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1、导管数字化制造集成系统导管数字化制造集成系统1.概述概述1.1 立项背景立项背景随着计算机信息技术的飞速发展，以模线、样板、标准工艺装备等模拟量为制造依据的协调方式不再完全满足现代飞机的研制要求，以数字量(数模)为制造依据的协调方式逐渐成为现代飞机研制的主流。在此情况下，三维数字化计算机辅助工艺设计技术开始在飞机研制过程中广泛应用。极大程度的缩短了飞机研制周期，并成为现代飞机研制过程中不可缺少的一环。在飞机弯管制造方面，传统的导管制造通常是“先取样后生产”的模式，用实样作为制造依据。 “先取样后生产”属于被动式生产，需要飞机结构装配完后方能组织人员取样。在飞机研制阶段，飞机设计处于反复叠代、不
2、断优化的过程中，飞机结构优化、管路系统的优化都导致反复取样，取样环节的存在给飞机研制过程中导管的生产管理带来极大的不便。在当今三维数字化产品设计、工艺设计、数字化制造的时代，飞机导管制造行业必须以三维数模为依据的走数字化制造的道路。1.2 立项依据立项依据1986 年，美国波音公司开始采用三维数字化技术对 747-400 液压管路系统进行设计。波音 777 飞机作为世界上第一个采用全数字化定义和无图纸生产技术的大型飞机项目，成为二十世纪九十年代制造业应用信息技术的标志性进展。波音 777 飞机开发、研制、制造、一次试飞成功的根本途径就是采用了数字化技术。从 80 年代初起，国外各类 CAD 软
3、件平台相继进入我国市场，其中三维 CAD 软件具有强大的实体造型功能，同时可进行参数化驱动。另一方面随着计算机存储技术与数据库技术的发展，大容量存储已成为现实。这样，我们就可以利用CATIA/UG 三维平台的强大造型功能设计导管的三维数模，并将三维数模存储于后台数据库进行有效管理；同时可用专用的软件将导管的三维数模进行自动解析与重构。同时还可通过数据库共享拼装夹具的设计成果，避免重复劳动达到资源共享，极大的提高了工作效率，减少了劳动强度，对于现实的工作与生产有着明显的意义。以三维数模为依据的导管数字化快速制造技术项目，将针对传统导管制造方法存在的问题采用基于三维数字化设计技术、计算机仿真制造技
4、术，在三维 CATIA/UG 平台环境下，以导管三维数模为依据进行导管的工艺设计、工艺分析、模具设计、拼装夹具设计和导管数字化检测的方法的研究，最终实现飞机导管数字化快速制造，达到缩短新机研制周期、提高导管制造质量的目的，以适应产品快速更新换代和外来加工的需求。1.3 技术目标技术目标1.3.1 总体技术目标总体技术目标本项目面向新机管路系统的研制需求，针对飞机液压、燃油、滑油、控制和测量系统的典型导管，采用基于知识工程的三维数字化设计技术、人工智能技术、计算机仿真制造技术，在三维 CATlA/UG 平台环境下进行导管三维建模、工艺设计、拼装夹具设计，开发导管数字化制造集成系统，以三维数模为依
5、据，最终实现飞机导管数字化制造，达到缩短新机研制周期、提高飞机导管制造质量的目的，以适应导管快速优化、更新的需求。1.3.2 详细技术要求详细技术要求为了实现以上总体技术目标需要以三维数模为依据，建立飞机导管数字化制造集成系统，详细技术要求如下：1)采用统一建模规范和建模方式，实现新机管路系统(含导管、法兰盘、接头、管嘴等)规范化建模。2)开发导管三维数模与机床代码的双向转换接口，无需要人工干预实现导管三维数模与导管机床代码的一对一双向数据转换，保证数据的可靠性。3)收集导管数字化制造工艺知识、工艺方法、典型实例，进行规范化处理，建立导管数字化制造工艺知识库；4)采用参数化驱动，建立导管弯曲模
6、、夹模、压力模、防皱模、芯棒、机床的三维数模。基于导管、模具、机床的三维数模和工艺知识库，进行导管数字化制造常规工艺分析、弯曲几何仿真、弯曲有限元分析、实现导管数字化工艺设计，优化工艺参数。5)采用参数化驱动，建立支座、压块、接头、销钉等拼装夹具标准单元。基于导管、拼装夹具标准单元的三维数模，实现导管拼装夹具数字化智能推理、设计。6)导管机床代码为依据，实现简单导管数控弯曲、激光测量与检验。7)以导管拼装央具三维数模为依据，进行导管拼装夹具的实物拼装与精度检验；并在拼装夹具上进行复杂焊接导管的生产与检验。8)开发飞机导管数字化制造集成系统，统一管理导管数字化制造过程中各种接口、数据库，用导管三
7、维数模代替传统的导管实样，以三维数模为依据，实现飞机导管数字化快速制造，满足新机研制生产需求。1.3.3 详细技术指标详细技术指标1)适用范围导管材料：LF2M、lCrl8Ni9Ti、ICrl8Nil0Ti、GH4169、Cr21Ni6Mn9、TAl8导管规格：b5mm 一 75mm导管壁厚：0. 5mm-2.5mm导管端头形式：扩口、挤压式无扩口、滚波、翻边、焊接、柔性连接2)导管数字化制造主要精度要求如下：最小壁厚：75椭圆度：10皱纹度：1划伤：10压痕度：10最小弯曲半径：2D 一 3D导管外形误差：0.5mm1.4 研究内容研究内容1)研究导管、法兰盘、接头、管嘴的不同建模方式之间的
8、差异选择最优化的建模方式，确定统一建模规范，新机管路系统规范化建模。2)研究导管三维数模构建的框架结构、导管机床代码的含义，找出两者之间的内在逻辑关系，开发导管三维数模与机床代码的双向转换接口，实现导管三维数模与导管机床代码的一对一双向数据转换。3)研究工艺知识库的表达要求，收集导管数字化制造工艺知识、工艺方法、典型实例，进行标准化、规范化处理，建立导管数字化制造工艺知识库，包含模具/机床选用知识库、工艺审查知识库、拼装夹具知识库。4)研究导管弯曲模、夹模、压力模、防皱模、芯棒、机床三维数模参数之间的逻辑关系，用 EXCEL 文件进行逻辑关系表达，配套参数化驱动，建立导管模具、机床的三维数模。
9、同时，基于模具/机床选用知识库，工艺审查知识库进行导管数字化制造常规工艺分析、弯曲几何仿真、弯曲有限元分析、实现导管数字化工艺设计，优化工艺参数。5)研究拼装夹具标准单元三维数模参数之间的逻辑关系，用 EXCEL 文件进行逻辑关系表达，配套参数化驱动，建立支座、压块、接头、销钉等拼装夹具标准单元，实现导管拼装夹具数字化智能推理、设计。6)导管机床代码为依据，配合数控弯曲设备、激光矢量测量设备，实现简单导管数控弯曲、激光测量与检验7)以导管拼装夹具三维数模为依据，配合拼装夹具标准单元清单，进行导管拼装夹具的实物拼装与精度检验；并在拼装夹具上进行复杂焊接导管的生产与检验。8)开发飞机导管数字化制造
10、集成系统，统一管理导管数字化制造过程中各种接口、数据库，用导管三维数模代替传统的导管实样，以三维数模为依据，实现飞机导管数字化快速制造，满足新机快速研制生产需求。2.研制任务完成情况研制任务完成情况2.1 总体技术方案总体技术方案在数字化制造技术日新月异的今天，要以三维数模为依据实现飞机导管数字化制造，首先需要解决导管制造依据的问题。只有用三维导管数模代替传统的导管实样能逐步淘汰取样环节，缩短飞机研制周期，实现导管数字化制造。需要以 CATIA/UG 三维建模技术、数据库技术为基础，研究导管 CATIA/UG 三维数模转换接口、工艺分析、拼装夹具设计技术，实现飞机导管设计、工艺分析、数控弯曲、
11、激光测量全过程的数字化信息传递，以导管三维数模为依据，实现飞机导管数字化制造，满足现代飞机快速研制需求。2.2 飞机导管数字化制造集成系统开发飞机导管数字化制造集成系统开发飞机导管数字化制造集成系统软件主要由导管数字化制造子系统、拼装夹具数字化设计子系统、系统管理子系统组成，并实现系统无缝集成。图是飞机导管数字化制造集成系统的结构框图。图 2 是飞机导管数字化制造集成系统的信息流程图。图 1 飞机导管数字化制造集成系统结构框图图 2 飞机导管数字化制造集成系统信息流程图2.2.1 导管数字化制造子系统导管数字化制造子系统导管数字化制造子系统主要是导管三维数模与工艺数据的管理系统。系统要求运行环
12、境为：windows2000/XP 以上 oracle8 .1.7 以上企业版等。导管数字化制造子系统实现飞机导管三维数模、工艺数据的计算机管理。导管数字化制造子系统主要完成导管与接头三维建模管理、模具与机床三维建模管理、导管数模转换与重构、复杂导管三维数模自动装配、导管数字化智能工艺审查、导管三维弯曲仿真、导管三维数模鉴定、导管生产数据下载、导管三维数据数字化对比检验工艺知识库管理等功能。图 3 是导管数字化制造子系统的总体界面。图 3 导管数字化制造子系统总体界面1)标准件、管接头三维参数化建模与管理系统对在生产中涉及到的标准件、管接头进行统计分析，研究管接头、法兰盘的特点，收集、整理不同
13、机型、产品导管的定位、安装要求，确定建模方式、建模基准、建模要求，开发 CATIA/UG 建模子系统，采用参数化驱动，详细参数用 EXCEL 文件描述，实现不同规格管接头、法兰盘零件的自动建模。同时，为了实现导管的自动装配功能，需要在标准件、管接头等数模上增加必要的参考坐标系。图 4 是标准件、管接头三维参数化建模过程；图 5 是标准件、管接头三维数模的管理界面件。图 4 标准件三维参数化建模图 5 标准件三维数模的管理界面2)模具与机床三维建模与管理系统考虑到导管数控弯曲的模具基本一样，导管数控弯曲模具的结构形式是一样的，仅针对导管直径的不同，选择不同的数控弯曲设各，配套相应的模具。利用 C
14、ATIA/UG 的参数化驱动方式进行导管数控弯曲模、压力模、夹模、防皱模、芯轴、芯球的三维建模与装配，详细参数用 EXCEL 文件描述。图 6 是数控弯曲模三维参数化建模过程；图 7 是数控弯曲模三维数模的管理界面；图 8 是数控芯轴、芯球的三维参数化建模过程；图 9 是机床三维数模的管理界面图 7 弯曲模三维参数化建模图 8 数控弯曲模三维数模的管理界面图 9 数控芯轴芯球三维参数化建模图 10 是机床三维数模的管理界面3)导管三维建模在 CATIA/UG 环境中，导管的建模方式很多，首先用 CATIA/UG 中的模块进行导管设计是一个比较理想的选择，该模块方便用户定义导管外径、导管轴线弯曲
15、半径和空间坐标，操作直观简单，需要用户将导管释放成实体数模，见图11；另外，CATIA/UG 中相应的模块也能定义导管轴线弯曲半径和空间坐标要分别用“Point” 、 “Polyline” 、 “Circle”按钮定义空间点坐标、弯曲半径、导管外径，直接生成实体数模，操作相对复杂。图 11CATIA/UG 弯管设计建模4)导管三维数模转换与重构系统用弯管和曲面设计模块建立的数模采用 XYZ 空间绝对坐标，格式简单、有规律：而数控弯管机的 FIF 文件采用 LA(直线段、旋转角、曲角)相对坐标，直观易懂，符合工厂情况，可开发导管数模与数控弯管机之间的数据转换接口，将转换后的 FIF 文件数据作为
16、导管数控弯曲与检验的依据。考虑到与传统导管数据的兼容性，增加人工输入导管空间坐标数据的功能。图 11 是导管三维数模转换与重构内部流程；图 12 是导管三维数模转换与重构的界面。图 11 导管三维数模转换与重构流程图 12 导管三维数模转换与重构界面用 CATIA/UG 数模采用的 XYZ 空间绝对坐标与数控弯管机 FIF 文件采用LA(直线段、旋转角、弯曲角)相对坐标不同，需要在导管三维数模转换与重构进行指标转换。为了实现导管的自动装配，导管数模重构时在导管的两个端头增加参考坐标系统a)本算法本模块主要涉及坐标变换算法，用到的坐标变换有：平移变换、绕 X 轴旋转变换、绕 Y 轴旋转变换、绕 Z 轴旋转变换。变换公式如下： 平移变换 绕 x 轴旋转 绕 Y 轴旋转 绕 Z 轴旋转 余弦定理b)序逻辑为实现这一转化首先建立一个中间坐标系：坐标原点为加工时未加工直线部分与弯曲模的切点，导管从机床伸出的方向为 X 轴正方向，XOY 平面为 X 轴所在的水平平面，Y 轴正方向为导管弯曲时偏转一侧，坐标系按右手规则构建。 机床 LA
