飞机工艺数字样机定义及其应用研究
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在制造域，为 了 方 便 产 品 的 加 工 定 位、搬 运 等 要 求，需要在设计过程中定义产品的某些工艺结构。如 在钣金件的制造过程中，考虑到产品的定位问题和搬 运吊装的方便，需要在零件上定义出工艺孔及工艺突 耳，但最终成形的零件是不包含这个孔和突耳的，因 此应在零件加工的图样中包含有这部分信息，并用适 当的方式标识。应根据工艺设计人员制造过程的需 要确定 零 件 加 工 的 余 量、导 孔 和 其 他 要 求。在 使 用 CATIA / UG 三维设计软件时，零件在制造过程中不同 阶段的状态可以存放在不同的层中，以方便使用。这 些工艺数据与产品设计数据一起组成了单一产品数 据集，该 数 据 集 需 要 设 计、工 艺 计 划 和 工 艺 装 备 设 计 三方人员共同确定。
有效地消除了人为错误所造成的生产故障，真正将设 计和制造过程联接在一起，从宏观上控制产品数据在 整个生命周期内的流动。工艺数字样机技术对我国 大型飞机协同研制过程及体系的建立具有重要意义。
1 工艺数字样机定义
从制造的角度出发，航空产品主要的零 / 部件有： 钣金件、机加件、复合材料件、管路件以及装配件等几 种主要类型。它们有各自的加工特点和方法： 钣金件 成形加工要依靠各种专用的工装； 机加件是最常见的 一种结构件，其 加 工 手 段 包 括 车、铣、刨 和 磨 等 方 法， 对于复杂而质量要求高的飞机结构件而言，一般由数 控铣床、数控加 工 中 心 和 坐 标 测 量 机 等 设 备 进 行 加 工、检验； 复合材料件的最大特点是在完成材料制造 的同时完成产品的制造，通过模具完成成形； 管路件
* 校博士启动基金资助项目（ 07YB22）
131
2011 年第 10 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
正逐渐由数控弯管机取代人工劳动。正是由于各类 零件工艺特性各不相同，其数据形式也多种多样，包 括文本、数值、图形和图像等，再加上工程设计过程产 生的 几 何 结 构 数 据、分 析 和 仿 真 数 据、技 术 要 求 等 都 需要有机地结合到工艺数字样机中，因此必须形成贯 穿产品研制过程的可以支持产品生命周期各部门协 同工作的广义 的 单 一 产 品 数 据 源［1］。 工 艺 数 字 样 机 的创建应该跨越工程设计域与制造域，有利于并行工 程思 想 在 工 程 设 计 域 实 施，使 几 何 设 计、功 能 设 计 协 同完成产品工艺规程制定、装配大纲和制造大纲等内 容。在制造 域，对 工 艺 数 字 样 机 的 完 善 具 有 个 性 化， 依赖于生产厂实际加工装备和能力。 1． 1 工艺数字样机的内容
由于产品零 / 部件信息巨大，在管理上除了基于 分布式数据库之外，使用方面主要利用数据关联的方 式组 织 工 艺 信 息，在 需 要 利 用 某 部 分 信 息 时，通 过 关 联机制检索所需信息统一包装并使用，这个过程由工 艺数字样机管理系统支持。需要强调的是，数据的组 织不是将所有数据全部捆绑在同一个地方，而是要建 立一种机制，对各零 / 部件和其工艺信息进行动态关 联，目前经验证可用的方式是基于产品生命周期管理 （ Product Lifecycle Management，PLM） 系统进行多种类 数据、多 相 互 联 系 的 数 据 集 成 管 理，这 是 一 种 松 散 的 集成 方 式，易 于 实 现 多 用 户、分 布 式 协 同 工 艺 过 程 管 理，保 证 了 数 据 一 致 性 的 需 求，也 适 合 大 型 数 据 集 的 使用需求，工艺样机数据组织框架如图 1 所示。
工艺数字样机的数据组织主要面向传统意义上 的工艺数字样机，称为设计域工艺样机。
对于在制造厂工艺设计阶段产生的工艺信息，需 要在上述基础上进一步通过开发专用的工艺数字样机 管理软件包装和组织［2］，该软件可以基于 CATIA 进行 二次开发，也可以完全独立进行设计和开发，这个阶段 设计域工艺样机内容增加，包含面向具体工艺过程的特 定的附加工艺信息，将其称为制造域工艺样机。数据组 织的框架可以基于资源管理模式进行，即将产品制造所 涉及到的各类形式的工艺信息看成资源进行统一管理 （ 浏览、查询、统计、分析等） ，并保持其数据一致性。
Abstract： For the situation of design and manufacturing separation in aviation industry，process design becomes an important means for really translating design intention from design domain to manufacturing domain． The partly couched process information in engineering data，which delivered by design department，must be combined with factory production ability to really plan and evaluate technology process before production． So，after systematic study the whole concept，content and its data organization pattern of process digital mock-up，its detail building process from design domain to manufacturing domain is provided． At last，a producing close-loop control process is expounded，which includes planning，plan transmission，plan execution and quality inspection based on process digital mock-up for aviation manufacturing． Key words： process； digital mock-up； manufacturing
对于那些在装配时需要配钻的导孔，以及协调孔 和定 位 孔 等，在 数 字 化 定 义 时，并 不 给 出 完 整 孔 的 定 义，而 只 是 在 三 维 模 型 中 定 义 孔 的 中 心 点 及 其 法 线， 在二维模型中定义其最终孔的直径。通常在生产中， 制造和检验是按照零件图样以及零件表共同确定的。 在零件表中说明孔的加工方法和检验步骤。因此，从 这个意义上说，产品零件的工艺信息还有一部分定义 在零件表的属性中，即零件的非几何信息模型中。
专题论述
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
2011 年第 10 期
*
飞机工艺数字样机定义及其应用研究
孟飙，曲学军 （ 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）
Leabharlann Baidu
摘要：对航空制造业设计制造与分离的现状来说，工艺设计是设计意图真正传递到制造过程的重要手段。设计部门发 放的工程数据中隐含了部分工艺信息，必须与制造厂能力相结合才能真正在生产之前规划和评价工艺过程。因此，在 系统的研究工艺数字样机的完整概念、内容及其数据组织方式之后，给出其设计域和制造域详细创建过程。最后，针对 航空制造论述了基于工艺数字样机的计划编制、下发、执行和检验的生产闭环控制过程。 关键词：工艺； 数字样机； 制造 中图分类号：TP166 文献标志码：A 文章编号：1671—3133（2011）10—0131—04
对于复合材料的零件，由于零件产品结构的特殊 性，需要在定义零件产品的过程中即定义出零件铺层 的铺 设 过 程，因 此，复 合 材 料 零 件 的 数 字 化 定 义 本 身 就是与复合材料的加工工艺紧密结合的。
对 于 工 艺 结 构 复 杂 ，或 根 据 实 际 生 产 要 求 ，所 生 产的零件与定义的零件最终 形 状 差 别 较 大，如 大 型 结构件，为了装配，需要增 加 吊 耳 或 对 接 接 头 等，装 配完 成 后 再 去 除 ，这 时 ，则 需 要 定 义 出 完 整 的 工 艺 模 型，此工艺模型不是产品结构中的真实节点。 132
因此，工艺数字样机除包含应有的几何结构信息 外，还有工艺几何结构信息、各类基准信息、安装定位 信息、工装制造所需定位信息、铺层工艺信息、钣金零 件用料信息、机加零件工艺参数信息、关键特性信息、 产品结构和制造属性信息等。 1． 2 工艺数字样机的数据组织
对于广义单 一 数 据 源，其 包 含 的 信 息 量 巨 大，而 且种 类 繁 多，如 果 都 集 中 存 储 和 显 示，则 会 使 数 据 显 得混 乱，使 使 用 者 感 到 无 从 下 手，不 利 于 管 理 和 后 续 工作的展开。从总体上，数据的组织和管理分两个层 次： 一个层次是产品数据管理（ PDM） 所涉及的管理范 围，它管理 的 对 象 是 零 / 部 件，管 理 的 最 小 粒 度 是 零 件，可用零件表来描述，通过树结构遍历； 另一层次是 描述零 / 部件的数据集（ dataset） ，它通过层表记录了组 成零 / 部件的 各 种 几 何 的 元 素、尺 寸 及 公 差 标 注 等。 它管理的 最 小 粒 度 是 点、线、面 之 类 元 素。 因 此 数 据 集有效的数据分离方法和工具———层和层过滤器，将 数据 信 息 按 照 一 定 的 类 型，分 别 存 储，并 使 使 用 者 能 够有目的地选择所需要显示的工艺信息内容。
0 引言
产品设计意图如何有效地转化为产品实物，一直 是工程上所关 注 的 重 要 工 作 内 容，在 这 个 转 化 过 程 中，工艺设计是技术枢纽，其对飞机制造业尤其重要。 往往制造厂得到制造计划后需要对所要生产的零 /部 件进行研究分析，按照工艺要求、技术条件、生产能力 及个人生产经验完成零 / 部件的工艺设计，对需要数 控加工的零 / 部件，有时甚至需要进行产品的二次建 模工作，在国际合作的项目中也存在这类问题。这一 情形将导致后续生产过程的技术隐患，大量的生产问 题产生于工艺再设计过程，这一情形亟需得到有效地 解决。而工艺数字样机的概念就是针对这一问题所 提出的，其完成的工作架设了工程和设计领域之间的 沟 通 桥 梁，同 时 其 建 立 在 工 厂 工 艺 知 识 管 理 基 础 上，
重叠的子集。各分厂级工艺数字样机相互之间各不 重叠，其全集就是整体工艺数字样机。
孟飙，等： 飞机工艺数字样机定义及其应用研究
2011 年第 10 期
图 1 工艺样机数据组织框架
1． 3 工艺数字样机的创建 对于飞机这样大型复杂的机械产品，创建包含全
部零 /部件工艺信息的整体工艺数字样机是不现实 的，占 用 的 资 源 极 其 巨 大，其 处 理 过 程 甚 至 影 响 到 整 个系统的 效 率。 因 此，根 据 生 产 分 厂 具 体 生 产 需 求， 所需的数字样机只是局限于本厂的具体生产任务，这 个需求一般可以从分厂零件目录而来。同时为了适 应工装 制 造、工 具 准 备、毛 料 准 备、钣 金 件 制 造、机 加 件制造和部件装配等方面的个性化需求，工艺数字样 机也可以相应地分为工装工艺数字样机、钣金件工艺 数字样机等，其所含内容是分厂级工艺数字样机的可
Study of defination ＆ application for aircraft process digital mock-up
MENG Biao，QU Xue-jun （ School of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）
有效地消除了人为错误所造成的生产故障，真正将设 计和制造过程联接在一起，从宏观上控制产品数据在 整个生命周期内的流动。工艺数字样机技术对我国 大型飞机协同研制过程及体系的建立具有重要意义。
1 工艺数字样机定义
从制造的角度出发，航空产品主要的零 / 部件有： 钣金件、机加件、复合材料件、管路件以及装配件等几 种主要类型。它们有各自的加工特点和方法： 钣金件 成形加工要依靠各种专用的工装； 机加件是最常见的 一种结构件，其 加 工 手 段 包 括 车、铣、刨 和 磨 等 方 法， 对于复杂而质量要求高的飞机结构件而言，一般由数 控铣床、数控加 工 中 心 和 坐 标 测 量 机 等 设 备 进 行 加 工、检验； 复合材料件的最大特点是在完成材料制造 的同时完成产品的制造，通过模具完成成形； 管路件
* 校博士启动基金资助项目（ 07YB22）
131
2011 年第 10 期
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
正逐渐由数控弯管机取代人工劳动。正是由于各类 零件工艺特性各不相同，其数据形式也多种多样，包 括文本、数值、图形和图像等，再加上工程设计过程产 生的 几 何 结 构 数 据、分 析 和 仿 真 数 据、技 术 要 求 等 都 需要有机地结合到工艺数字样机中，因此必须形成贯 穿产品研制过程的可以支持产品生命周期各部门协 同工作的广义 的 单 一 产 品 数 据 源［1］。 工 艺 数 字 样 机 的创建应该跨越工程设计域与制造域，有利于并行工 程思 想 在 工 程 设 计 域 实 施，使 几 何 设 计、功 能 设 计 协 同完成产品工艺规程制定、装配大纲和制造大纲等内 容。在制造 域，对 工 艺 数 字 样 机 的 完 善 具 有 个 性 化， 依赖于生产厂实际加工装备和能力。 1． 1 工艺数字样机的内容
由于产品零 / 部件信息巨大，在管理上除了基于 分布式数据库之外，使用方面主要利用数据关联的方 式组 织 工 艺 信 息，在 需 要 利 用 某 部 分 信 息 时，通 过 关 联机制检索所需信息统一包装并使用，这个过程由工 艺数字样机管理系统支持。需要强调的是，数据的组 织不是将所有数据全部捆绑在同一个地方，而是要建 立一种机制，对各零 / 部件和其工艺信息进行动态关 联，目前经验证可用的方式是基于产品生命周期管理 （ Product Lifecycle Management，PLM） 系统进行多种类 数据、多 相 互 联 系 的 数 据 集 成 管 理，这 是 一 种 松 散 的 集成 方 式，易 于 实 现 多 用 户、分 布 式 协 同 工 艺 过 程 管 理，保 证 了 数 据 一 致 性 的 需 求，也 适 合 大 型 数 据 集 的 使用需求，工艺样机数据组织框架如图 1 所示。
工艺数字样机的数据组织主要面向传统意义上 的工艺数字样机，称为设计域工艺样机。
对于在制造厂工艺设计阶段产生的工艺信息，需 要在上述基础上进一步通过开发专用的工艺数字样机 管理软件包装和组织［2］，该软件可以基于 CATIA 进行 二次开发，也可以完全独立进行设计和开发，这个阶段 设计域工艺样机内容增加，包含面向具体工艺过程的特 定的附加工艺信息，将其称为制造域工艺样机。数据组 织的框架可以基于资源管理模式进行，即将产品制造所 涉及到的各类形式的工艺信息看成资源进行统一管理 （ 浏览、查询、统计、分析等） ，并保持其数据一致性。
Abstract： For the situation of design and manufacturing separation in aviation industry，process design becomes an important means for really translating design intention from design domain to manufacturing domain． The partly couched process information in engineering data，which delivered by design department，must be combined with factory production ability to really plan and evaluate technology process before production． So，after systematic study the whole concept，content and its data organization pattern of process digital mock-up，its detail building process from design domain to manufacturing domain is provided． At last，a producing close-loop control process is expounded，which includes planning，plan transmission，plan execution and quality inspection based on process digital mock-up for aviation manufacturing． Key words： process； digital mock-up； manufacturing
对于那些在装配时需要配钻的导孔，以及协调孔 和定 位 孔 等，在 数 字 化 定 义 时，并 不 给 出 完 整 孔 的 定 义，而 只 是 在 三 维 模 型 中 定 义 孔 的 中 心 点 及 其 法 线， 在二维模型中定义其最终孔的直径。通常在生产中， 制造和检验是按照零件图样以及零件表共同确定的。 在零件表中说明孔的加工方法和检验步骤。因此，从 这个意义上说，产品零件的工艺信息还有一部分定义 在零件表的属性中，即零件的非几何信息模型中。
专题论述
现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
2011 年第 10 期
*
飞机工艺数字样机定义及其应用研究
孟飙，曲学军 （ 沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）
Leabharlann Baidu
摘要：对航空制造业设计制造与分离的现状来说，工艺设计是设计意图真正传递到制造过程的重要手段。设计部门发 放的工程数据中隐含了部分工艺信息，必须与制造厂能力相结合才能真正在生产之前规划和评价工艺过程。因此，在 系统的研究工艺数字样机的完整概念、内容及其数据组织方式之后，给出其设计域和制造域详细创建过程。最后，针对 航空制造论述了基于工艺数字样机的计划编制、下发、执行和检验的生产闭环控制过程。 关键词：工艺； 数字样机； 制造 中图分类号：TP166 文献标志码：A 文章编号：1671—3133（2011）10—0131—04
对于复合材料的零件，由于零件产品结构的特殊 性，需要在定义零件产品的过程中即定义出零件铺层 的铺 设 过 程，因 此，复 合 材 料 零 件 的 数 字 化 定 义 本 身 就是与复合材料的加工工艺紧密结合的。
对 于 工 艺 结 构 复 杂 ，或 根 据 实 际 生 产 要 求 ，所 生 产的零件与定义的零件最终 形 状 差 别 较 大，如 大 型 结构件，为了装配，需要增 加 吊 耳 或 对 接 接 头 等，装 配完 成 后 再 去 除 ，这 时 ，则 需 要 定 义 出 完 整 的 工 艺 模 型，此工艺模型不是产品结构中的真实节点。 132
因此，工艺数字样机除包含应有的几何结构信息 外，还有工艺几何结构信息、各类基准信息、安装定位 信息、工装制造所需定位信息、铺层工艺信息、钣金零 件用料信息、机加零件工艺参数信息、关键特性信息、 产品结构和制造属性信息等。 1． 2 工艺数字样机的数据组织
对于广义单 一 数 据 源，其 包 含 的 信 息 量 巨 大，而 且种 类 繁 多，如 果 都 集 中 存 储 和 显 示，则 会 使 数 据 显 得混 乱，使 使 用 者 感 到 无 从 下 手，不 利 于 管 理 和 后 续 工作的展开。从总体上，数据的组织和管理分两个层 次： 一个层次是产品数据管理（ PDM） 所涉及的管理范 围，它管理 的 对 象 是 零 / 部 件，管 理 的 最 小 粒 度 是 零 件，可用零件表来描述，通过树结构遍历； 另一层次是 描述零 / 部件的数据集（ dataset） ，它通过层表记录了组 成零 / 部件的 各 种 几 何 的 元 素、尺 寸 及 公 差 标 注 等。 它管理的 最 小 粒 度 是 点、线、面 之 类 元 素。 因 此 数 据 集有效的数据分离方法和工具———层和层过滤器，将 数据 信 息 按 照 一 定 的 类 型，分 别 存 储，并 使 使 用 者 能 够有目的地选择所需要显示的工艺信息内容。
0 引言
产品设计意图如何有效地转化为产品实物，一直 是工程上所关 注 的 重 要 工 作 内 容，在 这 个 转 化 过 程 中，工艺设计是技术枢纽，其对飞机制造业尤其重要。 往往制造厂得到制造计划后需要对所要生产的零 /部 件进行研究分析，按照工艺要求、技术条件、生产能力 及个人生产经验完成零 / 部件的工艺设计，对需要数 控加工的零 / 部件，有时甚至需要进行产品的二次建 模工作，在国际合作的项目中也存在这类问题。这一 情形将导致后续生产过程的技术隐患，大量的生产问 题产生于工艺再设计过程，这一情形亟需得到有效地 解决。而工艺数字样机的概念就是针对这一问题所 提出的，其完成的工作架设了工程和设计领域之间的 沟 通 桥 梁，同 时 其 建 立 在 工 厂 工 艺 知 识 管 理 基 础 上，
重叠的子集。各分厂级工艺数字样机相互之间各不 重叠，其全集就是整体工艺数字样机。
孟飙，等： 飞机工艺数字样机定义及其应用研究
2011 年第 10 期
图 1 工艺样机数据组织框架
1． 3 工艺数字样机的创建 对于飞机这样大型复杂的机械产品，创建包含全
部零 /部件工艺信息的整体工艺数字样机是不现实 的，占 用 的 资 源 极 其 巨 大，其 处 理 过 程 甚 至 影 响 到 整 个系统的 效 率。 因 此，根 据 生 产 分 厂 具 体 生 产 需 求， 所需的数字样机只是局限于本厂的具体生产任务，这 个需求一般可以从分厂零件目录而来。同时为了适 应工装 制 造、工 具 准 备、毛 料 准 备、钣 金 件 制 造、机 加 件制造和部件装配等方面的个性化需求，工艺数字样 机也可以相应地分为工装工艺数字样机、钣金件工艺 数字样机等，其所含内容是分厂级工艺数字样机的可
Study of defination ＆ application for aircraft process digital mock-up
MENG Biao，QU Xue-jun （ School of Aerospace Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China）