（航空宇航制造工程专业论文）飞机工艺装备模块化设计技术研究.pdf

西北工业犬学硕士学位论文撩要 摘要 飞机工艺装备简称飞机工装，飞机工装的设计与制造是飞机产晶制造中的关 键琢节，飞槐工装支撑薷飞机零部件制造朔装酗的垒过程，飞机工装在航空主祝 _ 厂所生产审翥着棱其羹耍的拖霞，一巍是飞规产晶磷制遂程中的瓶颈环带，进行 飞机工装的快速设计技术研究具舂重要意义。 模块化设计是产晶快速设计的使能技术，并被认为是简化产品设计、减少开 发成本和缩短研制周期的最有效方法之一和工程设计实践。本论文结合航空基金 “飞机装配型絮模块钱设计技术研究帮，精合模块纯技术进行飞机越装设计投术 研究，研究飞枧工装熟设计族提取和模块提取搜恭，重用经验两知识，基于竣计 族和模块实例推理技术实现飞机工装的快速设计。 本论文的主要研究工作如下# 研究了飞机工装模块纯设计的过糕及其关键控术。提濑戬工装锤务对象 的拓羚缝擒摺戳帮撅工工艺特点相同为原剩进行设计族煞摄取；掇糕飞 机工装特点，以设计族为单位，提想以功能分折和结构分摄穗结合的模 块划分策略和模块划分算法：提出了设计族、模块和模块实例的编号的 源则和具体方法；研究了模块实例的提取过程和方法；研究了以设计族 为单位进行模浚讫设计昀模块规划；掇窭在任意群飞枫工装蕊围肉进 行模块化设计的过程、步骤秘规划。 论述了设计实例信息的内涵，提出了设计实例信息的提取内容，给出了 设计实例信息的描述方涟，并研究了设计资源库的内容。 最意构建了飞枫工装模块纯设诗蒸统，毽播系统的设诗思想霰设计舔 雯| | | 、内部瀛程、功裁模型、俸系结构、嚣发环境翻开发工具等；荠在装 配型架和夹具领域中提取设计族，并进行设计族的模块划分、模块实例 提取、编号和设计倍息提取等工作，完成设计资源库构建的部分工作。 关键词。飞梳工装，模块纯，设计族 西北工业大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t s i 髻辩韪薹避擞徽翮蠢醺敷棼醴基鹳瀚鼗栖式l l 璃瓣l o 姆搿l 蕊添赫托貔爨m 越瓣甄懿疆e p 豁。a i 辩r a 盎t o o l i 毅gs u p p o 啦也e 谪胡e 翩稳m 正w t u r ea 1 1 d 穗8 s e m b l 秘墓ec o u r 舄eo f 8 i 删c o 唧铡帕n t s a i r c f a 最t o o l i n g 驴l a y sa 稳i m p o r 妇觳童蛐s 娩m 熊糕蠡e 抛r e ，鞠d 莲e s i 辨勰鑫黼蠡蛾醴巍娩臻鑫埝。羲鳝i s 蘸硒霉糟磊勰& 幽e 酾掰e 。臻呶s 。 r c s e 箍端ho n 献m 协o l i n g sf 酝td e s i g 髓h a si m p 嫩钼m 黼翩n i n g 。 m o 出l l 锻d e 盘g 纛溉h i q 聪移遮i ne o 磁m o 稳珏s e 南f 辩蛩d i 瓣t 豫盎双琏o s i 星霉，麟锺i s 瓣i 渊瞧e 鳓嚣锺憝o s ti 趱弦f 僦慨魁耋i 窀黼勤蓼搭e c l i 寥蛾鼗g p 黼1 c l _ 诅g 氐贩g 强 r c d u e 地gc o s t 飘ds h o 曛e n i n gm 枷f _ a c 溉sc 弦l o b a s 髟do na v i 撕o nf i u 越s u b i e 霸to f i l 燃l 遥戤泌纛镰蕊撵辍爨j i 黔s i g 鼗姆蹴越醒爨o d 髓l 斑域i 媳鼯谴燃瓠l 蕊搬i 9 霞 耗e h 赫i 誉端饿豁p 印髓i 擀啊璺s l t i g 箍德s 蕊r 蹦魏器幻o i 泌黔脚文l e t 蠡m i 玲p e k 一勰pt e e 减q u e a n d 黼o d u l e 娜k u p 协e h n i q ，a i l d 糟魏l i z e s 哦td e s i 辨o fa j r 矗t 0 0 1 i 鹇b a s e do l 】| 越醐瀵oe 纛辩寒懒懿堍蘸魏莲爹痞黼囊蠡稼i 淞r 髓瓣迸蕤g ， m 蕊n 删暾1 0 f 氇i sp a ；p 霉“黜 t h i sp a p e ri 秘v e s t i g a 姆sa i r e r 渡t o o l i n g sn i k l a rd e s 秘暮疑p l 镑e e s sa n dk o y 锯砖激鞫瓣霉。溉务曛l 毽s 瓤秭婚嚣莲熏羚薹薹j 测o 羿聱琏l 瓣螽m 瓣y s 蕊e 耘。攀豁鑫s 鐾趣强 c o m p 鼬曲i i i t yo fw o 拙p i e c e s 纛g u r ea n ds a m 黪髓e s so fm a c h i n i n gt e c h 趱i e s c h 射鞠e 钯r i s t i c 。m o d 醢l ep a 娃i t i o 程l n e 疆鼹sa n 莲霸l f i l l 蛙髓群蛀ee o 稳b i n 越谢畦l 蠡懿蕊i o 爨缀缓l 邵e 徽避霉。髓鑫g 谳激i o 鑫徽瓣y 激嚣两i 镪耧i 疆e 豁帮矮秘攒纛激i l y b a s o do na i 鹅糯nt o o i i n gc h 媳黼c t e r i s t 晒a r e 辩s e n t e d t h ep r i n c i p l e 觚d m e a 瓣e fp 瓣d 麓e 谯擞i l y 勰撒b 甄m o d 勰l e 黝m 惋a 蜒l 獭o a l | 酶站黼。s 嚣醛檄耘嚣 鑫豫p 襻s e 哦d 。薯h e 热霉勰so fm d 越ee 然e s p 主；c k _ l l p 稔i 蹴糟( 1 ：t 蟛e 锺，t h i s 秘卵材 i n v e 嘶g a t e sm 露i n o d u l 黻d e s i 鳇熊l a y o u tb a _ s e do na r b i 仃a r i l 聆s s 讲的d u c tf a m i l 矾 i 盹棼髓翔o b l 囊錾迂o s i 鼯麓是l | 霉l l 斑露徽凛鼯争瓣瓣魏遮蜀幽囊戚裁妫s 萝蒌髅o f a i 撇辅协o l i 孵话r 馨富毒瓣k 斌 橐t h i 器p 即e r 越8 c u s s e s 也ed e s i 霹鼹c a s 尊si n 如蝴躐i o n s 端。越o t a 赫o na n d h e d e s i 鐾辫龆s o 毽薮漕幽纛l i 雌妁臻糖l 建。强巷魏撼黼s 稻r 瘘懿i 蠢穗e a s e 埝i 稳巍焖献爨蠖蛰轻 “b e 幽s e r ：i b e d 酶b r i n 黛e d e b 艄r d t h 尊e o n t e n to fm o d u l a rd e s i 窝藏r e s o u r e e 嘲懿o u s e 刚n v e s l i g 辩e d ， 豢 魏癫棼粕莲，醣越r 鳓论o l i 穗髹察辩戳k l 黼酗i 叠魏s y 毹。魁稔魏容秘馘稔dw 辍馥 c o m p r i s e ss y 8 鼋e md e s i g ni d e a 釉dp 】i 簸e ! 墓p i a ，s y s t 啪f l o w ，锄i o nm o d e l ， e o n 纛g 嗽蛀峨钵p l 琏t 勰诧稔o l 鞠d 强。蓬觏耋sp 鑫p 群彝瞧s 却鼬瑾鞣髓 甄激i l y 趣赫瓣糯叠i i 群，毅l 重舔感张_ c 数球。撒i n o d 迸静p a 懿l 茗i o 弛搬琏h l 甜e 黼e s p i c b u p ，n u m b e ra n dd e s i 舭i n f b m 蛾t i o n sp i c k u p 。嗣bp a 贰w o 伙o f 懋。建穗l 囊薹d o s i 翟辩羚s o o 礅壤f 蘸o l l s e 瓷e 翻髂红翻醺i o 穗遗曩o e 镤鞋p l i s 纛棼堪。 羹玉躞鞠穗霪俄i 磁竣谂o l i 端，m 醚鞋l 嘏褥蠡隧，酗d 链蓉薮髓i l 萝 i l 黼北工业大学硕士学位论文 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 攻读学短期间论文工作的知识产权单位属于西= 芝工业大学。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 允许论文被查阕和僚阕。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，毕业属结合学位论文研究 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：当! 毳 立e o 年肇冀埠嚣 指导教师签名； 2 踟年强上踟l ，串强 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熬成果。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 公开发表或撰写过酶研究成果，不寇含本入鲮德入已申请学位或其它耀途技黑 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 标明。 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。 ，口 学位论文作者签名：复丝k 2 0 b 年年月q 日 西l 匕篡业丈学鞭士学位论文第一簿缝论 l1 研究背景及意义 第一章绪论 在传统的飞机制造过程中，除了采用各种通用枫床、常用工具和试验设备外， 还缓针对不阅规型憋零件、缀合件、都件，制造专用工艺装餐，期墅架、爽县、 模篡、标准样件、燕规等，通称为飞机工艺装备，简称飞机王装，飞机工愁装备 分为两个大粪：一类先生产工艺装餐，这类装备直接应用予零件熬藏形和飞机装 配过程中；禺一类为标准工莲装备，这类工装作为生产工蕊装备的制造依据和统 一的标准【。本论文主要针对生产工笔装备，也鄂主要是型架、夹疑、模具。 工艺装备在产晶的研制开发中占有举足轻重的地位翻。飞机工装的设计生产是 航空产品制造工程的重要组成部分，是新帆研制的羡键手黢，它盛接关系到飞机 生产总霹标的实现，并对飞机产晶的可靠犍，适航性和使阕寿命的提高、练台技 术性能的改善、研制生产成本的降低及缩短研制周期等方藤起着十分重要的作用。 据统计，工蕊装备的设计、制造周期一般占新产品研制开发周期豹4 0 左右，工装 成本占总研制成本的2 0 3 0 ，飞虮工装畿航空企业生产中有着楗其重要的地位 瑟l 。飞枫工装韵设诗制造水平是反暾一个圈豢飞枫制造水乎巍留关键指标之一渊。 传统工装设计融肖很长的历史，建立了较为完善的理论和规范，飞机工装设 诗避程一般分魏碡个鼢驳： 1 ) 设计前准备工作，包括消化产品设计资料，了解有关工艺方案、指令性工 艺文糌，了解王俸内容、王侉程序、交接状态等； 2 ) 草图设计和工装设计方案的确定； 辩绘制工作总瞩； 4 ) 绘制零件圈。 工装设诗太曼一藏根据经验在设计过稳审增熬保陵系数来僳诞工装熬瓣发巍 强度。工装研制是一项复杂的系统工程，过程较复杂，传统的工装设计从总体方 案鳃铡定捌总图、零襻图的绘铡，剥技术文档翡编制需要耗费大量的瓣闽，周期 很长；工装研制具有单件多龋种的设计生产方式等特点，协调层次多，关系复杂， 丽虽囱手工装磷利缝予孛阕鼢段，受到产晶设计与工艺准备工作嚣筵和提蕊投产 的双向压力，造成研制过程中的供需矛盾突出，因而一直是飞机生产工艺准备工 作的瓶颈环繁，进群飞机工装快速设诗技术研究具懿重要意义。 模块化设计是产品快遴设计的使能技术，通过综合利用模块化设计中的标准 忧特挺、系列纯特缝、组会特征和瘸彝产品族的设计方法霹黻缩短产瑟设计周期， 西北工业大学硕士学位论文第一鬻绪谂 然惹实现产晶的恢速设计，模块化产品设计被讽为是篱纯产晶设诗、减少薅发成 本和缩短研制周期的蠼有效方法之一和工程设计实践。 基于以上因素，本论文结龠航空基金“飞机装配型槊模块化设计技术研究嚣， 结合模块纯技术进行飞机工装设计技术研究，研究飞枫工装的设计族摊取鞠模块 糗取技米，堑溺经验与知识，基于设计族推理和攘块实侧推理技术实现飞概工装 的快速设计。经过调研和分析，由于现代飞帆制造的系列优特性，使得同一系列 飞机之间( 甚至不同系列飞机之间) 的工装产品的结构相似形和沿用牲很大，特 别是型架、夹其和模其都有这个特点，在这群情况下，采蔫模块设诗技术，来缩 短工装设诗髑鬻、提离生产准餐工律快速反瘗髓力赫想法是砸行瀚。 1 2 传统模块化设计技术概述 1 2 ，1 传统模块化设计定义和技术经济意义 一般歆隽，模块纯设计是指对一定藏围离靛不阉功髓或裰瘸珐能不同性能、 不同翘格麴产晶进行功能分析的基础上，划分并设计如一系列功能模块，通过模 块的选择和组合构成不同的产鼎，从而满足市场不同需求的设计方法瞪p l 。模块化 蒸列产品怒由一组特定的模块，在一定范围肉组成多种不阉功能或稆闻功能不同 饿麓的产蒜。 模块就是枫槭系统中结构独立、模块之润存在标准接霸，且舆煮一些功能蠡勺 零件，组件或部件所构成，也即模块是一组阁时舆有相同功能和相同结合要素， 却具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能夏换的单元，模块可分为基本模 块( 实现必不可少功麓的模块) 、辅勘模块在攀本模块之阊越连接组合等辅助功滟 的模块及蜀选模块( 舞满是一些可遮的功能瓣特剐增加的模块) ，其中各个模块包 禽能够行使相同功熊不同性能的若干模块实倒1 7 j 。 模块化是标准化原理的具体应嗣【8 】。模块化是通用化的前提，通用化是模块化 的度量准则之一，模块他、遥闱他是标准仡的精肇，怒标准化的重要内容和主簧 形式，产晶标准纯和模块化鹩程度是产品设计承平高低麴耋要撩准。模块化寝通 用他竣诗是适应枫电一体忧技术发展趋势的现代设计方法。 模块化设计方法不同于传统设计方法，主要表现谯：传统设计方法是针对某 特定设计任务，在缀验的支持下，从其体结构形式分析出麓，采用翻下而上的基 于规黛l 和戴薪谈瓣整体设计过程，设计方案结采韪一个产黼；藤模块纯设计燕使 爝完善麴模块能设计过程，果用蠡丽下、任务驱动麴方式，掰产龋的设计工撵 可通过对摸块遴行选取、变型、组合和修改完成，从丽使机械设计周期大大缩短， 2 籍冠工鼗必攀矮壹学短论支蓥一攀绪论 模块化设计是面向产品系统的，模块化设计的结果包括产品和模块。 模块设计熬技术经济意义【焉鹱： 霄利于缩短新产品设计和生产制造周期，降低生产成本； 有利于提高产品质量和可靠性； 蠖予实现产瑟设计的标准纯、逶餍纯； 翁剩于增强枫械产晶部分缡掏互换性，馁于维修和；瓣产品的改造和阐收； 妥善解决了多晶种小批量和大批量设计和加工之间的矛盾，对发展多品 种、小批量产黼极为有利； 孽便于产墓受耨换鼗，剥予薪产燕的野发，并存剩于产生多嚣纯麴产酪馘满 是客户个性他的需求； 有利于提高固宠资产的利用率。 。 ，2 2 横壤纯设计麴分类 按照模块化产箍在产品系列中的分布规律、覆盏形式和程度，常把模块化设 计分势戳下几种类别不闻类别的摸块化设计寄羲不藏的考虑，需要针澍爨傣的 方式进杼模块创建) 瓯羽； 横系列模块化：横系列模块他是同一规格的基础上，筏变型产品范围内进 行模块诧设诗，瞧霹在基型产品基础上，邋逮变更、增麴或减少纂些霹互 换的特定模块弼形藏变型产晶，箕特点蹩不改变基墅产龋豹主要参数，只 在产品的功能、结构、布局、控制系统或操作方式等方丽进行调整，横系 列模块亿是模块化设计中最翁实现的一张， 豢辍豢捌攘块纯竣计：缴系翳模块纯设诗蘧森回一类型中瓣不同规格麴蒸型 产龋进行模块化设计，规格不同主要体现为圭参数的不同，而主参数不同 的产品的动力参数往往不同，从而导致产品和模块结构型式或尺寸的不 同，壶于要考露分段及性麓甏余闯题，纵系剜模块他竣计比横系剿模块纯 设计鹩难度要大褥多。 跨系列和全系别模块化设计；在横系列模块化的基础上兼顾纵系列线在纵 系烈模块化的纂础上兼顾横鬃劐，形成既黼横系列又肖纵系歹8 的模块纯设 诗方法稼为跨惹剩模块纯设计，尝跨曩到模块他覆盖了整个该粪产赫，裁 称为全系列模块纯设计。 。2 。3 传统模块化设计的实施步骤和关键技术 机械产品模块化设计的般步骤为问： 霪 罄花! 妲夫攀醭圭攀缓论文第搴鳞谂 1 ) 在市场调研和用户需求分析的基础上，评估对篥产品粟焉模块讫设计的可 行性、优越健，并煞算潜在熬经济效益帮摧测毒弱韵巍争力，瘟爝模块纯 技术的可能性和风险程度； 2 ) 合理确定产品的主参数范丽和系列型谱，也即罴确定要进行模块纯设诗的 产晶觏捺蠢类型所覆盖范围； 3 ) 进霉亍模块化的基型设计，主要是对产品进行总功能分析、模块分解和模块 设计，辨对蒸垄产黼进行评估； 凄在基型产品耧模块韵基确上，遵逮改变綦型产瑟都分壤梅、昃寸或性熊参 数等，从而设计出一系列功熊、性能或结构有所变化改善的变型产品； 5 _ ) 为了对设计好的模块进行管理和使用，一般对模块接照规格、功能以及结 台等特链进行分类编码，建立警瑾系统。 ， 其中，模块划分、模块设计和模块信息的描述技水是模块化设计技术研究的 热点和关键技术。 1 ，2 ，4 模块化设计技术在传统产晶设计中的应用 国外很早就开始了模块化设计技术的秭究，土个擞纪六十年我之蒲，模块他 技术在国外机床行业得到普遍摊广，如德国s a 剐m 州公司生产的镗铣床， w 酬善斟e 熊公筒生产的模块化墨5 0 0 、0 l 0 加工中心，法国弑u 础沁著公司生 产的模块化铣廉等疆】，瑞士岗意栋公司对役衰规廉进行了模块截设计捌。上个燃纪 八十年代，随着市场竞争的曰益激烈以及产品更新换代的节奏加快，工业发达国 家竟褶开发模块化系剿机电产品，并使其进入了实用化阶段，对模块纯设计壤论 的磷究褥捌了进一步鹩瑟巍和重视。 模块纯设计技术在我国纳起步较魄，2 0 世纪7 。年代末至8 0 年代初，我国的 机床行业中不少厂家应用模块化设计原理进行新产品开发或系列设计，取褥了不 少戚果，翎翔基豢第撬藤厂( 糕月模块纯原理进行麓门铙瘴鹣设计) 、武澡薰型 机庶厂翻天津第一机床厂鳟在不同程度和规模上采用了模坟化设计，并取得了良 好的效果2 l ；杭州汽轮机厂主要通过引进穗国s i e m e 鹣8 公司的技术在模块纯系列 产晶的开发中墩褥了显著的效盏；上海便裹视廉厂翻上海市祝床研究薪喾对仪表 车床进行模块化设计，通过合理规划和组织，在较短时间内完成1 3 个鼎种设计和 制造，采用模块化设计新产品使设计速度提高了近6 倍。 除概床行照终，其他行监也释始采用摸块化设计方法，模块倦设计方法在加 工中心、模具、飞枫、机器人、造船、工业汽轮机、照相机、泵、电袭翱电机等 众多行业也得到广泛应用；另外，模块化技术是解决汽车大批量定制生产问题的 关键技术，汽车模块佑设计正在成隽汽车制造鳖的重簧发蕊方囱。虽然模装纯技 磷j 堇业大学磁士学位论文第一章绪论 零在不爵藤行韭的实施方法和穗度不瑚，取得成暴有大青小，但作为盂鼗弄实现 标准化、多样化的一种主要途径，模块化的研究和推广势在必行1 1 3 1 。 ，2 。5 模块忧技术在飞机薹装设计生的应用现状 在飞槐巷g 造工遂审，模块能设诗技恭也褥燮了禳多鹩虚爝。 国外魑飞概制造企业一巍在探索研究飞机工装的模块化设计拽术。欧盟飞 棍制造工业计划a 辩黔s t 正在研究一稀经济上可以承受的榘性工装，工装上的 枫器人不投颦戳钻孔镑接，丽盟可以重胬配鼍工装零身，此概念鹣基瓣是模浃诧 单元，这些模块化单元可根据同一装配家族的产晶重新配置，也可根据不同产品 家族避行耋缀，模块化工装是提离工装黍性昀一个步骤。 为了使飞机工装构设计工律简纯，缩短生产周期，国内外的飞机生产厂商簌 生产过程中采用大量标准件，据统计，大熊采用标准件后，可降低成本5 ，标准 转藏爵戬试羚燕貘块优设计在飞机工装上应惩，这些模块裁怒标准静；特剐是黼 内一些航空企业在经过m d 飞机和波音飞机的转包生产中，获得了许多典型结构 件，将其进行模块纯、标准他以蓐，完全霹作为标准件，在此基硝上，褥提取一 些典型结构件，进行模浃化和檬准仡，跌焉进一步撬离了飞枫工装的标准化程度， 从而缩短了设计和制造周期。 老了缩短生产准备溺鬻，潮捷薪辊豹研制，成都飞橇工照公司在策型撬翡遴 气道前段装配型架上采用一种觅调整的拼装组合式缩构，这种拼装元件，可以重 复使用。当研制新机瞰，可将停产飞机的装配型架上的拼装元件拆卸下来，按激 的装配型架图纸拼裟缀成掰枫嚣要酌装黼燮桨，驭越来减少型架设诗及制造工裕 量，加快新机研制，运是装配刺架结构形式发展的一条新思路。这种谯装配型架 主采黑霹重复使蔫熬瓣装组合成缝构驰方法，是模姨征设计磐法应篇麴纂影，凌 这个基础，如果继续进行研究，作一些馥进和完薷工作，扩大拼装缀合式装配 型架的应用范围，对今后加快新机研制，适应多品种、小批爨的飞机制造，降低 制造成本慧缀有意义的瓣嘲。 。3 主要研究内容 t + 3 。1 主要研究内容 本论文的主要研究内容： 1 ) 诿诗族提取方法的研巍 西北工业大学颟士学位论文 第一释绪论 飞机工装模块化设计的第一步建进行同一规格工装产晶的提取，把进行模块 纯竣计的凰翘格的一缀工裟产品窭铡定义失设计簇，觋究设计族麴提取方法。 2 ) 设计族模块划分方法的研究 谰霹分析飞机工装麴特点，研究飞机工装与蒋统模块纯设计应霸领域缒产品 的不同特点，在此基础上，研究以设计族为单位进行模块划分的策略，研究设计 族鹩模块捌分过程意算法，酶究设计族模块划分缝暴的评馀秘调整方法。 3 ) 模块实例提取的研究 研究在设计簇擀包含的组工装产品窦剩麴蕊凰内，在模块划分结暴麴基础 上，进行模块实例提取的过程和方法。 4 设计族、模块藕模块实铡编号方法麴研究 糇据飞机工装模块化设计的具体需要，研究设计族、模块和横块实例编号的 瓢则和具髂实施方法。 5 ) 研究飞机工装模块化设计的垒过程和总体规划 穰究以设计族为单位，进行模块化设计躺模块规划；遴两研究在一群飞机工 装范围内，进行模块亿设计的全过耩和规划。 6 ) 设计实铡信息的提取和描述方法的研究 研究设计实例的定义和设计实例信息的内容范豳；磷究设计族、模块帮模块 实例所映射的设计实例信息的数据模型；研究设计实例信息的描述方法：研究设 计瓷源库的内容帮组织结构。 7 ) 飞机工装模块化设计系统的构建研究 研究飞枫工装模块纯设计系统的设计愚憋和燕剿、系统酶流耩、系统劝麓模 型和体系结构等。 1 。3 。2 内容编排 本论文共分为赢章。 第一章，蔺要概述了飞梳工装在飞飘渊造过程中韵楚蠖及其设计现状，提出 缩合模块化技术对飞机工装进行快速设计搜术研究；论述了传统模块化设计技术 的宠义、经济意义、分类、实麓步骤翻实际癍震现状；最艨阐述了本论文瓣主要 研究内容和内容编排。 篝二鬻，进行飞规王装模块纯竣计过程和关键技术掰巍，主要包括：设计旗 的定义和撬取方法；以设计族为单位进行模块划分的方法和模块实例的提取过程； 设计旗、模块和模块实剩熬编号的簸则弱蹙体方法；对设计簇进行摸决纯设计的 模块规划，飞机工装模块纯设计的全过程和规划。 第三章，主要论述设计实铡信息的撼述和设计资源痒鹣内容，主要包括：研 6 西北工业太学硕士学位论文第一章绪论 巍飞机羔装设计实铡德息麴提敷内容；醋究设诗蜜捌信意昀攒述方法；研究设计 资源库的内容。 第四章，论述飞枧工装模块铯设计蓉缝抟擒建，毽括系统酶设计恶想和设计 原则、流程、功能横裂、体系绐构、开发环境和开发工具等；并分别在装配型架 和夹具中提取设计族，并进行模块划分、模块实例提取、编母和设计信息提取等 工作，完熊设计受潦瘁的帮分摘建工律。 第五章，对本论嶷的研究方法和成栗避行总结，并提出今后的研究发展方向。 1 ，本本章小、结 率掌篱蒙概述了飞祝工装纛飞枫铡选建程率熬姥链及葜设计现状，褥毒缮含 模块化技术对飞机工装进行快遽设计技术研究；论述了传统模块化设计技术的定 义、经济意义、分类、实麓步骤相实际鹰溺瑰状；鬟看瓣述了本论文钧主要研究 幽骞和内容编摊。 7 麟魏羔韭大学硕圭攀憾谗交箫：章飞枫王髓模块讫设诗避糕灏关键技术磷巍 第二章飞枫工装模块他设计过程和关键技术研究 对飞机工装进行模块他的设计，酋先攀进行参数范围和系列型谱躺确定，主 参数撩同的产晶，也帮同一裁格的一组飞撬工装产瀑赛铡，把它翻宠义为一个设 计族，然后以设计族为单位进行模块佬设计，包括模块划分、模块实例提取、编 号、模块化设计规划等工作，对于新的飞机正装产品谶计任务，则邋过设计族推 理翻模块实铡熬攘理、蛰改帮组台完成。 2 。1 设计族的提取 窆 ，l 设计族瀚定义 模块化设计怒基于产品族的定制设计的重要研究内容。由于飞机王装豹釉类 繁多，瑟盟每一类型工装，铡翔夹其，又霹分魏缀多群粪豹夹具，这些夹吴产晶 之间随着工装任务对象的不同褥结构复杂多变，如果对所有的夹其进行模块化设 计是不可行，鬟先进行主参数和系列型谱的确定，也即是同一相似规格工装产品 囊铡麴确定，把之定义受设计羧，飞枫王装设计族是鑫动能楣毂翻缝橡相戳麴一 缀工装产磊窦倒所癯成。然衙戳没计族为单链进行横系剽模块化设计，并以诧炎 研究飞机工装模块化设计的切入点，随后研究设计族之阉的纵系列模块化设计。 鲤为每一类型飞机工装的数量巨大，毙提取划分设计族，然后褥避行模块他 竣计，这种工棒鹣经蒜意义曼然也是可蕊瓣。 2 。l2 设计旗的提取方法 工装有一个显著的特点，即工装任务对蒙穗儆，工装产菇福戳；褥且现代飞 机制造的系列化特性，使得同系列飞机的工装结构相似形和沿用性都很大，特 别是型架、夹其釉模具都有上述特点。根据上述特点，可以在闻一蒸列飞机的大 量工装产瑟蓬困惑，在丽一羹型的工装产晒实铡孛，把工装任务对蒙糖骰鹃工装 产晶划分为设计旅，然后进行模块化设计的研究。 设计族划分主要考虑以下方面： 工装任务瓣象的掘羚结构：毽括对工装产品设计有决定性影响的工装任务 对象本翳的形状特徭( 饲如旋转、警板等形状) 、加工部餐辐扑形状和尺 寸大小特征，以及零部件( 包括冀布局特点) 特征，其中需瓣强调的是， 9 西基麓馥大学硕士攀链埝震籀：章飞扭工装壤凌纯设诗过程鞫燕瓣技零舔窕 工装任务对象要有相似的尺寸特点，即强调合理的尺寸分段，很多时候， 尺寸变戮遵大，剽工装产燕鹣结梅澎状裁会变忧稷犬。 謦加工工艺特点：包播嬲王类型( 雹播车、铣、装醚、钣金成型、注塑成型 等) 、加工精度、材料特征、加工设餐、批量、装夹定位特征锷加工特征。 上述所考虑的因素，加工工艺特点必须棚阈，因为熬工工艺特点不同麴王装 任务瓣蒙的工装产藩不褶同；工装饪务对象憋辐芥绪构要褒一定范圈内翔戳；晏 外，工装产品实例样本的相似性也是划分设计族的一个辅助考虑方面。 对飞机工装产鼹实例进行设诗族提取纳时候，首先在广泛调研分橱的基础上， 充努了解金监对飞飘工装产瑟浚诗豹嚣求祷邋，参考大爨麓飞褪工装产瀑样率， 掌握第一手的援术资料，同时也要淘汰一鉴不规范的工装产品设计方案，然后对 飞机某一类型工装进行设计旗撬取，其提取理论方法如图2 一l 所示。 工 装 任 务 对 象 群 本 燮产王芝特点| 篙 与麓装设计有i 相 黧接关系的拓 憾 羚绩掬特赢 健 圈2 - 1 设计旗提取的方法 萁孛注意，遴行竣计羲的提取，新选择的飞规工装产晶实铡必须怒蠢经经遵 实际考验和专家论证的产品实例方案，还要对设计族的产品实例进行筛选，剔除 重复的或者不具有代表性的产晶实例；而熙还要对产品襄例进行标准化，这是由 于工装产晶竣诗露袁羞翔下润题；虽然工装缝务对象一样，由予设计人爨帮不舄 垒熊的设计要求的不同，竣计结票可能也会霄一些缀节上的不同，褥罐纯是攥薄 保留融有设计结果和设计经验的前提，如果不对设计族中的产品实倒进行标准化， 那么必将会给盾续麴模块划分、模块实例的提取和模块实铡推理等工撵造成很大 的不蠖，蓊显耨王装产燕鹃设计必然会遗璃一些不规蕊赫结构设诗，从薅不剩予 制造等后续工作。 圄国 圄 西北工业大学硕士学位论文第二章飞机工装模块化设计过程和关键技术研究 2 2 设计族的模块划分 2 2 1 传统模块划分方法 进行模块化设计时，首先需要把基型产品分为若干模块，模块划分是模块化 设计的第一步，模块是模块化设计和制造的基本单元，模块划分合理与否直接影 响到模块化设计产品的功能、性能和成本，以及对产品模块的通用程度等都有很 大影响。 当前，对模块划分方法的研究一直是机械产品模块化设计技术中的重要研究 领域。国内外对产品功能模块划分方法的研究已经取得了一定的进展，例如文献【1 5 】 提出面向产品全生命周期的模块划分方法，该方法需要构造大量的相关矩阵，工 作量大、算法复杂；文献 1 6 提出了基于g t 的功能模块划分思路；文献 1 7 】给出 了产品功能模块划分过程模型；文献【1 8 】论证了模块划分角度的选择以及不同角度 模块划分的特点，提出了多角度、分级模块划分方法。 传统模块划分方法一般从功能的角度进行分析和讨论模块划分问题，以功能 分析为基础，然后自顶向下将总功能进行功能分解成一系列子功能，再通过子功 能与结构映射得到相应的子功能结构( 子功能是进行模块划分的基本单元，每一 个模块都是有一个或几个子功能组成的) ，然后进行子功能的合并，最后得到比较 满意的模块划分结果，并进步制定出满足用户需求的产品总体方案。传统的模 块划分过程如图2 - 2 所示。 设计需求获取 幽 t i 功能分解i ：功能和结构的映j 确定子功能结构匿 0 l 子功能合并l 0 l 划分功能模块l + 漠块划分方案评们 图2 2 传统模块划分过程 蓊薯蠡蔗鼗太学硪圭黪镀谚黛第二耄飞辘薹装模块纯设计避程帮凝键援拳臻究 2 。2 + 2 设计族的模块划分方法和过程 2 。2 。2 1 飞机工装的特点和设计旗模块划势的策略 个设计族包含大量的成型工装产品，澍飞机工装的一个设计族进行模块划 分工稼，盛须综合考虑设计族中各个工装产黯实镶的继构和功缝僖感鼢慧蟀特点， 然腰对其进行模块翔分。 由于本论文的研究目的是采用模块化设计方法来设计飞机工装，提高飞机工 装产赫设计效枣，掰戳模块划分应该麸设计角度进行考癔。当模块位设计主要面 囱产翻全生命勰麟的设计阶袋潜，模块划分主要掇据产熬个缝成部分之闻功麓 上的相关程度来进行模块划分，把可能旋生变化的子功能所对应的部分独立出来， 当用户产生了新的功能需求，竣计者只改进缄更换相廛的孑功能模块，而保留原 骞产鹣靛箕魑都分，氇卵暴影响到原有产龋熬禁令局部，耨显由于巍黼一静产菇 中，其各个子功能是相互联蘩的，一个予功能的改变往往会影响到与其关系密切 的羹他子功能，网此，模块划分中要尽量把这些关系密切的子功能所对应的部分 划分刘间一模块中1 1 测。 飞帆工装产黼一个显著特点是，工装产品的加工都分，也霹王装产瑟与工装 任务对象的结合部位的结构套随着工装任务对象的拓扑结构的变化而有所变化， 丽冀他部分的翁构变化不大，例如夹具，一般它们在丧熟基体、夹紧机构和传动 装嚣等部分大捧上穗闻，丽意穰元件、夹紫释帮导翔黪等部分霹舞鏊商差巽裁缀 夹鬃的设计基础镞是建立在充分利用工装产品结构的这个特点基础上的) 。根据这 个特点，可以把硝能发生变化的子结构部分独立出来，根据不同的工装任务对象， 设计誊鼹改进或夔换穗应昀予黠捣部分，嚣保留原有产赫鹣其它予绻构都分，敝 丽新工装产晶的设计只影响剽融有产品的慕个局部，达到快速设计的鞠的。同样 的，个子结构部分的改变也很可能附带影响到其他栩邻的、关系密切的子结构 都分的改变，从褥面向设计的飞枫工装设计族的模块划分中要尽量把这些关系密 甥瓣予结拇部分矧分到圊一模块审。 与那些模块化设计技术爵经成熟应用的领域，比如机床和汽车行业等相比， 飞机工装产品还肖如下特点； 豢一般褥誉，飞瓿工装产品鹃功麓鼹凌院较篱孽； 参一些飞机工装的显著特点是，结构细带摄复杂、结构形式变能多样，例如 装配型架等；或者结构细节并不复杂，但是结构形式随着工装任务对象的 不同露变纯多样，刷麴搂具、夹其等； 参飞枫工装基本上仅霞燕复杂的结褥的缀合，冀结鞫变纯随着工装任务对象 的尺寸、拓扑形状和加工工艺的特点的改变而改变，而且一般不具有一意 磁能工业大学硕圭学位论文第二章飞枫工装模块化设计过程和燕键技术研究 麴沩麓参鼗、动力参数，戳及一窳瓣控裁系统、动力暴绕、搽缀系统等橇 构； 任何一种类裁的飞枫工装都具春种类繁多、数量巨太、结构形式变纯多样 等特点。 根据以上飞机工装产品普遍存在的特点，在设计族的模块划分过程中提出缝 捣模块的概念，也就愚说在飞飙工装设计豢鹩模块燃分过程，工装产赫的结橡特 性是模块划分的关键溺索，这不同于传统的模块划分过程仅仅从功能角度讨论模 块划分方法，对于飞机工装设计族的模块划分应该从功能和结构两个角度进行分 橱嗣讨论冀摸块劐分蠲麓。 2 。2 。2 2 模块功能分熊过程 把一趱飞机工装设计族豹产龋实例的憩律功能需求自顶瀚下进行分解，直至 分解所得到的每一个予功能都能够由一个独立的结构实现，予功能是进行模块划 分鹣基本单元，每一个模块都邃由一个或几个子功麓缝残的。功能分解麴图2 砖 所示。 匿2 ，3 魂蕤势解示意黼 图2 3 中，g 代袭着飞机工装设计族的产品实例的总体功熊需求，为一级功能； g l 、避和3 是g 敷分功能，为二级功熊；g l l 帮磷2 位8 l 的分功能，g 3 l 、 2 和好园3 为的分功能，为三级功能；这样一巍分解到予功能为止。 最后还要进行予功能与结构的映射，建立予功能撞构图。 2 。2 。2 ，3 子功髓结构台菸与模块剡势 根据建立好的予功熊结构阁，进行模块划分。掇据文献【1 7 】，结台飞机工装的 特赢和设计族模块划分熬策臻，飞瓿至装设诗族鹣模块划分应该满是下列原鞫： 模块在功能和结构上有一定的独立性和完整性； 模块之闯接嗣要素要镬予分离帮连接； 模块内部菩部分之间要兼系密切，模块之间关系要相对独立； 考虑剽一些标准部件和通用部件的完整性。 鞭攥文献器l 】，并毒虑型飞枫工装勰实舔特点，依据功熊结掩图和2 。2 。2 。l 所摄 霞戆蔗鼗太学蘸圭攀纛论文薰二章飞瓿z 凌麟涣纯诿嚣避箨鞫关键撞零磷究 出的设计族模块划分策略，如槊子功能结构满足下列条件之一，这个子功能结构 醇黻考漶作为一个独立麴攫块： 1 ) 予功能结构可能糇据蜜际需求发生嶷仡； 2 ) 子功能结构是企业通用件，或者是标准件； 3 子功能绻构经常被用来单独作为应力校棱麴美键部分； 瞬子韵缝继梅是经常更换覆焉的，并羹缀有可缝戮魏腐蚀、整按或变形，磷 被经常更换或维修的部分； 5 ) 子功能缡构的实现技术很有可能发生技术更新换代。 对于不满避上述独立条捧酌子功能结掏，应渡适当掇据实际德况考虑对子动 能络构进行含并，这需要一定静算法。文献 1 绸提出了一种子功能合并的算法，任 意两个子功能之阀存在着一定的关系称为相关，相关豢型分为功能相关、装配相 美，室阉相关、健患桷关等，穗关麴程度稼为楣关度，将子功能之阐的相关瘦槔 菊合并静准赠。 在分析设计族所对应的一组成型的飞机工装产品样本的功能和结构特征的基 础上，进行模块划分。由于每一个设计族包禽一组工装产品样本，所以，每一个 子功髓与结构映射所得到的予璃巍结鞠梅对鹰一组窦铡，实铡之闻鹣绻拘耦徽程 度总体上有一个模糊值，这黧衡称为子功能的结构相似庭。这种情况下，如采仅 采用文献【1 9 】中的子功能合并算法，仅因为两个子功能的栩荧度达到了规定的程度 就憋其会荠，却不考意二者缡构榴似度的差羿，那么缀可能出现捆燕度夫的子功 魏龠并磊，箕掰映射酶功戆缝掏酶大量赛铡之阀酶部分绩稳相徵度差羿帮穰大， 这必将给后续的模块实例提取、模块实例推理等工作造成很多不便，将会降低工 装摸块化设计的效率，对于飞枫工装的结构细节复杂、结构形式变优多样的特点， 这个瓣题裁更麴突爨，在这种情嚣下摄需要考感将维糯耩馘度大的子劫麓德先台 并，丽且模块划分过程中考虑结构的相儆锉，将结构相似性大的部分优先合并， 有利于后续模块产品的加工，便于加工过程的调整，也方便于后续的产品的装配、 捷阕和维掺，述霄模块麴回牧嗣改造等工髂。 献两，在飞梳工装的模块到分过程审，在进簿予功能合并黪时候，不僵要考 虑予功能之间相关度，还要考虑子功能的结构相似度大小，尽量将子功能之间桶 曩度符合要求的，且结构相似度大豹两个子功能优先合并( 还要考虑刻模块划分 酶艨辩) ，遮邈符合2 。2 ，2 。l 所提舞的设计簇模块期分薰晦，也霹辱量将搬据实际情 况需要而功能和结构经常有所变化的子功能结构优先摄淑为模块。椴据上述具体 原则，可以得到比较满意的飞机工装模块划分结果。 予劫裁台并簿法播述： 1 ) 子功畿翡构福夔冀度的计算 对于某个子功能与结构映射所得到的功能结构所对成大量的实例，其结构特 重霹 西北工业大学硕士学位论文 第二章飞机工装模块化设计过程和关键技术研究 征选取标准以造型设计特征为主。结构特征一般可以从图2 。4 中所示的分类考虑。 图2 4 子功能结构特征示意图 设实例数量为n 个，子功能结构共有k 个特征，设第i 个特征对结构的影响 权重系数为d i ，第a 个和b 个实例具有的某一结构特征飚的结构相似度为p i ( 经 验值) ，则这两个实例的结构相似度为： 羔 & 。) = p 4 公式( 2 1 ) 则这个子功能结构相似度的计算公式为： s ：去窆 l nd ，6 扣6 ) 公式( 2 - 2 ) 2 ) 任意二个子功能之间相关度计算 根据飞机工装设计族的子功能结构图，定义任意两个子功能结构g i 和q 的 相关类型有： 功能相关：g i 和g j 有同一上级功能 装配相关：g i 和g j 有装配关系 受力相关：g i 和q j 存在着大应力的传递 据文献 1 9 】，子功能结构g i 和q 的相关度为： = l 勺1 + 。2 0 + 3 勺。 公式( 2 - 3 ) 0 是子功能g i 和g j 之间的第i 种相关度，i 为第i 种相关类型对相关度的 影响系数，当两个子功能满足第i 种相关类型的条件时，e 取值1 ，否则为o 。如 果当两个子功能的相关度入( 一个给定值) ，则这两个子功能可以考虑划分在 一个模块里。如果子功能g i 和g j 满足相同的模块独立条件，则其可能相关；如 果二者满足不同的模块独立条件，则二者之间为独立模块；如果g i 满足任意模块 独立条件，而g j 却不满足任意模块独立条件，则g i 为独立模块，g j 与其它模块 之间的相关度计算按式( 2 3 ) 计算。 2 2 2 4 模块划分结果的评价和调整 最终的模块划分结果中，模块数目应不多于9 个，通常把模块数控制在7 个 鬻赣麓缝大学顽士警德谂文繁二章飞瓿王装模块纯设诗避糕褥关键技零舔究 左右比较合理【1 8 翮。 摸块剩分竟戚之后，禽该瓣划分缡鬈进褥褥狳，根据模浃麴划分漂赠、模块 独立性原则朝专豢经验进行评价，如果划分结果不舍理，要进行调整，方法是； 重新调查研究子功能结构独巍条件和其他特殊因素；重新计算子功能结构的相差 瘦；褰子功能缝桷捆似度的计算中添加大爨的调研和经验葱素；充分利用专家经 验熟识。经遭谔输韵调整籍，将褥裂台壤的设计族搂嫒翔分方案。 2 。2 。2 。5 飞机工装模块划分过程 综上新述，飞瓿工装设计族鹃模块划分过程模型翔髑2 新示。 埔臻缝诗 方蛙盘蛙 设计员 寨筑平蠹 羲型产 磊戆姆 功能分 解 孽煎l 孚麓缝。绻 关曩| 赫黼墓tl ； 予功黼络构 鞠徼壤忡算 模块攫城 独立划分 綦转蹶剿 磊磊匕一划分模块 度计算i 谨稔 翳努专塞 餍斜经验 l 宵藏li 一黉毫 l 络聚l 捌分胄 j 浮泠黜 豳2 。s 设计族的模块鲻分过程模型 2 。3 模块实倒的提取翻存储 对于一个飞机工装的设计族丽言，根据此设计族所划分好的模块，由于设计 族毽含一组飞橇芏装产品实铡，新以设计族皆每一个划分好麴模块也必将对瘗一 糖模块实例。 对于每一个模块所对应的一组模块实例，在这些模块实例中很可能存在着遮 静情况：一些模块实倒之润只要互相通过继构参数足寸麴变纯就可以得刘另外一 个摸块实铡，也群这些模块赛例之闻都霹辫在三维| e 众轴软件上遥遥修魏结麴参数 得刻对方，实际上可以说，从结构角度上，这些模块实例是相同的，只是结构尺 一 竺丽 磷牙敬蕊照大学磺圭攀德论文第二章飞瓤蔗装模块化设计避穰嗣关键技术研究 寸参数不同丽醴，为了减少设计资源痒的存德量以及感壤的模块实捌的推理的工 俸壁，簿予遮静恃撬麓模块实例只要建撵一个典型的模块实铡存德进入设计蜜漂 库( 原则上选择一个聚合这种情况下的所有模块实例的结构尺寸特征相同点最多 的那个模块实例) ，并可以把冀结构参数尺寸的变化倍息作为设计僖息存入设计资 源黪中，这个过程可以黎之囊模块实例熬筛选。 对于每一个模块所对度盼一组模块实例，这些模块寓例的一部分或者全都模 块寰例可能存在弱一种情况；这些模块寨俐上所出现的功能要素 可馘篇亲描述备辩复杂靛数据缮掏，撬架表示法靛缝筏性与x 麓l 搐遘数据 方式也是相一致的，用x m l 来实现飞机工装设计实例信息的数据模型的形式化描 述霆秘实哥行的。 3 。碡设计赞源库麴内容 组织桶建台龚离效的设计姿源数据库，澍薏续工谗意义重大。设计资源痒麴 构建，将大慧设计邈程所需要的信息进行存储，为后续设计信息的检索、设计族 推理、模块嶷倒推理、窭侧登正等一系囊黪飞机工装摸裟他竣计避程新嚣囊麴信 息提供数据源。 飞热工装模块纯设计熬设计资源簿，除了苞撬飞撬工装设计实例信息外，飞 机工装的模块化设计过程逶成该需甍以下内容： 设计瓶范与标准赧谖；主要潮来飙藏飞枫工装设计鳇一些标准，倒如材料 标准、强度、刚度簿； 豢选择帮判断知识：凝据专家经验、德统设计要求、输入条傣帮其钝约束条 件，以及考虑刘后续加工工艺的实际要求，进行飞枫工装模块化设计过程 中熬设计旗、模敦实铡麴选择和剿断知识； 模块组合知识：对于选择好的模块实例如何进行缀合的知识。 另外设计瓷源麟还瘦诚镪摄工装产品实例和模块实铡昀图形霹( 包括二维图 形和三维模型) ，另外，还要和企业已有的设计资源库( 例如工装标准件霹) 建立 链接。 图3 。6 为飞机工装模块纯设计的设计资源库静缆织结构。 西北工业大学硕士学位论文第三章设计信息描述和设计资源库的内容 3 5 本章小结 图3 - 6 设计资源库的组织结构 本章首先对飞机工装设计实例的概念进行了论述，研究了设计实例信息所包 含的两个方面，即问题描述信息和解决方案信息的提取内容范围；研究了设计实 例信息在设计族、模块和模块实例上映射分解所得到的数据模型的具体内容；并 研究了数据模型的描述方法；最后研究了设计资源库的内容。 3 7 秀j 艺工鼗犬攀籁圭学谴论义 第濯章模辘襁竣静系统鹩稳滤翱实现 第四章模块化设计系统的构建和实现 4 。1 飞机王装模块化设计系统的构建 4 1 1 系统总体设计思