面向对象的航空发动机装配模型

第16卷第5期计算机集成制造系统Vol.16No.52010年5月Computer Integrated Manufacturing SystemsMay 12010文章编号:1006-5911(2010)05-0942-07收稿日期:2009206208;修订日期:2009212207。

Received 08J une 2009;accepted 07Dec.2009.基金项目:总装备部预研基金重点资助项目(9140A18010207L N0101)。

Found ation item :Project supported by t he Pre 2research Project of E 2quipment Ministry ,China (No.9140A18010207LN0101).作者简介:王成恩(1964-),男,黑龙江鸡西人,东北大学流程工业综合自动化重点实验室教授,博士生导师,主要从事先进制造、产品建模、多学科设计优化、系统集成技术等的研究。

E 2mail :wangc @ 。

面向对象的航空发动机装配模型王成恩1,2,于　宏3,4,张闻雷1,2,于嘉鹏1,2(1.东北大学辽宁省复杂装备多学科设计优化技术重点实验室,辽宁　沈阳　110004;2.东北大学　流程工业综合自动化重点实验室,辽宁　沈阳　110004;31东北大学　机械工程与自动化学院,辽宁　沈阳　110004;41沈阳理工大学　机械学院,辽宁　沈阳　110014)摘　要:为了对复杂产品的数字化装配设计提供有效的支持,首先对产品装配建模方法研究工作进行了归纳分析,指出面向对象的建模方法是目前最合适的复杂产品装配建模方法。

然后采用对象类图建立了复杂产品装配元模型,描述了产品装配过程中的主要对象类及其关系,集成表达了产品结构、装配特征、装配关系、工艺方案等信息,为数字化装配设计提供了全面的支持。

最后通过对象匹配方法,将复杂产品装配元模型转化为航空发动机装配的对象模型,并以燃气涡轮发动机的涡轮转子为例,对其装配结构构成、数据衍变关系及建模方法进行了说明。

将所建立的面向对象的航空发动机装配模型直接用于数字化产品装配系统的开发,并进行了应用验证。

关键词:数字化装配;产品装配模型;航空发动机;面向对象方法中图分类号:TP391.7 文献标志码:AObject 2oriented aero 2engine assembly modelsW A N G Cheng 2en1,2,YU Hong3,4,Z HA N G Wen 2lei1,2,YU J ia 2peng1,2(1.Liaoning Provincial Key Laboratory of Multidisciplinary Optimal Design for ComplexEquipment of Northeastern University ,Shenyang 110004,China ;2.Ministry of Education Key Laboratory of Process Industry Automation ,NortheasternUniversity ,Shenyang 110004,China ;3.School of Mechanical Engineering &Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ;4.School of Mechanical Engineering ,Shenyang Ligong University ,Shenyang 110014,China )Abstract :In order to provide effective support for digital assembly design of complicated products ,previous studies on product assembly modeling were firstly summarized and analyzed.It was pointed out that object 2oriented model 2ing was the appropriate product modeling approach at present.Subsequently ,a meta 2model of product assembly was constructed by using the class diagram.Major assembly object classes and their relationship s were described.In the meta 2model ,all product information such as structure ,assembly feature ,assembly relationship and process scheme were integrated to support digital assembly design.Finally ,the class 2diagram based product assembly model was converted into a generic object model for gas turbine engine aero 2engine assembly through object mapping method.An example of turbine rotor was provided to specify the assembly structure ,data evolution relationship and model 2ing method.Furthermore ,these assembly models served as kernel requirement specifications for the development of a digital product assembly planning system.K ey w ords :digital assembly ;product assembly model ;aero 2engine ;object 2oriented method第5期王成恩等:面向对象的航空发动机装配模型0　引言装配技术直接影响复杂产品的性能、研制周期、成本、运行及维护方式等,其重要性得到越来越广泛的重视[125]。

数字化装配技术就是在复杂产品装配规划、管理和操作等过程中综合应用信息技术,以有效地克服传统装配模式的不足,提高装配效率,改进装配质量,降低装配成本。

数字化装配技术包括产品装配建模、装配序列规划、装配路径规划、装配仿真、装配评价、装配资源配置和装配指令生成等内容。

其中,产品装配模型描述了组成装配体的零部件基本信息和零部件之间的装配约束关系,是装配规划算法、装配仿真和评价等其他装配技术研究的基础,也决定了数字化装配系统中数据存储、表达和处理的方式。

20世纪70年代以来,许多学者提出了多种装配建模方法,以便有效地在计算机中表达和存储各种装配信息。

现有的产品装配模型主要有基于图的关系模型、树状结构的层次模型和面向对象的装配模型。

关系模型以节点表示零部件,节点之间的边表示零部件之间的关系。

Bourjauct[6]等较早采用这种模型并称为联接图模型;付宜利等[7]利用有向图理论建立了有向装配关系图模型;张博等[8]采用多色集合理论建立了多色集合装配关系模型。

关系模型以图论为基础,能直观地表达零部件之间的关系,但不易表达零件和子装配体的几何结构信息,且很难解决复杂产品的装配规划。

层次模型以树结构为基础表达产品的分层装配关系,由于层次模型自身隐含了一定的装配顺序知识且可实现分层规划,使其在对较复杂结构装配体规划时显示了较好的实用性,被很多学者采用[9210]。

更有一些研究[11212]将特征建模方法引入层次化产品装配树,提供了公差、材料等工程语义信息,增强了装配模型在工程语义方面的表达能力,方便了装配规划与分析。

由于数字化装配系统本质上是计算机软件,研究人员自然将软件工程中的系统建模方法用于建立产品的装配模型,出现了面向对象的产品装配建模方法。

Tran等[4]建立了以装配任务为核心关联“零件”、“装配体”和“装配工具”对象的实体关系图模型;G orti等[13]建立了基于共享对象的概念模型; Sudarsan等[14]采用面向对象的统一建模语言(Uni2 fied Modeling Language,UML)建立了开放式装配模型,表达了零件公差、运动关系、装配关系和装配特征等大量装配信息;Zha等[15]在此模型的基础上,建立了该模型与EXPRESS/可扩展标记语言(eXtensible Markup Language,XML)模型的集成装配模型。

面向对象的产品装配模型既能全面表达装配体中零部件对象的属性、功能、行为等信息,建立零部件对象之间的装配关联,又能多层次、多粒度地表达和存储装配信息。

上述产品装配模型主要以表达产品基本属性、层次结构、装配特征、装配关系为主,没有全面、系统地描述复杂产品装配设计过程中的所有数据以及这些数据之间的衍变关系,在实际应用时,只能支持数字化装配的一个或部分功能,且极少真正应用于复杂的机械产品,更不能为航空发动机这类更复杂产品的数字化装配设计提供有效支持。

通过调研,本文针对航空发动机数字化装配规划系统对装配建模的需求,在综合分析几种装配建模方法优点的基础上,采用面向对象方法建立适用于航空发动机等复杂产品的数字化装配元模型(meta2model),综合集成表达各类装配信息,并合理描述各类信息之间的相互关系。

利用对象匹配的方法构造航空发动机装配对象模型,并以具体实例论述从装配元模型、对象模型到具体实例装配模型的衍变。

1　面向对象的产品装配元模型元模型是数据集成的基础,是关于如何建立模型、模型的语义或模型之间如何集成和互操作等信息的描述。

由于元模型建模有利于数据模型进行集成、共享、查询、阅读和互操作,将其用于描述复杂产品的各类信息,可全面支持装配过程及装配设计的表达。

111　面向对象的方法从20世纪90年代开始,面向对象方法逐渐取代面向功能的建模方法,成为软件工程领域主导性的系统描述和分析方法。

面向对象方法的基本思想是将系统的组成“对象”抽象归并为多种具有相同特征的“对象类”;每种对象类具有唯一标志、多种属性和操作。