面向制造的飞机钣金零件数据集研究开发

        钣金零件作为飞机产品的关键组成部分，其出产效 率对后期部件、整 机 的 装 配 周 期 有 着 至 关 重 要 的 影 响 。 数字化设计制造正成为飞机研制生产的主要方式，飞机 钣金零件的设计已完全采用三维实体建模和数字样件的方式进行[1]。然 而 ，以此创建的三维模型却无法直接应 用到制造阶段。一 方 面 ，制造企业习惯采用三维建模二 维 发 图 的 流 程 进 行 设 计 生 产 ，3D 模 型 用 于 表 达 几 何 特 征 ，2D 图样通过多个视图、尺寸和公差及注释成为加工 制造过程的主控单元[2]。2D 图 样 作 为 依 据 ，3D 模型作 为参考，在版本更新时，文件的关联性及有效性的管理十分繁杂。另一方面，钣金制造过程存在多个阶段，需要建 立从毛坯到成品多个中间件模型以满足工艺设计、工装 设计及数控编程系统的需求[3]，底层原始的设计数据无法直接应用到现有的制造问题求解系统中。传统钣金制 造模式以模线、样板等模拟量为媒介进行数据传递[4-5]，成形加工依赖经验，加 工返修率高。数字化技术的应用 可以改变钣金的制造生产方式，模拟量传递逐渐被数字量传递取代，如何保障数字量的有效传递更新并确保其 准确性成为关键问题。

         为实现飞机钣金零件的数字化制造，本文将各数字量信息归结为制造数据集，分析数据集的组成及数据结构。 将已有的工艺和工装设计经验归结为知识信息并在系统中进行重用，对钣金零件的设计信息进行综合补充，创建适合制造过程各阶段的数据集，使数字量传递更新智能 化 。结合制造数据集结构，按照几何特征信息和非几何信 息进行区分，在 CATIA环境下开发完成制造数据集系统， 实现了制造中间件快速建模、基本工艺信息快速添加，保 证了制造数据集的完整性和规范性。

1 制造数据集定义与组成

1.1 飯金制造模型与制造知识

        依据数据的复杂程度可以将钣金制造数据分为2 类:

         第 1 类是可直接呈现的数据，即零件结构特征及描述特征的各类属性信息，包括零件制造模型、设计制造单位、 工艺及材料等信息。制造模型反应各制造工序过程中需 要加工的外形特征，如 工 艺 余 量 、耳 片 、工艺孔等结构元素。

         制造的成本控制及不确定度要求模型中包含尺寸及 公差信息，为 使 3D 模 型 成 为 制 造 的 唯 一 依 据 ，实 现 3D 标 注 ，可 米 用 基 于 模 型 的 定 义 （ model hased definition, MBD)。模型在描述几何形状特征的同时，将 尺 寸 公 差 、 注 释 、制造及管理信息包含在内，如 图 2 所 示 ，采用结构树来分层分类组织管理制数据信息，实现数据的集成统一。

         第 2 类是不能直接呈现的数据，即钣金零件制造的经验知识。由于钣金零件可选用材料多、结 构 类 型 多 、成形方法及步骤多，加工质量易受各种要素影响，必须依靠工艺设计人员经验知识来解决问题。钣金零件的典型加工过程包括下料、成 形 、改 性 、检验等多类工序，为实现数字 化制造，描述产品的数据集必须满足制造全过程的不同需 求 。制造数据集沿工艺路线组织零件各工序状态下的数 据信息，需要分别定义下料、排 样 、成形的工序模型及回弹 修正的工艺模型。通过研究基于知识的制造模型状态划分及参数化设计、工艺性分析优化方法，开发各类零件制造模型生成工具，制造知识最终转化为制造模型的一部分 。

         1 .2 几何信息与非几何信息

         依据数据的存在形式可以将钣金制造数据分为几何 信息与非几何信息。

        （1) 几何信息即结构要素，是结构模型、参数及约束的 结合。飞机钣金零件外形从平面、旋转曲面到自由曲面变 化各异，但均可逐步抽象为典型的结构特征，如整体壁板 的典型结构特征有基体、口框、孔 、长桁 等，框肋类零件则 由腹板、长 桁 、弯 边 、孔等构成，如 图 3 所 示 。几何信息从底层数据开始可分为几何要素层、结构 特 征层 、状态模型 层 ，几何要素层是控制结构特征外形和精度的基础，结构 要素层是各状态模型工艺特征的基础，将知识引入到系统中，实现变量参数化及变量关系智能约束，将各结构要素 独立录入，应用时尺寸驱动几何要素，使其依照工艺要求 添加到几何主体上。

       （2 ) 非几何信息指几何特征无法直接反应的数据信息 ，辅助表达传递制造所必须的信息。在产品模型 中，可 以以各类文本、表 格 、属性树表示，主要包含零件描述、材 料 、版 次 、工艺描述等信息。非几何信息与几何特征信息 既相互关联又相对独立，一起构成完整的制造数据。

        2 制造数据集管理

         制造数据集管理的重点是实现数据源的统一及制造 信息对快速重构，可以将数据集按照状态、特 征 、几何要素 和基础数据4 个层次进行构建。1)状态层，钣金制造通常由多个工序组成，也就决定了制造数据存在多个状态，不 同状态具有对应的结构特征;2)特 征 层 ，特征指零件的几何性质及对几何性质的必要属性描述，特征不能独立存 在 ，必须依附于主体模型；3)几 何要 素 层，几何特征由几何要素组成，要素可以用具体参数驱动，并由对应函数或 宏存放在系统中。4)基础数据层，该层实际就是数据（数字 、字 母 、符合等）的集合，数据层将驱动几何要素的数据 和描述特征或状态层的数据分开存储管理。系统各用户 可以通过数据管理系统访问管理第2 层 （特征层）及基础数据层的描述性信息，将制造知识具体化的同时，实现数 据的共享及不断扩充。

        3 系统实现

        依据数据集结构框架，开发完成钣金制造数据集系 统 。开 发 环 境 采 用CATIA制 图软 件，CATIA有优良的特 征造型、参数化设计及知识工程等技术基础，另 外 CATIA 提供的二次开发工具CAA可以方便地访问底层数据，便 于开发客户化定制的数据集系统。系统将基础模块、知识 重用工具和数据库集成并统一管理。开发的功能主要分 为几何特征导入模块及非几何信息添加模块。

        几何特征导入模块用于在钣金设计模型中快速添加 工艺需求的结构特征，将其转变为满足制造要求的三维模
型。结构特征以参数化数据存储在系统中，主要包括:工 艺基准、连接定位用点线面、耳 片 、工艺孔、外形交叉线、斜 角值测量标注等，部分具体功能窗口如图4 所示。

        非几何信息添加模块集成属性、材 料 、工艺参数及其 他描述性信息。该模块分为数据查询、新 建 、修 改 、删除几 个子模块，源数据 以XML形式存储在共享区管理。非几 何数据存储在模型结构树中，与几何模型相关联，如 图5所示。

        系统的主体应用流程为：

        1 ) 读入设计数据；

        2 ) 制定制造方案，划分制造状态，确定各状态数据需求 ；

        3 ) 在相应状态下导入需求的结构特征。如成形状态下 ，依据方案工艺要求，在设计模型的基础上添加工艺基 准 、连接线、耳 片 、工艺孔等结构特征；

       4 ) 无法在三维模型上反应的数据采用非几何信息添加模块添加；

       5 ) 制造数据集发放。

        4   结  语