工厂内内移动情况，，如图所示。。356.基于产品数字字化定义的制制造工程计算算机系统基于产品数字字化定义的制制造工程计算算机系统大体体上包括：制造装配工艺艺系统、进度计划系统统、订单系统、库存管理系统统零件短缺处理理跟踪系统在对产品进行行了全数字化化定义后，这这些子系统才才能被有机地地集成在一起起，而这些系系统的初始数数据都来自产产品协同设计计组的综合工工作说明系统统IWS。IWS中包括产品结结构、制造工工艺、工装设设计等方面的的信息，由它它进一步生成成自动零件表表APL，在APL表中有详细的的零部件结构构、制造方法法、工艺规范范以及有关材材料参数等多多项信息。经经自动零件发发放系统后，，产品信息即即可实现对公公司各职能部部门的共享。。365.4飞机数字化装装配系统数字化装配系系统(DigitalAssemblySystem，DAS)以数字化装配配技术为支撑撑，体现了数数字化装配工工艺技术、数数字化柔性装装配工装技术术、光学检测测与补偿系统统、数字化钻钻铆技术及数数字化集成控控制技术等多多种先进技术术的综合应用用。数字化装配技技术在飞机装装配过程中实实现装配的数数字化、柔性性化、信息化化、模块化和和自动化，将将传统的依靠靠手工或专用用型架、夹具具的装配方式式转变为数字字化的装配方方式，将传统统装配模式下下的模拟量传传递模式改为为数字量传递递模式，使装装配质量和装装配效率大幅幅度提高。375.4.1飞机数字化装装配系统的工工作原理飞机数字化装配系统部件(段)数字化装配系统部件数字化对接总装配系统飞机数字化装配系统涉及到的技术应用产品数字化定义，基于数字化标准工装的协调技术数字化模拟仿真技术软件技术自动化控制和机械随动定位技术数字化测量技术飞机数字化装装配系统针对对飞机机体结结构特点，综综合应用这些些技术形成飞飞机无型架定定位数字化装装配集成系统统，实现机体体主要结构的的无型架定位位数字化装配配及部件数字字化对接总装装配工作；实实现装配过程程中定位、调调整、夹紧等等工作的数字字化控制。从而实现产品品数字化定义义、数字化测测量和数字化化装配的有效效集成。38以下机翼外翼翼与中央翼盒盒段数字化对对接为例说明明飞机数字化化装配系统的的工作原理①将外翼和和中央翼盒盒段组件准准备好②把中央翼翼盒段定位位固定到准准确位置上上③把外翼放放置到定位位器上④数字化测测量装置测测量外翼的的基准点，，测得的数数据送到计计算机中，，经测量软软件分析后后，分析结结果再输入入到定位件件控制器，，然后在驱驱动定位器器上调整外外翼的位置置,直到外翼调调整到所需需位置后。。⑤进行钻孔连连接装配39机身段数字字化装配原原理与上述述原理相近近，所不同同之处在于于机身段是是由蒙皮壁壁板组件装装配而成的的。机身段段部件的调调整是由几几个机械随随动定位器器根据激光光跟踪仪测测得的数据据，随时调调整机身段段在X、Y和Z方向上的位位置而实现现定位。40例如，B747飞机机身部部件的数字字化对接总总装配中共共有13套自动化工工装，用了了200个以上的机机械随动定定位装置（（数字化定定位器），，配有大约约700个轴的伺服服马达。图图5-14为B747飞机机身数数字化装配配工作站。。什么是CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM，并简述它它们之间的的关系41课堂练习422022/12/2942现代代飞飞行行器器制制造造工工艺艺学学航空空科科学学与与工工程程学学院院教师师：：何何景景武武办公公地地点点：：新新主主楼楼C座C1120室联系系电电话话：：82338732电子子信信箱箱：：hejingwu@上课课地地点点（三三）号号楼楼403教室室上课课周周次次、、时时间间：：每每周周五五，，第第五五、、六六节节课课435.4.2数字化标标准工装装数字化标标准工装装DMT（DigitalMasterTooling）是包含产产品协调部位位几何形形状和尺尺寸的数数学模型型，它利用用产品3D数字化模模型和统统一的坐坐标基准准系统（（包括坐坐标系统统、各种种基准、、主几何何模型、、装配尺尺寸及公公差等装装配元素素）作为为设计、、制造、、检验和和协调所所有零件件加工工工装、部部段内部部装配工工装、部部段间装装配工装装和检验验工装的的数字量量标准，，是保证证生产用用工艺装装备之间间、生产产工艺装装备与产产品之间间、产品品部件和和组件之之间的尺尺寸和形形状协调调互换的的重要依依据。44数字化标标准工装装协调方方法（也也称数字字化协调调方法）），是一一种先进进的基于于数字化化标准工工装定义义的协调调互换技技术，它它能保证证生产用用工艺装装备之间间、生产产工艺装装备与产产品之间间、产品品部件和和组件之之间的尺尺寸和形形状的协协调互换换。数字化标标准工装装协调法法需通过过数字化化工装设设计、数数字化制制造和测测量系统统来实现现。利用数控控加工、、成型制制造出零零件外形形和所有有的定位位元素。。在工装制制造时，，通过数数字测量量系统（（如激光光跟踪仪仪、电子子经纬仪仪、数字字照相测测量和室室内GPS等设备））实时监监控、测测量工装装或产品品上相关关控制点点（关键键特性点点）的位位置，建建立起产产品零部部件基准准坐标系系统，并并在此坐坐标系统统中将工工装或产产品上关关键特征征点的测测量数据据和3D模型定义义数据直直接进行行比较，，分析出出空间测测量数值值与理论论数据的的偏差情情况，作作为检验验产品是是否合格格及进一一步调整整的依据据。455.4.3飞机柔性性装配系系统飞机柔性性装配技技术是考考虑装配配对象变变化较快快的航空空产品本本身特征征，基于飞机机产品数数字化定定义，通过对飞飞机柔性性装配流流程、数数字化装装配技术术、装配配工装设设计、装装配工艺艺优化、、自动定定位与控控制技术术、测量量、精密密钻孔、、伺服控控制、夹夹持等的的综合，，以实现飞飞机零部部件快速速精确的的定位和和装配，，减少装装配工装装种类和和数量的的装配技技术。飞机柔性性装配技技术的优优点：1、提高装装配效率率和装配配准确度度；2、提高装装配工作作的快速速响应能能力，缩缩短飞机机装配周周期；3、提高飞飞机装配配质量、、提高装装配速度度；4、降低飞飞机装配配成本；；5、适应多多品种产产品（飞飞机）生生产装配配要求。。46柔性装配配技术的的组成47一、柔性性装配的的工装柔性工装装的特点点：1、柔性装装配的工工装是针针对某类类结构相相近的产产品所使使用的工工装；2、柔性工工装的结结构是针针对产品品结构在在一定范范围内的的变化进进行零、、组件工工装的调调节或局局部重组组；3、可以适适应相近近的不同同机型的的产品零零件加工工或装配配工装的的需要，，使其变变为具有有一定的的“柔性”，以达到到一套工工装经过过少量变变化便可可适应多多种机型型零件加加工或装装配的需需要；4、可以大大量减少少工装设设计制造造周期、、降低工工装研制制成本；；5、最终目目的：一一工装“多用途”。48柔性装配配工艺（按功能划划分）数字化装装配工装装实现柔柔性的方方式主要要是调整整动态模模块或者者更换动动态模块块，对于于不同的的壁板部部件装配配，按照照具体部部件装配配的要求求增加或或减少柔柔性夹持持模块，，通过调调整转接接器自由由度、调调整卡板板的形状状或者更更换卡板板，使之之适应具具体特征征的要求求静态框架架动态模块块静态框架架由模块块化框架架、标准准零件和和连接件件组合而而成。依据飞机机产品的的不同需需要而设设计，具具有多个个自由度度，通过过可调转转接器依依附于静静态框架架上，根根据不同同的产品品特征而而配置不不同的动动态模块块。49以飞机壁壁板类零零件为例例，数字字化柔性性装配工工装的功功能模块块分解如如图壁板类装配零件50二、数字字化柔性性装配工工装的定定位在数字化化环境下下，柔性性工装的的定位不不再依靠靠工装上上的固定定定位器器，而采采用独立立的一套套定位系系统。控制系统统把定位位数据传传递给装配配定位执执行机构构机械随动动定位装装置（机机构）即该装置中中的伺服服驱动机机构带动动自动化化定位机机构对装装配件进进行调整整和支撑撑，实现现装配件件的定位位。自动化定定位机构构依靠控控制系统统的控制制来同时时协调多个机械械随动装装置的运动，，保证以以确定方方式、可可预见地地移动飞飞机零件件，一级级操作用用户可以以通过图图形用户户界面显显示零件件的位置置坐标，，然后设设定控制制参数，，控制机机械随动动定位装装置的运运动。。如图5-17所示51图5-17数字化化柔性性装配配工装装的控控制策策略数字化化集成成控制系系统机构随随动定位装装置52柔性装装配技技术特特点柔性装装配技技术与与使用用大量量专用用型架架的传传统装装配技技术相相比不不仅能能够适适应不不同的的部件件对象象，还还能大大幅度度提高高装配配精度度。模块化化工装装夹具具技术术和可可重构构工装装夹具具技术术决定定了适适合不不同部部件对对象的的夹紧紧方式式和夹夹紧结结构，，因此此，直直接关关系到到柔性性装配配技术术的实实现。。柔性装装配之之所以以能够够适应应不同同的部部件对对象，，数字字化精精确测测量与与定位位技术术也是是关键键。飞机柔柔性装装配技技术的的应用用是当当前国国内外外飞机机制造造业数数字化化制造造的大大趋势势。。采用柔柔性制制造技技术的的企业业，平平时能能满足足品种种多变变而批批量很很小的的生产产需求求，战战时能能迅速速扩大大生产产能力力，而而且产产品质质优价价廉。。53从产品品设计计到工工装设设计直直至装装配过过程实实施，，需要要一整整套装装配质质量精精确控控制技技术，，以确确保最最终装装配时时的精精确定定位，，提高高装配配精度度。图5-18为装配配工作作站的的定位位机构构的工工作状状态，，此装装配工工作站站除了了其主主体结结构外外，其其余多多数是是机身身蒙皮皮壁板板组件件的定定位机机构。。图5-19所示为为具有有柔性性夹具具的壁壁板数数控钻钻孔单单元，，也是是大型型壁板板精确确加工工技术术所需需的必必要设设备。。545.4.4数字化化测量量与定定位技技术现代先先进的的数字字化测测量技技术不不仅用用在产产品的的最后后检验验中，，更重重要的的是应应用到到工艺艺装备备和产产品的的生产产过程程中，，它在在很大大程度度上改改变了了飞机机零件件的制制造和和装配配方法法。在在飞机机制造造中常常使用用的数数字化化测量量系统统有以以下几几种：：数控坐坐标测测量机机(N/CCoordinateMeasuringMachine)电子经经纬仪仪测量量系统统(MultiTheodoliteSystem)光学准准则仪仪系统统(Alignmentofopticalsystems)激光自自动跟跟踪仪仪系统统(LaserTrackerSystem)激光雷雷达扫扫描仪仪(LaserScanners)数字照照相测测量系系统(DigitalCameraSystems)室内GPS系统(IndoorGPSSystems)55以下是是几种种典型型的数数字测测量系系统的的工作作应用用情况况。这些数数字化化测量量系统统在飞飞机装装配线线中主主要用用来测测量和和定位位各种种工艺艺装备备，或或直接接用来来定位位飞机机的被被装配配构件件，它它们是是飞机机数字字化装装配系系统的的重要要组成成部分分，也也是飞飞机数数字化化装配配的关关键技技术之之一。。56一、电电子经经纬仪仪测量量系统统计算机机辅助助电子子经纬纬仪CAT（ComputerAidedTheodolite）系统是国国外八十年年代发展起起来的一种种先进的测测量系统，，它集光学学、电子和和计算机技技术为一体体，广泛用用于工业的的精密测量量，特别是是在飞机部部件装配型型架的安装装工作中十十分有效。。在我国与与美国合作作生产的MD90和B737－700飞机部件中中都采用了了这一先进进的CAT工业测量系系统，收到到了良好的的效果。CAT系统由电子子经纬仪、、计算机、、标尺、观观测目标、、脚架、目目标适配器器等组成。。CAT系统是利用用电子经纬纬仪的光学学视线在空空间的前方方进行交汇汇形成测量量角来完成成测量的，，现以两台台经纬仪为为例来说明明光学视线线在空间的的交汇原理理。57两台经纬仪仪分别设站站于A、B两处，它们们的高度不不同，其高高度差为h，A、B两点间水平平距离为b，其坐标系统统以A点为原点，AB连线在水平平方向的投投影为x轴，过A点沿铅垂方方向为z轴，以右手手法则确定定y轴，由此构构成的测量量坐标系如如图。通过A、B两处的经纬纬仪互瞄及及分别观测测目标P，得到的观测测值（角度度值）通过过三角运算算，就可以以计算出被被观测点P的坐标值。。58二、激光跟跟踪定位测测量系统激光跟踪定定位测量系系统的测量量原理如图图5-21所示。激光光跟踪定位位仪测量装装夹后的装装配部件的的基准点，，获得的测测量数据经经过处理单单元处理后后，直接反反馈到装配配系统的控控制系统。。控制系统统通过对实实际装配位位置与精确确数学模型的装装配位置进进行比较后后，获得部部件装配位位置的修正正值，自主主地对定位位元件的空空间位置进进行快速调调整，实现现飞机零部部件、装配配工装和钻钻铆系统定定位的闭环环控制，逐逐步对定位位进行补偿偿，将精确确数学模型型的装配位位置与实际际装配位置置统一起来来，从而完完成快速准准确定位及及安装与调调整。图5-2159图5-22为机身部件件柔性装配配系统对接接工作过程程示意图，，系统工作作时，由柔柔性定位工工装来支撑撑和夹持飞飞机部件，，多个柔性性定位工装装组成定位位工作站。。机身各部部件按图5-21的原理实现现精确对接接定位后，，最后再进进行装配连连接。图5-23所示为空中中客车公司司利用激光光跟踪仪直直接定位飞飞机的部件件并进行装装配的过程程。图5-22图5-2360在数字化装配配过程中，光光学测量与补补偿技术不仅仅能够准确地地获取装配零零件的尺寸参参数和位置信信息，而且还还可将数据传传送到控制系系统，进行零零件空间坐标标的反馈，以以保证精确数学模型型的装配位置置和实际装配配位置具有共同的加加工基准点。。激光测量与补补偿定位系统统的工作原理理如图所示。。飞机光学测量量的内容有：：①飞机部件外形形检测；②铆接边距检测测；③机械随动定位位机构的调整整、控制。61三、室内GPS（IGPS）测量系统波音飞机制造造公司从1998年开始研究室室内GPS（IGPS）测量技术，建建立了室内GPS系统，并应用用于从B747到F/A18飞机整机的装装配线中，以以解决对大尺尺寸构件的测测量问题。IGPS测量系统特别别适合于在大大尺寸工件的的装配、检查查和准直方面面的应用。在这种测量系系统中，四个个发射器安装装在光学座上上，或者固定定在测量区域域的各个角上上，发射器的的有效范围为为49m，接收器是用用光电检测器器构成的38mm的球体。IGPS测量系统的发发射器包含两两个转动的激激光器，每个个接收器可计计算出相对发发射器的垂直直和水平角，，并根据这些些数据来确定定它们的位置置，通过几个个不同发射器器的组合，就就可以计算测测量点的X、Y、Z坐标点。测量一个点所所需要的最少少发射器数量量是2个，发射器越多，，测量越精确确。为了提高测量量精度，建议议一个测量点点至少能接收收到4个发射器的信信号。62对传统的经纬纬仪和激光跟跟踪仪而言，，用户在某一一时刻只能测测量一个目标标，而IGPS测量系统能够够同时测量25个目标。操作作人员可以根根据测得的数数据对工件的的位置进行调调整，并得到到工件实际位位置和目标位位置的距离这种模式不需需要复杂的工工装，而且还还可以减少人人为的干预，，因此可减少少测量误差，，从而极大地地改善装配质质量。其工作作示意如图5-25所示。图5-25利用室内GPS测量技术进行行定位63总之，飞机的的数字化装配配是飞行器数数字化研制技技术从产品设设计到零部件件制造，进一一步向部件装装配和飞机总总装配的延伸伸和发展，它它使数字化研研制技术真正正完全地集成成起来，使数数字化产品的的数据能从研研制工作的上上游畅通地向向下游传递，，充分了发挥挥了数字化研研制技术的优优点，这样将将大幅度地减减少飞机装配配所需的标准准工装和生产产工装。据统计，B737新一代飞机标标准工装减少少了80%，F-35的研制过程中中标准工装减减少了90%，法国达索公公司最新研制制的小型公务务机Falcon传统的工装减减到零，可见见飞机数字化化装配系统对对飞机研制的的重要意义。。5.4飞机数字化装装配系统----完毕645.5并行协同模式式在飞行器制制造中的应用用5.5.1并行工程的概概念一、并行工程程的概念并行工程（ConcurrentEngineering，简称CE）亦称同步工工程（SimultaneousEngineering），是一种思思想和系统方方法，它以集集成的、并行行的方式设计计产品及其相相关过程，包包括对制造过过程、支持过过程的设计。。并行工程要要求由市场、、工程、制造造和财务等方方面的人员组组成的多职能能产品协同设设计组研究产产品设计、制制造工艺和使使用性能的各各种备选方案案，然后在计计算机上对这这些备选方案案进行建模仿仿真。仿真可可以对每个备备选方案进行行分析，然后后优选出一个个方案，并可可在详细图纸纸发放前把各各种改进建议议纳入设计过过程。这种方方法的目的是是使产品开发发人员从一开开始的概念形形成到投放市市场的整个产产品生命周期期中，就要考考虑到质量、、成本、开发发时间和用户户需求等所有有组成因素。。65长期以来，产品开发过程程一直采用串串行工作模式式，其工作流流程如图5-26所示。串行的步骤：：①由设计部门设设计产品、产产生工程文件件（如工程图图纸）；②然后由生产部部门读懂这些些文件，根据据这些文件进进行生产准备备工作和拟订订工艺规划（（如加工工艺艺、装配工艺艺等），并组组织设备和人人力，安排生生产，有时还还需设计和制制造专用夹具具；③质检部门依据据有关技术要要求制定检验验计划；最后后编写有关产产品使用和维维护技术文件件，交付产品品。这种串行工作作模式的缺陷陷在于：在设计过程中中不能及早考考虑制造过程程及质量保证证等问题，造造成设计制造造和使用严重重脱节，使产产品开发过程程成为设计、、加工、测试试、修改设计计大循环，产产品设计通过过重复这一过过程趋于完善善，最终满足足用户要求。。这种方法不不仅造成设计计改动量大、、产品开发周周期长，而且且使产品成本本高。在目前前这种竞争激激烈、产品更更新换代快的的市场条件下下，这种方法法的缺陷已经经严重威胁着着企业的发展展。需求分析图5-26串行工作模式式66为解决上述问问题，仅通过过改进产品的的生产过程所所取得的效果果甚微，只有有改进产品的的开发过程才才是最佳方案案。据调查分析，，企业组织结结构的改进是是企业从应用用技术中获得得更大潜在效效益的重要因因素；改进产品的开开发过程比改改进产品的生生产过程获得得的效益更为为显著。因此，在计算机技术术、数字化建建模技术及互互联网技术的的支撑下，企业开始进行行并行工程的的设计制造模模式，并取得得了显著的效效益。67并行工程通过过集成企业内内的一切资源源，使生产的的整个过程在在设计阶段就就全面展开，，以确保设计计和制造的一一次成功率。。并行工程的关关键是产品及及其相关过程程设计工作的的集成，相关关过程包括市市场分析、原原材料采购、、产品成本估估算、加工、、装配、检验验、销售及售售后服务以及及报废处理等等。产品开发过程程中的各阶段段工作交叉、、并行进行。。这种工作方方式依赖于产产品开发中各各学科、各职职能部门的人人员的相互合合作、相互信信任和信息共共享，通过彼彼此间有效地地通信和交流流，尽早考虑虑产品整个生生命周期中的的所有因素，，尽快发现并并解决问题，，以达到各项项工作的协调调一致。并行工程的工工作流程如图图5-27所示。68需求分析产品数据管理（PDM）方案设计初步设计详细设计制造装配售后服务设计反馈制造反馈市场反馈需求分析需求分析需求分析需求分析需求分析需求分析需求分析设计步骤出厂图5-27并行工作模式式图5-27:并行工程的工工作流程69并行工程在设设计阶段集中中有关产品研研制周期的各各部门的工程程技术人员进进行产品和有有关过程的设设计，并对产产品性能和有有关过程进行行计算机仿真真、分析和评评估，提出改改进意见，以以取得最优的的结果。通过过这一策略，，不仅实现了了产品的设计计优化，而且且使整个产品品开发过程得得到优化。图5-28（见下页）为为串行工作模模式与并行工工作模式的比比较，从图中中可以看出，，现在的数字字化设计通过过采用并行设设计，比以往往串行设计大大大节省了时时间，缩短了了设计周期，，从而使成本本大为降低，，这对制造企企业在市场竞竞争中获取优优势至关重要要。70需求分析产品设计工艺设计制造装配服务串行设计时间需求分析产品设计工艺设计制造装配服务并行设计时间节省的时间图5-28串行工作模式式与并行工作作模式的比较较71二、并行工程程的最终目标标并行工程是一一个复杂的系系统工程，通通过这种全新新的设计与研研发模式，并并行工程最终终要实现的目目标如下：（1）提高产品及及其开发全过过程（设计／／工艺／制造造／服务）的的质量并行工程强调调产品质量不不应靠检验来来保证，而是是要将质量融融于其设计与与制造的全过过程。亦即以优化的的产品设计和和制造过程保保证产品质量量。设计与制制造过程的不不断完善和提提高，是产品品质量的有力力保证。（2）降低产品整整个生命周期期的成本并行工程追求求的降低成本本是指降低产产品整个生命命周期的成本本，它不仅包包括设计、制制造、装配、、检验等的成成本，而且还还包括产品使使用过程中能能源、维修等等的消耗。虽虽然并行工程程强调的“一一次成功”使使设计过程的的成本有所增增加，但由于于产品生产成成本的70%和产品生命周周期总成本的的80～90%是由设计阶段段决定的，因因此，设计阶阶段所获得的的最优设计方方案对于降低低产品生命周周期总的成本本意义显著。。此外，并行行工程采用计计算机仿真技技术，对“软软样品”和生生产过程进行行仿真，省去去了以往设计计制造样品的的反复过程，，从而也可以以使成本大大大降低。（3）缩短产品开开发周期并行工程通过过提高产品设设计质量，减减少了再设计计工作量和反反复过程；同同时通过并行行开发优化的的生产过程，，不仅可以缩缩短设计周期期，而且有利利于提高生产产效率。此外外，由于与产产品有关的生生产过程在设设计阶段就已已确定，一系系列的生产准准备工作可大大大提前进行行，可以缩短短生产准备时时间，从而缩缩短产品的开开发周期。72采用并行工程程后，产品的的主要效益据综合统计，，采用并行工工程后，产品品的效益主要要体现在以下下几个方面:(1)改善了产品质质量：制造缺缺陷下降了87%,外场故障率下下降了83%。(2)缩短了研制和和生产准备时时间：产品研研制时间缩短短了60%,生产准备时间间减少了10%。(3)优化了产品研研制过程：产产品设计及其其制造过程的的一体化设计计，使工程更更改与图纸更更改减少,早期的生产工工程更改量减减少了50%,备件贮存减少少了60%,工程原型机的的制造工作量量减少了3倍,废品和返工减减少了87%，制造成本降降低了30～40%。73图5-29为采用与未采采用并行工程程的工程更改改量的比较，，从图中可以以看出，与传传统工程方法法相比,并行工程的更更改量明显减减少,且大部分更改改在产品交付付以前完成。。图5-29采用与未采用用并行工程的的工程更改量量比较74三、并行工程程应注意的问问题并行工程是在在保证产品质质量的前提下下，尽量追求求低成本、短短周期、高效效益，因此，，并行工程在在实施过程中中应注意以下下几个方面的的问题：（1）并行工程不不能随意取消消一个完整的的工程过程中中现存的、顺顺序的、向前前传递信息的的任一必要环环节，所有的的下游过程都都是为了完成成费效比最优优的联合设计计。（2）并行工程不不是同时或交交叉地进行设设计和生产。。并行工程要要求同时进行行产品及其