飞机工艺装备模块化设计系统技术研究

制造技术／工艺装备　现代制造工程２００９年第ｌＯ期　飞机工艺装备模块化设计系统技术研究　耿其亚，王仲奇，康永刚，马强　（西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安７１００７２）　摘要：模块化设计是产品快速设计的通用技术，是简化产品设计、减少开发成本和缩短研制周期的有效方法之一。基于　模块化设计方法，研究飞机工艺装备快速设计技术和飞机工艺装备模块的重复利用技术，开发飞机装配型架设计系统。　最后，基于模块实例推理技术实现飞机工艺装备的快速设计。　关键词：模块化设计；飞机装备；模块划分；装配特征　中图分类号：ＴＰ３９１．７文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—３１３３【２００９）１Ｏ—００６５—０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｆｉｘｔｕｒｅｓ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ＧＥＮＧ　Ｑｉ—ｙａ，ＷＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ—ｑｉ，ＫＡＮＧ　Ｙｏｎｇ－ｇａｎｇ，ＭＡ　Ｑｉａｎｇ　ｆ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ．Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ　７１００７２，ＣＨＮ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｏｄｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｓ　ｉｎ　ｃｏｍｍｏｎ　ｕｓｅ　ｆｏｒ　ｐｒｏｄｕｃｔ’ｓ　ｆａｓｔ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｔｈｅ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｂｅｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｔｅｃｈ—　ｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｐｒｅｄｉｇｅｓｔｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｓｉｎ，ｒｅｄｕｃｉｇｎｇ　ｃｏｓｔ　ａｎｄ　ｓｈｏ￣ｅｎｉｎｇ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ’Ｓ　ｃｙｃｌｅ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｔｏｏｌｉｎｇ　ｆａｓｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ　ｃａｓｅｓ　ｒｅａｓｏｎｉｎｇ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ｔｏｏｌｉｎｇｓ’ｍｏｄｕｌｅ　ｒｅｕｓｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｄｅｖｅｌｏｐ　ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｉｒｃｒａｆｔ　ａｓｓｅｍｂｌｙ　ｆｉｘｔｕｒｅｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｏｏｌｉｎｇ　ｆａｓｔ　ｄｅｓｉｎ　ｂａｓｅ　ｏｎ　ｃａｓｅ—ｂａｇｓｅｄ　ｒｅａｓｏｎｉｎｇ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｄｕｌｒ　ｄｅｓｉａｇｎ；ａｉｒｃｒａｆｔ　ｆｉｘｔｕｒｅｓ；ｍｏｄｕｌｅ　ｐａｒｔｉｔｉｏｎ；ｍａｔｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅ　０　引言　飞机工艺装备（简称工装）的设计与制造是飞机　制造工程的重要组成部分，它直接关系到飞机生产总　目标的实现，并对飞机产品的可靠性、适航性和使用　１　飞机工装模块化设计系统的功能模型　构建飞机工装模块化设计系统，应根据系统的总　体要求，在功能分析的基础上，采用自顶向下逐层分　解的设计方法制定系统的功能树，如图１所示。　飞机工装模块化设计系统　寿命的提高、综合技术性能的改善、研制生产成本的　降低及缩短研制周期等方面起着十分重要的作用。　据统计，工装的设计、制造周期一般占新产品研　制开发周期的４０％左右，工装成本占总研制成本的　２０％～３０％，飞机工装在航空企业生产中是极其重要　的　。　垂孳　ｌ　弄孳素曩　模　块　实　例　推　理　由于现代飞机制造的系列化特性，使得同一系列　飞机之间（甚至不同系列飞机之问）的工装结构相似　机　性及其元件／部件可重复利用性很高，特别是型架、夹　具和模具。在这种情况下，采用模块化设计技术缩短　工装设计和制造周期，对提高飞机生产准备快速反应　能力是可行的。　蓁　囊ｌＩ蓁ｌ　Ｉｊ茎Ｉｌ萎　实　例　信　息　资　源　管　理　相　似　模　二　三　专　块　维　维　家　实　则　几　几　经　例　知　验　何　何　信　识　知　息　图　图　管　识　形　形　实　资　管　源　管　管　例　理　管　理　理　三　蠢　维　参　数　化　驱　动　设计ｌ问题ｌ　ｌＪ模块ｌ实例ｌ　ＩＪ模块Ｉ实例Ｊｌ｝实例　模块　理　分解ＩＩ推理Ｉｌ修改ｌ】组合　蓬　造　型　图１　飞机工装模块化设计系统功能模型　国家８６３科技支撑计划项目（２００６ＢＡＦｆｌｅ０１Ａ０３）；国家航空科学基金项目（２００６ＺＥ５３０５８）　６５　现代制造工程２００９年第１Ｏ期　制造技术／工艺装备　１）飞机工装设计子系统：对于新的飞机工装设计　任务，通过调用系统其他功能模块完成设计。　２）推理机：由模块实例推理。　１）子功能结构可能根据实际需求发生变化。　２）子功能结构是企业的工装通用件或标准件。　３）子功能结构经常单独作为应力校核的关键部　分。　３）设计资源库管理系统：对设计资源库进行管　理，包括设计实例信息、三维模型、二维图形、设计规　４）子功能结构经常更换使用，并且很有可能因为　腐蚀、磨损或变形，而被经常更换或维修。　５）子功能结构的实现技术很有可能发生技术更　新换代。　模块划分后，应根据模块的划分原则、模块独立　范与标准知识、选择和判断知识、专家经验知识和航　空企业其他设计资源（如工装标准件库）等信息进行　管理。　４）参数化设计：能够根据设计问题需要，对已有　三维模型进行参数驱动，从而得到符合需要的三维模　型。　２飞机工装的模块划分　飞机工装的一个显著特点是，工装与工装设计任　务对象结合部位的结构，会随着工装设计任务对象拓　扑结构的变化而有所变化，而其他部分的结构变化不　大，例如，用于飞机制造夹具的夹具基体、夹紧机构和　传动装置等部分大体上相同，而定位元件、夹紧件和　导向件等部分可能会随着工装设计任务对象拓扑结　构的变化而有所差异。　２．１　飞机工装模块分解过程　把一组飞机工装设计实例的总体功能需求自顶　向下进行分解，直至通过逐层分解所得到的每一个子　功能都能够由一个独立的结构实现，这些子功能就是　进行模块划分的基本单元，每一个模块都由一个或几　个子功能组成，其功能分解示意如图２所示。　图２　Ｉ！ｌ机工装功能分解示意　图２中，Ｇ代表一组飞机工装设计实例的总体功　能需求，为一级功能；Ｇ１、６＇２和Ｇ３是Ｇ的分功能，为　二级功能；Ｇ１１和Ｇ１２为Ｇ１的分功能，Ｇ３１、Ｇ３２和　Ｇ３３为Ｇ３的子功能，为三级功能。这样一直分解到子　功能为止。　２．２模块划分　根据所建立的子功能结构图进行模块划分。如　果子功能结构满足下列条件之一，这个子功能结构可　以考虑作为一个独立的模块。　６６　性原则和专家经验对划分结果进行评价，如果划分结　果不合理，要进行调整，　２．３飞机工装模块划分过程　综上所述，飞机工装设计族的模块划分过程模型　如图３所示。　￡鼍Ｐｌ　模型　蔫跫著ｆ最恳　堑　嚣耋　确定　产品　典型　产品　结构　实例　具体，　总功　功　能　Ｌ兰　镅　子功能结构纂蒜．　子功　层次　结构　关系　映射　图　１　子　功　能相关　度计　算　－　ｌｌ　钴＇Ｉ＇毋Ｔ　子功能　结　构相似　度计　算一　］　设计员　ｌｌ评　指标ｆ　系统平台　图３设计族的模块划分过程模型　３工装的快速设计支持策略　３．１快速设计流程　在工装模块划分和建好模块实例库的基础上，针　对新的飞机工装设计任务，根据实际设计需要，利用　基于模块实例推理的方法设计飞机工装。　工装模块化设计流程如图４所示，其设计过程分　述如下。　１）根据任务需求，首先对工装设计任务对象的设　计问题信息和要求进行提取、分析，然后根据设计问　题信息推理出相似规格的工装实例。　２）针对在上述实例中已划分好的每一个模块所　对应的一组模块实例，运用模块实例推理的方法，找　到与新设计要求最相近的模块实例。　３）对所选择的模块实例根据新设计要求进行分　制造技术／工艺装备　现代制造工程２００９年第１０期　析、评价和修改。　具有的某一结构特征ｋ　的结构相似度；　为实例数　４）将所有修改后的模块实例按照工装组合构型　量；Ｃ　为排列组合，Ｃ：＝ｎ（ｎ一１）／２。　进行组合，并根据新设计要求对组合结果进行分析、　评价、修改和详细设计，最后得到新设计的工装。　新工装设计任务获取　设计资源库　实例的模块分解　块１ｌｌ模块２ｌ…模块　产品构型　方案提取　设计信息和要求的模块分解　模块实例推理　模块实例推理结果组合　产品设计方案评价、分析、修改　详细设计　设计结果输出　图４　飞机工装模块化设计流程　３．２基于模块化设计推理　基于实例的推理（Ｃａｓｅ—Ｂａｓｅｄ　Ｒｅａｓｏｎｉｎｇ，ＣＢＲ）就　是基于案例的推理技术，是一种相似或类比的推理方　法，它是通过访问知识库中过去同类问题的求解，获　得当前问题解决方案的一种推理模式，即利用旧的事　例或经验来解决新问题，评价新问题，解释异常情况　或理解新情况。　、　本系统采用基于实例推理的方式进行飞机工装的快速设计，包括以下步骤。　１）将设计问题信息根据每一个模块的功能（即所　对应的模块实例的性能属性特征）进行分解。　２）根据分解后的推理信息，在该组模块实例中进　行检索，要先对设计有重要影响的特征信息进行检索　匹配，按照相似性计算，从实例库中匹配出一组相关　的实例。两个实例的结构相似度Ｓ　）为：　ｓ（　）＝　ｐｉｄ　则这个子功能结构相似度Ｓ的计算公式为：　ｓ＝丧。，　ｎ　，　式中：后为子功能结构特征数；ｄ　为第　个特征对结构　的影响权重系数；ｐ　（经验值）为第０个和第ｂ个实例　３）根据人工交互的方法进行最后的选择，并根据　设计问题信息进行所选模块实例的分析、评价和修　正，最后得到输出结果。　４）如果没有检索结果，则应重新设计模块实例，　并输出设计结果。　模块实例的推理过程如图５所示。　图５模块实例的推理过程　４飞机工装模块化设计的系统实现　４．１　系统实现　飞机工装模块化设计系统以ＣＡＴＩＡ为开发平台，　利用计算机应用体系结构（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ａｒ．　ｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＣＡＡ）对ＣＡＴＩＡ实行二次开发。其中，设计　资源库将采用Ｏｒａｃｌｅ　ＸＭＬ　ＤＢ作为底层的支撑数据　库，并在实体关系（Ｅ—Ｒ）模型的基础上建立各种关系　表和数据结构，以及它们之间的约束关系。另外，还　要对其进行功能设计，包括存取功能、知识的检索和　查询功能及设计资源库的维护管理功能。系统部分　功能模块界面如图６、图７所示。　图６　飞机工装模块化设计系统的主界面　６７　现代制造工程２００９年第ｌ０期　图７模块设计界面　４．２应用举例　以飞机机翼为例，飞机机翼是飞机机体的主要装　配组件，其结构复杂，要求严格。根据飞机机翼结构，　一般可以将其分解为翼尖、翼肋、襟翼、副翼、前缘、后　缘和壁板等装配单元。飞机总装型架是用于飞机机　翼组装的装配夹具，可实现飞机机翼各装配单元的定　位和组装，并通过铆接（胶接、焊接）的方法将各装配　单元装配成完整的飞机机翼。　飞机总装型架是由骨架、定位件、夹紧件和辅助　设备组成，其中骨架是飞机总装型架的基础构件，其　结构必须考虑合理的力传递。由于飞机总装型架结　构复杂，下面仅以某机型机翼的总装型架的骨架设计　任务为例，说明模块化设计技术在飞机工艺装备设计　中的应用。　某机翼总装型架的骨架模块化设计过程如下。　１）构建某飞机机翼总装型架的骨架，对其进行模　块分解。　２）某机翼总装型架的骨架可以分解为梁、立柱、　底座和调节支承等模块，骨架模块划分如图８所示。　模块１　模块２　模块３　模块４　图８某机翼总装型架的骨架模块划分　３）某机翼总装型架的骨架分为框架式、组合式、分　散式和整体底座式。机翼总装型架的骨架通常是组合　式，通过图７界面结构相似度的计算，获取相似骨架实　例结构。图９所示为对需求模块进行选择的界面。　４）所有模块数据以Ｃａｔａｌｏｇ文件存放。Ｃａｔａｌｏｇ是　ＣＡＴＩＡ自带的模型库文件。调用浏览器ＡＰＩ，令模块　６８　制造技术／工艺装备　数据在浏览器中打开，如图ｌ０所示。　图９某机翼总装型架的型架设计模块界面　图１０　ＣａｔＭｏｇ浏览器界面　５）在ＣＡＴＩＡ装配设计中，选择需要的参数模型。　图１　１所示为依次提取所需骨架的主要组成模块。　ａ）立柱　ｂ）梁　ｃ）Ｊ蕞座　ｄ）调节支撑　土　图１　１　某机翼总装型架的骨架主要组成模块　图１１中，梁是由槽钢对焊成封闭的匣形剖面，表　面加工出间距为１００ｍｍ的孔，以便通过螺栓互相连　接，梁通过螺栓固定在底座和立柱上。立柱、底座的　材料一般采用铸铁。调节支撑由装配基准点确定。　６）根据设计任务，更新的机翼总装型架的骨架如　（下转第８２页）　现代制造工程２００９年第１Ｏ期　制造技术／工艺装备　［５］　陈文琳，聂会星．预应力锚圈的弹塑性有限元分析　径各节点的轴向位移量差别不大，呈均匀分布。在载　荷达到１８５０ＭＰａ时，该路径上节点的轴向位移变化剧　烈，锚圈上端面的中心孔壁处节点和最外端的节点轴　向位移较大，位移变化曲线呈两边位移量大中间位移　量小形态，锚圈上端最外侧节点位移达到０．０７４ｒａｍ。　参考文献：　［Ｊ］．合肥工业大学学报，２００７（６）：７６１—７６４．　［６］　陈火红．新编Ｍａｒｃ有限元实例教程［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，２００７．　［７］　曹金凤，石亦平．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析常见问题解答　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００９．　［１］　陈从升，张正彬．基于正交试验及有限元法的锚具结　构优化设计研究［Ｊ］．机械制造，２００８（１０）：２３—２５．　［２］　石亦平，周玉蓉．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析实例详解［Ｍ］．　北京：机械工业出版社，２ｏ０７．　［３］　胡龙飞，刘全坤，陈文琳，等．锚环组合三维接触分析　数值模拟与试验［Ｊ］．农业机械学报，２００６（９）．　［４］　蒋志涛，刘泓滨，王飞，等．ＡＢＡＱＵＳ的高速铣削二维　作者简介：陈从升，硕士，讲师，在读博士，研究方向：结构强度分析　及ＣＡＥ　Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｃｓ１９７５＠１６３．ｃｏｒｎ　仿真分析［Ｊ］．现代制造工程，２００８（８）：４５—４７．　收稿日期：２００９－０４－３０　（上接第６８页）　图Ｉ２所示。若更换其中局部模块，还可以满足新的工　装需求。　［３］　范玉青．现代飞机制造技术［Ｍ］．北京：北京航空航　天大学出版社，２００１．　［４］　黄保辉，黄英发，钟艳如．基于模块化设计的混合图　拆卸建模研究［Ｊ］．现代制造工程，２００５（１２）：４３—　４５．　［５］　童时中．模块化原理、设计方法及应用［Ｍ］．北京：中　国标准出版社，１９９９．　［６］　王智明，崔颖，卢华涛，等．ＣＡＴＩＡ　Ｖ５实体建模全局　观研究［Ｊ］．现代制造工程，２００８（１０）：５０—５３．　［７］　贾延林．模块化设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　１９９３．　图１２更新的机翼总装型架的骨架　［８］　张志鸿，岳一领．虚拟组合夹具系统的组件化设计　［Ｊ］．现代制造工程，２００６（３）：１０６—１０９．　５　结语　模块化设计是满足飞机工装快速设计的有效手　［９］　Ｒｏｂｅｒｔｓｏｎ　Ｄ，Ｕｌｒｉｃｈ　Ｋ．Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ｆｏｒ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ　［Ｊ］．Ｓｌｏａｎ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｒｅｖｉｅｗ，１９９８，３９（４）：１９—３１．　［１０］　马强，王仲奇．飞机制造工艺装备模块化设计方法　的研究［Ｊ］．现代制造工程，２００７（１）：６３—６５．　段，本文结合飞机制造特点，采用基于模块化设计方　法对飞机工装设计技术进行研究，构建了飞机工装模　块化设计系统。本系统在设计过程中，能够快速查询　设计资源库，达到资源重复利用和快速设计的目的。　在模块化设计系统中，只要充分重视基础数据的建　立，丰富资源库的内容，就可以达到快速设计的效果。　参考文献：　作者简介：耿其亚，硕士研究生，主要研究方向为现代集成制造技　术。　作者通讯地址：西北工业大学２８信箱（西安７１００７２）　Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｊｇｑｙｗａｎ＠ｍａｉｌ．ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　收稿日期：２００９＿ｏ２—１９　［１］　航空制造工程手册总编委会．航空制造工程手册（飞　机工艺装备手册）［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９４．　［２］　王巍，贺平，万良辉．飞机框组件工装的模块化设计　研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００７（１２）：４５—４６．　８２