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1、第1章 绪论第1章 绪论1.1研究背景与意义1.1.1研究背景近年来,特别是进入20世纪90年代以来，数字化技术在全世界制造企业，尤其是在大型飞机制造企业中的地位越来越得到重视，已经成为一个企业能否战胜同等地位企业的重要标志。数字化研制是一场由里到外、由旧到新的全新生产方式的变革，它推动着管理体制、组织体系、标准规范、设计方法、生产运作、思维方式及工作方式的根本改变1。但是在我国飞机制造企业中采用串行的设计制造流程，国外先进的数字化协同研制优势在我国难以有效发挥2。随着航空工业的发展，航空结构件日趋大型化、复杂化，如图1.1所示。飞机结构件是飞机的主体框架，是其它零部件及设备的载体，是飞机设计
2、过程中的主要部分。飞机结构件设计的质量和效率直接影响到飞机设计乃至制造过程。飞机结构类零件数量巨大、形状复杂，从飞机诞生以来的很长的一段时间，它们的设计制造方式都使用纯人工的方式，这种方式不仅需要大量的人力物力，而且设计效率低下，工作量大，返工率高，对飞机的生成效率产生了重大的阻碍，成为飞机设计制造的颈瓶。如何快速、高效地完成结构件的数字化定义和数控加工，成为飞机数字化产品定义和制造所要解决的主要问题3。图1.1 飞机整体结构示意图另外，在飞机设计制造过程中，管理也是非常重要的环节，在管理中出现的如串行生产组织方式、信息化孤岛等问题也将影响飞机的制造过程，这些问题如得不到及时解决也将阻碍企业的
3、发展。飞机产品结构与其它产品相比要复杂得多，不仅设计复杂，加工工艺也非常复杂，这些环节的质量将直接影响到飞机的性能。飞机作为一种机械产品，与一般的机械产品有很大差别，飞机结构件结构复杂，加工特征多，包含大量自由曲面、相交特征和特殊加工区域，加工难度大。为保证产品制造精度和互换性，长期以来，飞机生产在传统上采用以模拟量传递尺寸为主要特征的制造技术体系.这种体系存在许多弊端，影响飞机生产的进一步发展和提高4。基于MBD的设计制造技术以飞机结构件MBD模型为唯一依据，实现产品设计人员和工艺人员间快速有效地协同设计。MBD技术是CAD技术发展的新趋势，它改变了传统的研发模式，建立MBD模型不仅仅是设计
4、者的任务，工艺、工装、检验都要参数到设计的过程中，高效地应用了数字化技术带来的便利。MBD技术的实施及推广，在高效管理体系及设备等支持下，对于整个设计制造行业来说，有利于提高工程质量、缩短零件设计准备时间、易于协调、减少成本等5。因此，为了适应飞机多型号快速性，可靠性的设计的要求，提高飞机设计能力、水平、效率、缩短型号研制周期，结合我国现有飞机设计的实际情况，提出基于MBD的全三维参数化建模技术，在数字化技术及设计技术基础上，针对飞机典型结构件设计，其研究成果同样适应于其他产品零件。研究基于MBD的设计制造技术对提高飞机结构件设计质量、数控加工效率、缩短飞机研制周期具有重大意义。1.1.2研究
5、意义与一般的机械零件相比，飞机零部件具有零件种类多，零件结构复杂，精度要求高等特点，三维参数化复杂程度高，但是由于没有图纸定义产品尺寸，实体建模精度的检验显得尤为重要。所以当前飞机结构件三维模型的建立一直是急需解决的难点，这直接影响到产品的设计与制造，并导致生产周期过长。为此，需要一种方法既能达到用企业和设计者的愿望，又能满足用户的要求，所以提出了基于MBD的参数化建模系统的方法。本课题就是题借助三维设计软件CATIA与其最先进的二次开发工具CAA，采用了先进的设计思想和设计方法以及先进的数据管理理念，建立起三维参数化建模平台体系结构。从而达到了快速研制和快速批量生产的目的。总体来讲，具有以下
6、意义：（1）避免重复设计同一类型的飞机零部件，减少设计时间；（2）建立模板库，实现企业内部设计人员对资源的有效共享；（3）大大减少了设计数据的输入和存储数据的冗余；（4）数据集中统一管理，可正确、一致并可靠的提供各应用程序所需的数据，避免了由于设计数据输入有错而造成的返工现象；（5）设计数据由零件模板数据库系统统一管理，可以保持数据的完整性，同时加强了数据的安全性；（6）提高企业的设计生产能力，缩短产品研发周期，提高我国航空制造业的水平，增强国防建设能力。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状数字化定义技术的应用正迅速改变着传统制造业的工作模式，它经历了从二维到三维模型发展历程。数字化定义
7、技术的发展从手工绘图到二维CAD的应用，到二维加三维设计模式，再到三维建模技术，实现了从平面投影技术到全三维实体模型数字样机以及完整数字化产品定义的转变。1997年1月ASME发起了关于三维模型标注标准的起草工作，直到2003年7月才被ASME批准为三维建模新标准。随后当时世界各大软件公司才陆续支持三维标注技术。波音公司在最新的波音787项目中首次应用了该项技术，并将它命名为MBD(Model Based Definition，基于模型的定义)技术6-7。20世纪90年代初，波音公司首先在波音777型飞机上开展了CATIA结构设计及数字化预装配，全面应用了三维设计技术,而后在737-NX项目中
8、先后实施了全新的数字化定义、并行协同和PLM应用等，建立和实施了飞机构型定义与控制/制造资源管理（DCAC/MRM）应用，此时MBD处于初级未成熟阶段，但飞机构型定义与控制/制造资源管理的成功，降低了成本的四分之一，缩短了一半的飞机研制周期。为了研制出具备更加舒适性、经济性、安全环保的787客机，在全球范围内获得技术、资本和市场，创造出更大价值，波音公司决定将787项目的数字化环境由机构型定义与控制/制造资源管理改为全球协同环境（GCE）平台。GCE平台在DCAC/MRM基础上，除了继承了其模块化思想，最大进步就是全方位应用三维参数化技术，建立了基于网络关联的单一数据源的核心流程和系统框架，实
9、现了飞机研制的PLM7。波音777型飞机虽然采用了三维技术，MBD还处于未成熟时期，全面使用MBD技术，还要从波音787研制开始，将三维产品制造信息(Product Manufacturing Information，PMI)与设计信息共同零件的三维模型中，摒弃二维图样，使工艺人员从百年来的二维文化中脱离出来，不仅实现了设计制造一体化，而且能够缩短波音787的研制时间，保证制造的质量。波音787的协同研制工作顺利进行，为波音取得了巨大的经济效益和社会效益，而且带动了其它飞机设计制造公司也开始研究MBD的实施与应用。1.2.2国内研究现状21世纪初，计算机技术在我国飞机研制中得到规模化应用，并取
10、得了显著的效益。最近几年来，随着国家信息化带动工业化战略决策的制定及其中航工业数字化技术应用顶层规划的制定，飞机研制数字化的应用有了长足的发展，在某些方面已经接近或者赶上国际先进水平，如在数字化样机设计方面，实现了100%的三维建模，在多个飞机型号的研制中。已经完全使用数字样机取代物理样机。但是与波音相比，我国三维设计的规模化应用与波音777研制三维设计技术应用相差10年。20世纪末期我国进行了新飞豹研制，新飞豹全机电子样机是国内第一架全机电子样机，也是首次用电子样机替代物理样机进行协调设计，用数字量代替模拟量进行设计信息的传递。目前国内研究MBD技术的学者不是很多，基本是借鉴波音公司的先进技
11、术，并针对我国航空企业的特点和现状，研究先进的飞机设计过程。与国外先进的飞机设计制造理念相比，我国飞机研制差距主要有以下个方面：(1)三维模型没有从设计到制造全过程的应用；(2)MBD的定义还没有完全理解； (3)MBD制造模式的应用并没有处于好的时机；(4)MBD的技术规范还处于研究阶段；(5)设计制造一体化应用体系尚未贯通。因此，为了缩短飞机研制周期，提高飞机研制质量，有必要以三维数模为载体，借鉴国外发达航空制造企业MBD技术的成功应用经验，结合飞机数字化制造流程，开展适合于我国国情的飞机三维数字化设计制造技术应用研究8。1.3课题来源与主要研究内容1.3.1课题来源本课题来源于我校承接某
12、课题的一个子课题。对于许多飞机零件在结构上具有相似性，当在飞机建模时将进行大量重复工作，降低了工作效率，基于此原因，该课题旨在通过对飞机典型结构件进行归纳总结进而建立模板库等方面的研究，利用 CATIA/CAA 的应用开发功能，开发适用于飞机典型结构件参数化模板系统，能够更好地在减少重复工作提高工作效率。1.3.2主要研究内容飞机的结构设计是飞机设计制造中重要的步骤，其中对飞机零部件的设计很大一部分来自于变型设计，这将包含着大多的设计过程都是对以前知识的重用，因此，如何将设计人员的工作经验，常用数据，现有的标准、手册以及各种规范等各种知识加以总结和归纳后，建立参数化模板模型，并实现模板的快速检
13、索与调用是本文的主要研究内容。 为了达到以上目的，本文将此问题简化三个问题：一是如何进行模板的参数化设计；二是如何提取模板的MBD信息并进行有效的管理；三是如何实现模板的快速检索、调用。针对这三个问题，本文研究的主要内容如下：1. 研究基于MBD典型零部件的数字化定义及建模技术MBD是一种用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法，它详细规定了三维模型中产品尺寸、公差的标注规则的表达方式，通过该技术，可实现三维数据当作传递设计信息的唯一载体，该部分的研究有以下几个方面的内容：（1）在获取飞机结构件设计信息的基础上，研究飞结构件模型几何信息和飞几何信息的表达方式及该信息的组织管理技术。（2
14、）研究基于MBD飞机零部件模型设计规范，在此规范指导下，利用建模工具，建立规范化建模环境。2. 研究基于MBD的模板的设计技术研究模板的参数化建模，MBD是一种进行三维建模的设计规范，在MBD的指导下，利用CATIA软件实现飞机典型结构件模板的参数化设计。3. 研究模板信息的提取与管理研究MBD模板的几何信息与非几何信息的提取技术，并且根据实际要求，将模板信息重新归纳分类，保存到数据库中。4. 研究模板的检索、管理与实现为了实现对模板信息的有效管理，研究模板信息的存储、修改和检索等功能。5. 开发一个参数化模板库系统，实现对模板的管理开发参数化模板库系统，实现模板的建立、模板的检索、模板的调用
15、等功能的有效管理。67第2章 基于MBD的CATIA二次开发第2章 基于MBD的CATIA二次开发随着数字化设计与制造技术的飞速发展，特别是三维软件的日益普及，零件三维实体建模已经成为产品研制的重要选择。三维实体模型能够精确地描述零件最终的形状，但由于没有考虑零件制造工艺的过程，从而阻碍了设计信息向制造过程的延伸，不符合设计制造一体化，所以MBD技术应运而生。MBD技术是CAD技术发展的新趋势，它要求使用三维实体模型作为生产制造过程中的唯一依据，采用MBD模型后，三维模型将贯穿于设计、工装、工艺、制造和装配等生产的各个环节。本章研究了基于MBD的CATIA二次开发方式，分析了MBD模型定义要求
16、，论述了MBD模型几何信息和非几何信息的表达方式以及信息组织管理方法，同时简要介绍了CATIA的特点，分析比较了CATIA二次开发的几种方法，重点论述了CAA的架构及原理。2.1 基于模型的定义技术2.1.1 MBD的技术概念基于三维模型定义，即MBD（Model Based Definition，MBD）技术是一种数字化产品定义技术，它是以全三维数字化模型为基础，用这种集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息，从而消除或者减少2D图纸的使用，将设计信息和制造信息共同定义到产品模型中，实现面向制造的设计。它既能保证数据的唯一性，又能使三维实体模型作为生产制造过程中唯一依据9-10。如图2.1所示，MBD模型不仅描述了设计的几何信息，还定义了三维尺寸标注、制造信息、工艺信息、管理信息等非
