飞机数字化制造环境下的协调方法

孟 飙
(沈阳航空工业学院航空宇航学院 ,辽宁 沈阳 110136)
摘 要 :数字化制造环境下 ,设计产生的数模在飞机装配协调过程中的应用技术和传统的模线样
板协调技术具有很大的区别 。在介绍了数字化标准工装概念之后 ,详细阐述了基于该概念的数
字化标工协调方法及其在装配协调过程中的用途和用法 ,总结了装配过程中的数字化协调路线 。
图 5 测量并装配工装定位器
在实际应用数字标工技术时 ,各使用单位
图 6 测量零部件相对于数字化模型中的坐标误差
(如研究所 、主机厂 )应采取三步方针 :首先 ,根据 当前国内各主机厂的工装和标准工装的使用情况 进行分析 ,提取 、总结标工的特征及使用原理 ,以 此来定义数字标工的明确内涵 ,包括数字标工的 应用目的 、范围和建立原则等 。然后 ,对数字标工 模型进行分析 ,应用 CATIA 等三维造型软件和分 析模拟软件 ,结合工程数据集和装配数据集来建 立数字标工模型 ,并制定相应的规范原则 ,研究对 模型进行分析和修改的方法 。最后 ,对数字标工 技术要应用到实际生产的组件 、部件中去 。要选 择采用数字标工技术中的产品部分 ,对装配过程 跟踪 、分析 、修正和总结 。
(7)基于数字标工设计的工装在制造时 ,其 上定位器的定位面 、定位线及定位点与工具球孔 应一起数控加工 ,以保证最小的制造误差 。 1. 2 数字标工方法的应用
数字 标 工 方 法 的 应 用 大 致 分 以 下 三 个 环 节 [3] :
( 1 )在测量系统中建立坐标系 用数字标工的方法进行装配 ,首先要将工装 数字化模型和坐标系及基准方案输入测量系统的 计算机中 ,在测量系统中建立坐标系 ,在工装中事
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图 7 装配集成系统的数字化协调路线
的混合的数字化协调路线 ,如图 8所示 。
图 8 装配工装协调路线
另外 ,数字化协调中必须确定关键特性 。广 义上讲 ,对于协调部位一般都可定义为关键特性 , 并且以此在工装上定位 ,定位特征就是关键特性 。 即在被确定有关键特性的地方 ,关键特性优先作 为定位特征 ,且定位件的定位特征设计就是以关 键特性协调的数字化进行的 。
为了提高精度和改善装配工艺性 ,设计基准 应符合以下原则 :
( 1 )数字标工的设计基准应力求同产品的设 计基准一致 ;
(2)只有当工艺上有要求 ,并有利于提高生 产工装的制造精度和协调性时 ,才可采用不同于 产品设计基准的转换基准 ;
(3)相邻组 、部件的数字标工 ,其设计基准应 尽量一致 ;
(4)设计基准 、工艺基准和检验基准应尽量 一致 ;
(3)尺寸与公差 无论是工装还是零件 ,这是 最主要的数据信息内容 。作为标工 ,则只需要某 些特定的少量尺寸与公差 。例如 ,需要外形尺寸 的标工应包含外形公差 ,用于定位孔的标工则只 需包含孔心 、孔径尺寸公差 。
在建模过程中 ,制造部门设计和应用数字标 工时都不能随意平移 、旋转实体图形 ,以免造成不 协调 ;在需要平稳和旋转时 ,应该变换辅助坐标系 或重新做一个辅助坐标系 。
1 数字化标准工装技术
在飞机制造中使用的一类标准工艺装备 (简 称标准工装或标工 ) ,是以 1: 1 的真实尺寸来体 现产品某些部位的几何形状和尺寸的刚性实体 。 它作为一种模拟量标准 ,用于制造 、装配 、检验和 协调生产工装 ,是保证生产工装之间 、产品零件和 部件之间的尺寸和形状协调与互换的重要依据 。 其种类可分为标准样件 、标准量规 、标准平板等 。 必须具备足够的刚度 ,以保持其尺寸和形状的稳 定性 ,具有比生产工装更高的准确度 。
该有 : (1)坐标系统 机身坐标系 、局部坐标系或辅
助坐标系 ,甚至其他特殊的坐标系 。
图 1 数字标工模型的协调过程
图 2 实物标工模型的协调过程
图 3 数字标工建模流程
(2)基准包括设计基准 、制造基准 、使用基准 和检验基准 。数字标工的基准和坐标系有相对关 系 ,不能认为坐标系原点必须在基准上 。
2 装配中的数字化协调路线
采用数字化技术后的装配系统 ,不仅可以将 原本用于各部分分别装配的工装组合在一起形成 装配工作站 ,而且甚至可以将激光跟踪 、数字控制 等功能的设备集成其上 ,统一接收 3D 数字模型 , 保证数据源一致 。这样的装配集成系统的数字化 协调路线如图 7所示 。在新的协调系统中 ,可以 省掉许多样板和标准工装 。
数字化标准工装 (DMT,D igital Master Tooling)
收稿日期 : 2008210213 作者简介 :孟飙 (19692) ,男 ,内蒙古乌兰察布盟人 ,副教授 ,主要 研究方向 : 企业信息化 、数 字化制 造 , E - mail: biao m @ sina. com。
包含产品协调部位几何形状和尺寸 ,利用产品 3D 数字化主模型 (包括坐标系统 、基准系统 、几何模 型 )和协调部位装配尺寸及公差等装配元素作为 设计 、制造 、检验和协调所有零件加工工装 、部段 内部装配工装 、部段间装配工装和检验工装的数 字量标准 ,是保证生产用工艺装备之间 、生产工艺 装备与产品之间 、产品部件和组件之间的尺寸和 形状协调互换的重要依据 [ 1 ] 。
M ENG B iao ( Shenyang Institute of Aeronautical Engineering, L iaoning Shenyang 110136)
数字化标准工装实际上是数字化环境下实物 标工的替代物 。因为实物标工不仅制造成本高 , 而且维护难度大 ,是生产中的一个难点 ,同时 ,实 物标工传递的是模拟量数据 ,在数字化环境下不 易实现自动化应用 。所以有必要研究方便 、低廉 的数字化标准工装模型来代替实物标工 ,起到协 调标准的作用 。数字样件或量规与我们传统意义 上的标工作用相同 ,唯一不同的是它不是实物 ,而 是计算机中的数字化定义模型 。设计出一个统一 的数字样件或量规 ,来参与每一部分的数字化预 装配 ,以保证互换部位的协调 。国外称数字化标 工为“主工装 ”,或“软标工 ”,有时也称之为“电子 量规 ”( Electronic Gauge) 。 [ 2 ]
并提出当前飞机装配生产环境下混合协调技术的合理性 。
关键词 :制造 ;协调 ;数字标准工装
中图分类号 : V260来自文献标识码 : A飞机制造过程区别于一般机械产品的主要特 点是它具有非常复杂而完善的互换协调理论和技 术 ,并贯穿于制造过程的始终 ,所以飞机制造装配 工艺的难点是首先要解决零部件装配过程中的互 换协调问题 ,特别在新机研制中这一问题尤为突 出 。随着数字化技术的深入应用 ,产品设计的方 法和手段发生了根本变化 ,计算机应用系统完成 了越来越多的传统上必须依靠实物模型或样机才 能完成的产品性能以及制造能力的分析和验证功 能 ,为解决飞机互换协调问题提供了新的技术与 思路 。目前我国正在努力提高飞机制造的水平 , 加快研制速度 ,尤其在采用无纸化的数字化设计 制造技术之后 ,就要相应的具有与其相配的数字 化协调控制手段 ,才能真正贯通数字化生产线 。
[ 3 ]洪都航空工业集团制造工程部. 零件制造关键 (重点 )工序的 确定编制和管理程序 [ S ]. 洪都航空工业集团 , 2001 : 1 - 81
[ 4 ]刘志存. 数字化协调体系的建立 [ R ]. 北京 :北京航空航天大 学飞行器制造工程系 , 20051
The coord ina tion m ethod in a ircraft d ig ita l manufactur ing env ironm en t
( 5 )一个数字标工基准系统允许一个合理的 积累误差范围 ,零件工装和装配工装的制造公差 都控制在产品公差的 1 /3之内 ;
(6)用数字标工进行工装设计时 ,要在当前 统一基准中给出各个光学目标点的尺寸和公差 。 在工装设计过程中 ,预先在工装定位器上设计出 三个光学目标点 ,并在该定位器处在整体坐标系 中的正确位置时 ,给出这三个光学目标点的理论 坐标值 ;
3 模拟量与数字量混合协调
飞行器制造协调的要求是要最终保证产品的 装配协调准确度的标准 。整个制造过程中的协调 主要体现在零件与零件 、零件与工装 、工装与工装 之间的协调性及协调关系 。在我国现阶段的飞机 制造中 ,对于大多数零件所采取的协调方法 ,大体 上采用模拟量协调 、数字量协调和模拟量与数字 量混合协调三种方式 ,机加类零件优先选用数字 化协调法 ,板金类零件优先选用传统协调法 。数 字量与模拟量混合协调的综合应用方法在由传统 协调方法向数字化协调方法转化的时期具有明显 的合理性 ,将在较长的时间内共同发挥作用 。
参考文献 :
[ 1 ]孟飙. 飞机数字化对接与校准数据应用技术及系统 [ Z ]. 北 京航空航天大学博士后出站报告. 2007.
[ 2 ]邹冀华 , 刘志存 , 范玉青. 大型飞机部件数字化对接装配技 术研究 [ J ]. 计算机集成制造系统 , 2007, 13 ( 7 ) : 1367 13731
2009年 2月 第 26卷第 1期
沈阳航空工业学院学报 Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering
Feb. 2009 Vol. 26 No. 1
文章编号 : 100721385 (2009) 0120031204
飞机数字化制造环境下的协调方法
装配型架在设计时 ,采用数字化三维相关性 设计方法 ,依据是工程数据集和制造数据集 ;定位 件的设计是以被定位的零组件定位特征协调进行 的 ,并进行数字化预装配协调 。如定位面是外形 面 ,则定位件定位面的设计依据是被定位外形面 的工程数据集或制造数据集 ,协调依据就是外形 面的主表面模型 。如果定位特征是孔 ,则定位件 定位孔的设计就是以被定位对象的孔轴线等作为 定位件的孔轴线 。型架的坐标系应与工程数据集 中的坐标系相统一 [ 4 ] 。就装配工装而言 ,从设计 到制造成形的整个过程 ,可以在数字化协调基础 上 ,结合现有技术和方法 ,形成带有少量传统方式
数字化标工在制造和装配中可以重复性地循 环利用 ,而传统意义上的硬工装需要依赖于其他 相关或相配合的工装集 ,这在未来大型飞行器制 造和装配上 ,必将遇到更多的问题和困难 ,随着工 装技术的周期性发展 ,硬工装也会逐渐退出历史 舞台 。图 1,图 2对比了两类标工协调的区别 。 1. 1 数字标工模型的建立
采用了数字化产品定义后 ,可以将整个生产 制造过程看成是一个数据的采集 、加工 、传递 、处
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理的流程 ,并将最终形成的产品看成是物化的数 据 。利用数字标工建模的总过程如图 3所示 。与 一般实物标工类似 ,数字标工模型包含的信息应
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先设置坐标参考点 ,依照此类参考点在测量系统 中建立坐标系 ,如图 4所示 ,且与工装数字模型中 的坐标系相同 。坐标参考点要精确标定 。
图 4 在测量系统中建立坐标系
( 2 )在工装中安装定位器 坐标系建立起来以后 ,就可以在工装中安装 工装定位器 。在传统飞机制造中 ,很多工装定位 器的安装是靠实物标工定位完成的 。而在数字化 装配环境中 ,除主要用于厂际互换外 ,大部分实物 标工已被取消 ,而以数字标工代替实物标工 ,其方 法是 :在工装设计时定位器的定位特征点以数字 标工为准 ,在工装定位器装配时 (如在型架装配 机中 )用激光跟踪仪一边测量定位点坐标一边进 行工装定位器的安装 ,如图 5所示 。 ( 3 )将零部件装配到工装 在新标定的坐标系中 ,以定位器定位 ,将零部 件装配到工装中 。在数字化模型中定义一些该零 部件的关键特性点 ,在工装中测量定位后 ,将零部 件上的特征点坐标值 ,与存储在数字化模型中的 这些点的坐标值相比较 ,检查装配误差情况 。如 图 6所示 。