（航空宇航制造工程专业论文）基于多态模型的飞机钣金零件制造模型数据管理.pdf

摘要 数字化定义技术的发展与应用在工程设计领域问题求解中起着不可替代的作 用。飞机钣金零件制造模型数据管理是面向制造的钣金零件数字化定义的发展趋 势和必然选择。钣金零件制造模型数据管理涉及工程设计过程的诸多环节，与工 艺性评估、工艺设计、工装设计等业务过程关系密切。如何有效地实现零件制造 模型数据的产生、传递和使用过程的规范化、有序化和可控化，为不同阶段的工 程设计过程提供制造模型数据，并进行工程化应用，是钣金零件制造模型数据管 理需要解决的主要问题。 本文以飞机钣金零件制造模型数据为研究对象，以数据产生、组织和使用的 三个主要影响要素“人员一数据一流程”为出发点，根据多态模型数字化定义理论 及其研究进展，结合产品数据管理研究思路，从制造模型的数据组织、定义过程、 管理及应用方法、系统构建、实施方案和实例应用等方面，展开了深入研究。主 要的研究工作包括： ( 1 ) 分析了钣金零件制造模型的数据特点及其应用需求；阐述了多态模型理 论及其应用方案，分析了典型制造状态的数据内容并给出了典型飞机钣金零件状 态模型；在此基础上研究了制造模型的定义过程和典型状态的定义次序。 ( 2 ) 分析了钣金零件制造模型数据管理的相关部门、人员及角色关系，建立 了基于规则的“角色一权限”控制模型；采用基于多态模型的数据组织策略，建立 了制造模型数据管理的节点数据对象模型；阐述了飞机钣金零件状态划分过程， 从模型合理性、制造工艺性和工程适用性等角度研究了状态划分的原则及依据， 建立了基于知识的状态划分方法和基于x m l 的状态方案表达方法；在此基础上建 立了钣金零件制造模型的设计和更改流程管理模型。 ( 3 ) 构建了钣金零件制造模型数据的集成应用框架，阐述了其体系结构，从 信息集成角度分析了多态模型定义系统、p d m 系统及工程设计协同平台之间的集 成关系；构建了基于多态模型的钣金零件制造模型数据源( m m d r ) ，并分析了 其与制造系统的关系：在此基础上建立了基于制造模型的数字量传递方法。 ( 4 ) 设计了钣金零件制造模型数据管理系统的体系结构、功能模块、运行流 程及接口，完善了多态模型定义系统并基于p d m 系统进行了功能定制，制定了飞 机钣金零件制造模型管理的实施方案，并给出了应用实例。 关键词：制造模型；p d m ；多态模型；制造模型数据源；飞机钣金零件 a b s t r a c t w i mi t sd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n ，d i g i t a ld e f i n i t i t c c l l l l o l o g yh 硒b o c o m e e s 湖t i a li l lt l l e i u t i o no fe n 百n 硎n gd e s i g np b l 哪m a n u f 缸劬gm o d e ld a t a m 锄a g 锄c n ti st h e 订肌do fm 柚u f k l i i r i i l g - o r i e n t e dd i g i t a ld e f i n i t i o fa i r c f a f ts h e n m e t a lp a n s ，柚dr c l a i e st o m ea s p e c t so f 锄g i c r i n gd c s i 盟s u c h 豳m 锄u f h c t i l 】协i l i t y “a l u a t i o i l ，p r o c 鹋sp l 删n g 姐dt o o ld e s i g n s oi t si m p o f t a n t t 0m a k et h e 删i 0 i l 觚d u s i n go fm 锄u f 砬t i i r i n gm o d e l d a t an o m a t i v e 锄dc o n 仃0 1 1 a b l e ， 趾dp r o “d e m 删f k t i l r i n gm o d c l 讹a te v e r ys t a g eo f e n 舀n e 响gd e s i g n 缅唧t i c a la p p l i c a t i 0 1 l mt h i sp a p m a n u 缸t i l r i n gm o d e ld a t ao fa i r c r a f ts h tm e t a lp a n si sr 髓e a r c h c d i ns 哪e 猫p c c t s 蚰c h 船d a t ao r g 觚i z a t i ，d e 觚t i p r o c c s s ，m 锄g 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d c ld a t ar 船o u r c e ( m m d r ) i sb u i n ，觚dm a 肌f 配h l r i n gm o d e l - b 勰c d d i 舀协lt r a m f 打m e t h o di sp r 叩o s c d ( 4 ) t h e 眦h i t c c t 0 1 1 i c s ，f i l l l c t i o i lm o d u l e ，o p e r a t i o np r o c e s s a n di n t 刊eo f m a m i f a 咖r i n gm o d e ld a t am 趾雄脚n 吼ts o f t w 孤es y s t 锄f b r8 h e e tm e t a lp a i t s 越e d e s i 弘c d m u l t i s t a t em o d e ld e f i n i 垃o ns y s t e r ni si m p r ：o v e d 柚df i l n c t i c u 咖m i z a t i o fp d ms y s t 锄i s 咖l e i i l 锄t e d t 1 1 ea p p l i c a t i o ns c h 锄ao fm a n u f 她t i l r i n gm o d e l m 孤a g e i i l c n tf o r s h e e tm e t a lp a n si se s t a b l i g h e d ，粕d h o w e dw i m 雏戥锄叩l e k e yw o r d s ：m 锄u f 如t u r i i l gm o d e l ；p d m ；m u l t i - s 诅t em o d e l ；m 锄u f h c t i | 】曲g m o d c ld a t ar 鹤o u r c e ；s h c c tm c t a lp a r t s l v 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人 保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名弱水 却年，月矽日 指导教师签名： d 厶a 0 7 年? ， 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：j 塑幺! 7 7i ， 埘年j 月矽日 第l 章绪论 第1 章绪论 面向制造的数字化定义是钣金零件制造技术发展的一个重要趋势和基本特 征。钣金零件制造模型的内容、组织及管理方法也发生了深刻变革，飞机钣金零 件的结构与成形工艺特点决定了钣金制造模型数据管理的困难度与复杂性。制造 模型数据管理是推动和完善钣金数字化定义技术的关键。然而，制造模型数据管 理方法尚需发展，制造模型数据管理的关键技术及应用方案还有待进一步研究。 基于多态模型的飞机钣金零件制造模型数据管理方法具有重要的理论和工程意 义，本文就是在此方向上进行的研究。 1 1 研究背景及意义 ( 1 ) 钣金数字化制造对零件制造模型的需求 钣金零件制造实质上是一个对零件经过建模、数据传递和加工处理等系列环 节组成的连续过程，最终形成零件的完整定义、信息描述并物化的全过程。因此， 钣金零件可以看作是一簇数据集的物质表现。 图1 1面向设计制造全过程的钣金零件数据分类 面向零件设计制造全过程，钣金零件数据可以分为设计数据和制造数据两大 类。如图卜1 所示，设计数据与制造数据是零件整个设计制造过程的主体数据内 容，零件的设计数据并不能完全满足制造过程的应用需求。需要对零件设计数据 西北工业大学硕士学位论文 进行面向制造过程的扩展和定义，以满足零件工艺性评估、工艺、样板和成形模 具设计的需求，包括同构系统对几何数据的应用和异构系统对零件信息的引用。 将零件制造数据按照一定的规则或约束组织起来，应用于不同的制造领域即 称之为零件的制造模型。钣金零件的制造包含了一系列基本的工序。如果说零件 设计的结果是一个实体模型，则制造过程对应多个实体模型。钣金零件的制造模 型一般不是一个单一的模型，对于从毛坯到成品零件的零件制造过程，在物料流 中表现为工序件特征和空间位置的改变，在信息流中表现为毛坯、中间件以及最 终成品件等状态衍化过程。零件制造模型由多个制造工序的工件模型共同构成， 这些模型既是零件工艺设计、工装设计和工件检测的依据，也是工艺过程仿真的 基础。在传统制造技术条件下，制造协调依据以“模拟量”形式固化于物质载体 上，如飞机钣金零件制造的“模线一样板”工作法，这种方法已经无法适应现代零 件快速、准确和数字化制造的要求。虽然零件的数字化模型定义了设计模型，但 无法满足制造过程中的应用需求，只有实现零件制造模型的数字化定义才能全面 实现数字化制造，发挥数字化技术的效能。因此，在现代数字化和集成化制造环 境下，钣金零件制造模型定义与管理技术决定了零件制造的效率与质量。 ( 2 ) 多态模型的提出和发展 多态模型是基于钣金零件的制造特点而提出的适应数字化发展趋势的理论体 系，旨在解决钣金数字化制造过程中零件制造模型的组织与表达难题，进而从根 本上实现模拟量传递向数字量传递的转变。多态模型的基本理念是将零件的制造 过程离散为面向不同应用领域的多个必要的、可以精确定义的“状态”，在状态 下组织数据和定义几何模型，用于支持和管理钣金零件的制造过程及数据0 1 。如图 卜2 所示，在本文研究中，采用多态模型作为钣金零件制造模型的组织框架。 设计态是在零件设计信息的基础上补充定义形成的零件状态。一般通过读取 零件设计信息和交互输入的方式定义，除c a d 模型外状态信息采用自定义的表示 方法。制造态是工艺过程各加工工序形成的工序件的信息。对不同类型的飞机钣 金零件，根据零件的结构特点及成形工艺方法可以划分不同的制造状态。 多态模型为钣金零件制造过程提供统一、完备、准确的零件信息，直接传递 到成形性评估、工艺指令设计、工装设计、工艺参数设计等各个制造环节，在问 题求解中可以引用模型中的状态信息直接通过几何运算以及知识重用进行决策， 实现钣金制造的数字化和智能化。多态模型研究在不断完善制造模型结构与内容 的同时，正逐步向制造模型管理的方向发展。 2 第l 章绪论 图1 2面向制造的飞机钣金零件多态模型组织 ( 3 ) 钣金零件制造模型数据管理需求 随着现代飞机制造技术的发展，飞机产品严格的外形要求和特殊的制造方法， 使得其制造复杂度对产品数据管理技术提出了更高的要求，产品数据管理( p r o d u c t d a t am 锄a g 咖e n t ，p d m ) 技术已经成为飞机数字化制造的使能工具和必然要求。 国内外大型航空企业和研究院所都在数据管理技术上进行深入研究与应用探索。 p d m 是一门管理所有与产品相关的信息和所有与产品相关的过程的技术0 1 。其根本 目的是进行产品级的数据与过程管理，根据其发展历程及技术现状，主要表现为 对产品设计数据的管理。 钣金零件作为飞机结构件的重要组成部分，其制造模型数据管理因为复杂的 制造过程而独具特色。钣金制造模型数据管理的根本目的是为零件制造过程提供 统一、精确的制造模型，并在此基础上结合数字化技术，重构钣金零件的制造流 程。在目前数字化制造与传统制造手段并行的前提下，零件数据与工艺数据、工 装数据、管理数据等在制造过程中交替生成、互相关联，如何保证数据的可靠性、 完整性、当前性和一致性是零件制造模型数据管理的关键。 目前航空企业在制造模型管理方面存在如下诸多问题：首先，未能清醒地认 识到设计数据与制造数据的本质区别，将制造模型数据管理与产品数据管理混为 一谈；其次，对制造模型数据组织与定义过程未进行更深入的实践，将影响钣金 零件制造流程的变革理解为数字化定义工具的局部应用；再次，制造数据不统一， 西北工业大学硕士学位论文 制造过程交互繁琐，数据安全及数据共享问题突出，管理方法与应用方法有待于 进一步深入研究。因此，寻求符合企业实际、具备可操作性的钣金制造模型数据 管理方法，实现零件制造过程的数据集成管理已经成为当务之急。 综上所述，本文着重从以下方面展开研究： 钣金制造模型数据特点设计模型与制造模型数据特点的不同决定了其管理 方法差异。研究钣金制造模型数据特点是其管理的基础。 钣金制造模型数据组织多态模型为钣金制造模型数据提供了一种合理的组 织框架，然而细化数据内容，有效分析和组织状态文件仍需进一步研究。 钣金制造模型数据定义研究钣金制造模型数据的定义过程是制造模型管理 的前提，是分析信息流程和重构工作流程的必要条件。 钣金制造模型数据管理将人员、数据和过程三者有效地结合起来，形成流 畅的、合理的制造模型数据定义与管理过程，是钣金零件制造模型数据管理研究 的主要内容。 钣金制造模型数据应用钣金制造模型数据管理的最终目的是在工程化应用 中取得良好的效果，研究其应用方法是进行实施的基础。 针对以上问题，文中提出了一种基于多态模型的钣金制造数据组织方法；通 过人员、数据、过程三要素建立信息模型研究其管理方法；通过构建集成应用框 架与制造数据源研究其应用方法；通过构建工程应用平台和标准规范研究其实施 方案；最终改变现行的钣金制造模型数据管理的体系、方法与手段，实现飞机钣 金数字化制造中零件数据的共享、集成和应用，为提高飞机钣金制造水平提供有 效保证。 1 2 国内外研究进展 钣金制造模型数据管理属于数据管理与制造工程交叉结合的领域，是通过定 义和管理制造模型以提高零件成形质量、缩短制造周期的方法。本节在分析总结 制造模型数据管理的内容后，结合钣金零件制造，归纳一些具有代表性的制造模 型数据管理技术研究，最后给出总结。 ( 1 ) 制造模型内容与定义 针对零件模型的内容，文献“1 提出了包含知识、零件、特征和参数四个信息层 的弯曲件建模框架，文献”1 分析了零件模型中结构、管理和功能三类数据内容。 n w b o w l 锄d 等人“1 提出了面向装配的p d m 数据组织方法，对面向制造过程数据组 织具有很高的参考价值。针对钣金数字化制造的特色和难点，王俊彪等人提出了 多态模型数字化定义理论体系，并在此基础上做了大量原创性的研究。王俊彪“1 4 第l 章绪论 提出了钣金多态模型的基本概念并进行了科学论证，盛兵”1 在此基础上发展了基于 变维向量空间的钣金件多态模型数字化定义方法，文献o ”分析了钣金零件模型的 多态性，提出钣金零件多态模型的概念，并发展了多态模型的状态、特征、要素 和数据的四层结构，本文即采用此方法实现钣金零件制造模型数据组织。 多态模型为零件数字化定义提供了合理而可行的理论基础与技术支撑，并在 企业工程化应用中体现出良好的效果，为基于多态模型的制造模型数据管理提供 了基础理论支持和研究验证条件。 ( 2 ) 制造模型数据管理 p d m 技术早在上世纪八十年代初期就已经出现，它源自于c a d 技术应用的不 断扩展和深入。p d m 技术最早用于进行c a d 系统的图纸管理，c a d 的广泛应用产 生了大量的数字化图纸，这些数字化图纸如何检索、存储和管理涉及到大量的数 据管理问题，从而产生了对p 蹦技术的需求0 1 。近年来，许多专家学者在制造数据 管理领域进行了广泛的探索。蒋辉“”从分析b o m 的基本概念入手，结合产品生命 周期中b o m 数据的变化过程，提出了基于b o m 演变的制造数据管理，其研究体 现了动态的制造数据管理思想，但是缺乏对制造过程几何信息的定义和解释，无 法支持制造全过程数字化需求。王建涛、方明伦等人n 1 1 建立了一个集零件信息。 材料库、标准件、产品结构及配置管理于一体的基于p d m 集成化数据管理模型， 其研究体现出信息集成的思想，却因钣金零件工艺性特色而受到了应用上的限制。 b e f ie ”a r d 等人“”提出了基于u m l 的p 删建模方法，对本文制造模型数据流的 定义具有良好的借鉴意义。 ( 3 ) 制造模型数据应用 杨玺0 1 提出了基于单一数据源的飞机制造信息管理技术，研究了一种逻辑上单 一的制造数据源构建方法，为本文多态模型制造模型数据源构建提供了有益的借 鉴，然而其对钣金制造特色和工艺性缺乏深入的分析和研究。周丹霞、殷国富等 人o ”提出基于w e b 的制造数据集成化管理思想，利用动态服务器网页技术，开发 了基于浏览器服务器三层网络体系结构的制造数据集成管理系统，包含工程项目 管理、工艺文件管理、工艺资源管理、图文档管理、工装管理、任务管理等，其 研究采用了网络化制造技术，对本文的技术途径和系统架构具有良好的借鉴意义。 吴涛、宋豫川等人m 1 研究了基于x m l 的网络化制造数据转换和传输技术，建立了 一种网络化的数据转换和传输模式，实现企业数据库和标准的儿文档之间的相 互转换。齐建军、刘爱军等人“”研究了基于讧l 模式的制造数据集成规范，定义 了异构系统间数据交换的内容和格式，探讨了制造数据集成规范的制定方法和相 关技术，其研究对于建立制造数据传递标准和规范有重要意义。另外还有许多学 5 西北工业大学硕士学位论文 者提出了不同的制造数据管理方法，为本文的研究奠定了坚实的理论和技术基础。 综上所述，钣金制造模型数据管理的研究已经具备一定的研究广度和深度。 多态模型是一个经过初步工程化应用的，可以实现钣金数字化制造的理论体系， 然而前期研究侧重于内容和定义方法的研究，在研究深度上，基于多态模型的制 造模型数据管理的研究还不够。在多态模型数字化定义基础上的钣金零件制造模 型数据的产生、流动、转化和管理还有待于进一步研究，在制造模型数据集成、 数据传输和转换等方面的理论研究和技术验证还有待于迸一步突破，基于多态模 型的钣金制造模型数据管理方法尚未形成。因此，综合解决上述问题，最终形成 多态模型体系下支持钣金零件数字化制造全过程的制造模型数据定义、管理体系， 符合钣金数字化制造的发展趋势。 本文对钣金零件制造模型数据管理方法研究中，采用多态模型框架结构，基 于多态模型进行钣金零件制造模型数据组织和建立钣金零件制造模型数据管理方 法，设计并定制开发饭金制造模型数据管理系统。形成面向制造的钣金制造模型 数据管理技术体系。为实现钣金数字化制造过程中制造模型数据管理提供理论依 据和技术支持，满足钣金数字化制造中对制造模型数据管理的要求。 1 3 论文的主要内容与章节安排 本文以钣金制造模型数据为研究对象，以多态模型理论和p d m 理论为基础理 论依据，结合多态模型数字化定义技术研究现状，从钣金零件制造模型数据组织、 定义方法、管理及应用方法等方面研究钣金制造模型数据的产生、传递、转化与 管理过程，建立面向制造全过程的飞机钣金制造模型数据管理的理论和技术体系。 研究内容如图1 _ 3 所示。 网一 图1 - 3论文的主要内容 ( 1 ) 在方法层次上，通过对制造模型数据组织、定义过程、人员管理模型、 数据构型笔墨及工作流程管理模型的研究，发展并完善钣金制造模型理论，建立 钣金制造模型数据管理方法。 ( 2 ) 在应用层次上，将制造模型管理方法应用于钣金制造过程，构建制造模 6 第l 章绪论 型数据集成应用框架、钣金零件制造模型数据源、基于制造模型的数字量传递方 法，定制开发并实施制造模型数据管理系统，形成数字化、工程化应用体系。 本文由六章构成： 第一章介绍选题的背景及意义、国内外研究进展和本文研究内容。 第二章提出基于多态模型的钣金制造模型数据组织及定义过程。 第三章从人员、数据和过程三要素角度构建钣金制造模型数据管理方法。 第四章提出钣金零件制造模型数据集成应用方法，建立集成框架及钣金制造 模型数据源。 第五章建立钣金制造模型数据管理系统架构，介绍实施方案及应用实例。 第六章总结论文研究工作。 1 4 本章小结 本章在概述飞机钣金零件制造模型数据管理的研究现状和发展趋势的基础 上，介绍了本论文研究的目的及意义、研究对象、技术现状及主要研究内容等。 7 第2 章基于多态模型的钣金零件制造模型数据组织 第2 章基于多态模型的钣金零件制造模型数据组织 钣金零件的制造过程实质上是一个对零件进行数字建模、数据传递、拓延和 加工处理的过程，最终形成的钣金零件可以看作是数据的物质表现在此过程中， 钣金零件的塑性变形及多工序成形特性，使得其制造模型数据的产生和传递过程 尤为复杂。随着数字化制造技术的发展，钣金零件制造发生了深刻变化。传统使 用“模线一样板一标准样件一零件成形模具”的模拟量传递体系，正逐步转变为“全 机数字化定义一制造模型一数控加工一数控检测”的数字量传递体系。大量制造模 型数据的产生对其组织方法提出了迫切的需求。数字化条件下飞机钣金零件制造 模型数据的产生过程和组织形式成为解决钣金制造模型数据管理的先决条件，分 析钣金零件制造模型数据特点及其定义过程成为解决问题的首要途径。 2 1 钣金零件制造模型数据特点及应用需求 2 1 1 钣金零件制造模型数据特点分析 从零件制造数据角度看，钣金零件在制造过程中包含几何数据、工艺数据、 管理数据等，数字化制造技术的发展与应用使得钣金零件制造发生了根本性变化， 钣金零件制造模型数据的表示、组织、传递与管理过程呈现出新的特点。主要体 现在以下方面： 制造模型数据量大，数据类型众多 钣金零件具有单件小批量生产、空间结构复杂、零件类型众多及成形工艺多 样等特性，需要大量的数据来表征零件的制造状态和过程。制造模型不仅具有丰 富的几何数据，还包含制造过程中产生的不同类型的工艺、管理数据等，这使得 制造模型在整体上具有数据量大、数据类型众多的特点。 制造模型结构复杂，数据关联性强 钣金制造模型数据产生于零件制造全过程，模型数据的结构复杂度与关联度 主要体现在几何模型上。制造模型是工序件数据模型的集合，而工序件几何模型 又是零件设计几何模型在不同制造阶段的具体应用表现。这些几何模型之间存在 密切的分类、组合、继承和引用关系，数据关联性强。 制造模型迭代频繁，数据状态多变 钣金制造模型在不同的制造阶段为满足工艺设计、样板设计、模具设计等多 方面的应用需求而反复迭代，不断完善。制造模型数据在应用过程中不但受设计 或工艺更改等因素影响，而且受自身发布和逐步完善的影响，数据状态多变。其 具体表现为制造模型的设计、校对、审核、批准、发布和更改等动态阶段。 9 西北工业大学硕士学位论文 制造模型共享面广，应用领域众多 钣金制造模型应用于零件制造的全过程，其目的是为钣金零件制造提供唯一、 精确的零件定义数据，因为零件制造模型数据共享面不仅覆盖制造环节的工程设 计部门，而且影响车间加工及数据管理部门，其应用领域包括工艺设计、成形性 评估、样板设计、模具设计及成形加工过程。 制造模型数据源多，集成应用困难 数字化技术的广泛应用使得钣金零件制造的各个环节产生了大量的“信息孤 岛”，从设计、分析、工艺、制造以及质量控制、生产计划和资源管理等，制造 过程中不同功能、不同版本的应用系统产生了不同类型和格式的制造模型数据， 其逻辑与物理分布特性决定了制造模型数据集成应用困难。 综上所述，钣金零件制造模型数据特点对其组织及管理方法提出了更高的要 求，主要体现在以下方面：数据量大、数据类型众多的特点决定了钣金制造模型 的数据组织必须具有开放性和可扩展性；数据结构复杂和关联程度高的特点决定 了钣金制造模型数据组织必须具有层次性和有序性；数据迭代频繁和状态多变的 特点决定了钣金制造模型数据必须是可升级的动态组合；数据共享面广和应用领 域众多的特点决定了钣金制造模型必须要为制造过程的多个环节提供数据支持； 数据源多和集成应用困难特点决定了钣金制造模型必须为零件制造过程提供一个 逻辑上统一的、满足数据安全性的制造模型数据源。 2 1 2 钣金零件制造模型数据应用需求 以国内某航空制造企业为例，其设计数据与制造数据对比如表2 1 所示。 表2 一l设计数据与制造数据对比 设计数据制造数据 数据来源设计所制造工程部，模线所、钣金厂、工装所等 数据内容零件三维数模、设计说明书等工艺文档、样板模具工序件数模等 数据格式 p n ，d w g ，d o c 等p m d w g ，d o c 等 以产品为核心组织数据，体现产品层以零件为核心组织数据，体现零件制造过程 组织方式 次结构关系数据衍化关系 生存时间从设计到更改、定版、发布从工艺性审查到零件制造，检验 数据版本统一发放，统一版次各制造部门独立发放、自定义版次 使用部门下游所有相关部门有业务关系的部门间互相使用 管理部门设计所各自管理 管理软件p d m 等暂无 l o 第2 章基于多态模型的钣金零件制造模型数据组织 针对我国多数航空制造企业设计与制造部门分离的现状，结合钣金设计与制 造模型数据特点，钣金零件数据管理主要分为设计数据和制造数据管理两方面。 目前企业设计数据的管理主要通过p d m 实现。产品数据管理是以软件技术为 基础，以产品为核心，实现对产品相关数据、过程、资源一体化集成管理技术。 面向制造企业，p d m 进行管理的数据包括静态的产品结构和动态的产品设计流程， 所有的数据组织和资源管理都是围绕产品设计展开的。当产品是层次式结构并且 在需要对文档的存取进行控制的场合，p i ) m 系统往往能被成功地运用在以刨造和 协作为特点的设计阶段( 如c a d c a m 阶段) 。 尽管p d m 系统对数据的管理提供了良好支持，特别是在产品设计过程的初级 阶段，但它对产品开发过程中固有的非结构化的过程管理的支持是有限的，只提 供了很弱的活动定义功能，对制造阶段的活动定义更是不曾涉及“”。而设计数据 与制造数据的区别使得p d m 不能完全管理设计到制造的所有数据。因此，p 删的 成功实施大多是设计院所或者是制造企业的设计部门。设计数据管理与制造数据 管理的异同如表 2 所示。 表2 2p d m 与制造模型数据管理对比 p d _ 制造模型数据管理 围绕核心产品设计零件制造 理论支持c n 订、系统工程思想、并行工程思想多态模型理论、协同设计理论 n 屯a n ，w 协d c h m ，e m a 仃i 】【、 暂无特定的软件产品，部分部门采用 软件产品 s l i l a r t b 锄、m e t a p i l a 、g s - p d m ( 国 p d m 进行有限的制造模型数据管理 产) 数据仓库和文档管理、工作流程管理数据仓库和文档管理、工作流程管 核心功能 及产品结构管理理，数据传递与转换 人员模型单一部门角色，角色层次单一多种部门角色，角色层次多样 数据模型产品结构树+ 关系文件零件结构树+ 关系文件 流程模型设计、更改、审批流程定义、更改、审批流程 系统接口p d m 软件系统与c a d 、c a p p 等软件接口 管理方式设计部门统一管理分散式定义，集中式管理 钣金制造目前很普遍的情况是，设计工程师使用p d m 系统，而生产管理者或 制造过程中的设计人员使用生产规划、工艺设计、制造模型定义以及样板、模具 设计方面的软件系统。设计使用的软件系统和制造使用软件系统很少甚至根本就 不存在数据互通。这就造成了两个问题：其一，制造过程中的数据缺乏统一管理； 其二，设计数据的变化不能及时地反馈到制造领域中去。因此，提供支持制造过 西北工业大学硕士学位论文 程的数据管理和保证设计、制造数据的一致性就变得非常重要。 因此，针对钣金零件制造模型数据应用需求，采用设计、制造数据分开管理、 相互关联的方法，采用基于制造模型的理论和方法组织并管理制造过程的零件数 据，以解决数据异构问题；采用基于p d m 的平台实现制造过程的系统集成，以解 决数据集成应用问题。 2 2 飞机钣金零件制造模型数据组织 2 2 1 多态模型理论及其应用方案 2 2 1 1 多态模型的内容与结构 传统钣金制造过程中采用的基于模线、样板等模拟量传递为主的协调方法， 最根本原因是钣金零件制造过程各个环节的几何形状没有严密的数字化定义。通 过对钣金制造过程各阶段的几何模型及其相关属性进行精确数字化定义，各中间 状态数据共同构成一个集成的模型，即多态模型“。如图2 一l 所示。 if设t f 态1 制j 盘奈1 6 。i 。n l i l | 材料特缸 | | 功能特征h 形状特缸f 日r 艺特征| 1 管理特衍8 嗍辨圆圆圈 | 数值，拓扑结构i 状 态 层 特 征 层 第2 章基于多态模型的钣金零件制造模型数据组织 多态模型从上到下共划分为四个层次：状态层、特征层、要素层和数据层。从不 同的层次上看，多态模型是不同组元的集合。多态模型由多个状态构成，各个状 态以不同特征值相区别，状态又由低层次的特征所组成，特征又由多个要素组成， 要素又由描述其属性的数据组成。 多态模型不同层次之间及同一层次内组元之间是相互联系的，这些关系的总 体就是模型的结构。多态模型组元之间关系共有两种类型：相邻上层与下层组元 间的包含关系( 逆向为“隶属”或“包含于”关系) 和同一层内组元问的关联关 系。关联关系可以根据组元之间逻辑关系和空间拓扑结构进一步细分为以下几种： 邻接联系组元产生的时间先后顺序或空间相互位置关系。如：制造态定义 的先后顺序、结构特征中定位孔间的邻接。 引用联系一个组元对另一个组元包含内容的引用，如：各制造态对设计态 共同特征信息的引用。 从属联系组元之间逻辑上的决定关系或主从关系。如：结构特征从属于功 能特征。 钣金多态模型数字化定义以零件设计模型为依据，定义制造过程各个状态信 息，完成成形件态定义、中间工序件定义和毛坯计算，共同构成多态模型，为后 续的工艺设计、样板设计、模具设计与制造提供数据。多态模型定义技术包括数 字化展开、特征建模、回弹修正、工艺性评估等关键技术，主要解决钣金件数字 化定义模型的传递、使用和管理等问题，以满足数字化制造系统对全数字量传递 的要求。 2 2 1 2 多态模型的应用方案 飞机钣金零件品种多、结构复杂、尺寸各异、刚度小，需要利用体现零件形 状和尺寸的成形工艺装备来制造，以保证其成形质量和协调精度。在传统的飞机 钣金零件制造技术中，零件的理论尺寸通过模线、样板或标准样件等模拟量传递 到成形工艺装备，工艺设计也主要依赖工程设计人员的经验。如图2 2 所示，由 于传递环节涉及成形加工的反复试制过程，零件的制造周期长、返工率高、制造 精度难以提高。 1 3 西北工业大学硕士学位论文 图2 - 2传统模线- 样板协调路线 传统钣金零件制造最为显著的特点是以模线、样板等模拟量作为零件信息载 体传递到工艺装备。随着数字化技术的应用，钣金制造模型数据载体从“模拟量” 逐渐变为“数字量”。“数字量”信息具有精确、安全、传递易行、并行分布式 处理等优点。飞机钣金零件多态模型应用方案如图2 3 所示。 厂i 丽 塑! 剐粢谖算 毛坏态i i 中f h j 件杏i iii 成形什态成品件 工序工装| | 丁序| | 工装il 工序ll 工装ll 工装ll 检 设计| | 设计| j 设计| | 设计ll 设计i l 设计l i 设计i l 测 制造指令设计1 e = = 纠j 下科h 成形hh 成形卜- 叫捡齄 图2 3 钣金零件多态模型应用方案 数字化技术及其应用的迅速发展，使得c a d 、c a _ p p 、c a e 等计算机辅助系 统成为钣金制造中的主要工具。当前的计算机辅助系统偏重于提供工程人员在绘 图、计算和分析等方面的功能支持，而钣金零件制造从板坯到成品件需经历多个 工序件状态，只有定义毛坯、中间成形件等工序件的数模，才能使用数字量代替 模拟量进行传递与协调。钣金零件数字化制造技术不但要解决零件、工艺和工装 等数据的数字化表达，更重要地是解决如何定义这些制造模型数据以及在数字空 间中信息之间如何传递、使用与转换。 1 4 第2 章基于多态模型的钣金零件制造模型数据组织 2 2 2 钣金制造模型状态数据组织 钣金制造模型采用多态模型的方法组织数据，状态是制造模型数据总体的分 类组织单位，是零件在制造过程中“某一时刻”的信息集合。钣金成形工艺的特 性决定了钣金制造模型是由设计信息到成品件信息的多个状态组成。状态具有相 同的特征类型，以不同特征值相区别。根据制造过程的需要，通常可以划分为设 计态、毛坯态、中间件态、成形件态和成品件态等多个状态。 2 2 2 1 设计态 根据钣金零件设计制造的一般顺序，首先得到的是零件数字化定义模型及材 料、工程等有关属性，本文称之为设计状态信息。设计态是在零件设计信息的基 础上补充定义形成的信息。一般通过读取零件设计信息和交互输入的方式定义， 除c a d 模型外，状态信息采用自定内容格式和表示方法。设计态一般包含零件三 维几何模型、设计说明等数据文件。 2 2 2 2 毛坯态 毛坯态主要描述零件下料加工后形成的毛料或展开料的信息。现有曲面展开 算法是对钣金零件的整体计算，无法直接应用到毛坯态的定义中。按照基于结构 要素的展开方法，以结构要素为单位，在己建立的结构要素数据结构及m 。信 息表达方法的基础上，根据成形工序逆推计算其几何模型。毛坯态一般包含零件 三维模型、x 札数据文件、评估文档和应用于w e b 的浏览模型。 2 2 2 3 中间件态 中间件态主要描述钣金零件成形加工的中间工序件信息。如：异向弯边框肋 零件第一次弯边形成的工序件、复杂蒙皮多次拉形的中间工序件。根据成形工艺 的需要，中间件态可能有多个。与其他状态类似，中间件态一般包括零件三维模 型、沮。数据文件、评估文档和应用于w e b 的浏览模型。 2 2 2 4 成形件态 成形件态主要描述零件主要成形工序形成的工序件信息。按成形工艺要求， 通过对设计态的几何模型添加定位孔、耳片等结构特征或避免成形缺陷对零件外 形进行修改。由于考虑回弹等因素，工件形状在该状态与设计态不一定相同。定 义完成的成形件态几何模型需要进行工艺性评估。该状态一般包含三维几何模型、 设计说明、订l 数据文件、评估文档和应用于w c b 的浏览模型。 2 2 2 5 成品件态 成品件态是应用于零件检验的最终状态信息模型，可作为外形样板设计依据 西北工业大学硕士学位论文 或数字化检测依据，是去掉耳片和余量等特征，符合设计和工艺要求的成品件信 息。成品件态一般包括零件三维模型、订l 数据文件及测览模型。 除此之外，各个状态在设计过程和使用过程中还涉及相关的管理数据等。其 数据内容随着时间改变而改变，并反映在数据管理系统中，在本文中管理数据并 不作为单独的数据文件进行管理。 2 2 3 典型飞机钣金零件状态模型 以某钣金框肋类零件为例，其工件模型在制造过程中的变化如图2 4 所示。 钣金零件从毛料到成品件 对应多个工序，每个工序又有对 应的状态模型。状态特征包括材 料特征、几何特征、工艺特征和 管理特征等。热处理等加工工艺 引发零件材料特征的变化，成形 图2 4 框肋零件制造过程中的状态衍化 过程引发零件几何特征的显著 变化，销钉孔、定位孔等结构要素的添加使零件具有工艺特征，与零件相关的人 员、设备、版本等管理信息随制造过程不断变化，零件状态随特征变化动态衍化。 根据工艺和工装设计需求，框肋类钣金零件的典型状态一般为毛坯态、成形 件态、中间件态、成品件态等。整体壁板、蒙皮等板材零件以及管材、型材等其 他钣金零件同样存在制造过程中状态衍化现象和中间状态定义问题。钣金零件的 典型状态如表2 3 所示。 表2 3飞机钣金零件典型状态 零件租类零件细类 典型状态 框肋设计态，毛坯态、中间件态、成形件态、成品件态等 板材 蒙皮设计态，成形件态 壁板设计态、毛坯态、成形件态等 挤压型材设计态、毛坯态、成品件态等 型材 板弯型材设计态、毛坯态，成品件态等 无扩口导管设计态、毛坯态，成品件态等 管材 复杂类导管设计态、毛坯态、中间件态、成形件态、成品件态等 2 j 2 3 1 框肋零件状态模型 钣金框肋零件是按结构特征分类的隔框、翼肋类零件的总称。其不仅具有复 杂的曲线、曲面外形，数量多、同种零件少，尺寸大，厚度小，刚度较差等钣金 1 6 第2 章基于多态模型的钣金零件制造模型数据组织 零件的一般特点，而且具有弯边、减轻孔、加强窝、翻边孔等结构特征。钣金框 肋零件多采用橡皮液压成形工艺。橡皮囊液压成形是利用橡皮垫或液压橡皮囊作