模型设计论文：飞机设计建模原理透析范文

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作者：靳江艳黄翔卢鹄李泷杲单位：南京航空航天大学机电学院上海飞机制造有限公司

飞机装配工装设计描述

飞机产品与一般机械产品不同，其装配过程不能单独依靠零件自身形状和尺寸加工的准确性来装配出合格的产品，必须采用装配工艺装备（简称装配工装）来保证产品的装配质量。飞机装配工装是飞机产品在完成从零组件到部件的装配及总装配过程中，用以控制其形状几何参数，且具有定位功能的专用工艺装备，一般包括骨架、定位和夹紧装置、辅助设备等组成结构。

飞机研制过程是一个反复迭代、逐步逼近的过程，现代飞机研制正在由过去的串行开发模式向数字化产品、工艺和工装协同设计的方向发展。在飞机制造企业，工艺设计部门根据下发的产品设计数模，进行装配工艺方案设计，并提出工装设计申请。工装设计部门依据数字化产品定义和装配工艺要求完成设计，可根据产品设计成熟度状态及时调整和修改装配工艺方案和工装设计方案，并及时反馈工装设计对工艺规划和产品设计的需求。因此，飞机装配工装设计问题可描述为产品设计、工艺规划与工装设计融合与迭代的过程，如图1所示。

信息视域表示

飞机装配工艺设计需对装配工艺装备的功用、结构和性能提出设计技术要求，需明确给出需要定位和夹紧的部位及相关特征。在数字化环境下，这些部位和特征即为工装设计的原始几何依据，工装设计通过提取这些部位和特征来完成。因此，定义产品设计、工艺规划和工装设计三个阶段的信息构成，包括几何信息和语义信息，为建立三者之间的映射关系奠定基础。

1设计信息域

飞机设计所发放的飞机设计模型是面向功能描述的，表达了按设计分离面划分的结构和零部件之间的组成关系，是进行后续工艺设计和产品生产的依据。

设计信息域是基于产品设计结构表示的各种关键设计数据的数字化定义和表示，是设计者设计意图的体现。设计信息域包括产品设计结构描述、设计基准和除设计基准外的设计特征（几何形状及相关属性描述），用表示；产品设计结构模型即产品结构树，用表示；设计基准是对部件设计中的部件轴线、设计基准面、结构轴线等信息的数字化定义和表示，用表示；设计特征是待装配零部件的数模构成特征的定义和表示，用DdSdDdF表示。D可表示为

2工艺信息域

工艺信息域是基于装配工艺结构表示，反映装配工艺意图的结构形状的工艺信息集合。飞机部件装配工艺设计包含众多研究内容，本文的工艺信息域仅包含与工装申请和工装设计相关的工艺信息描述。工艺信息域包括装配工艺结构表示、装配工艺基准及关键部位或特征，用表示；装配工艺结构即装配工艺树，是对装配单元划分和装配顺序的数字化表示，用PpS表示；装配工艺基准是对零部件的定位基准、装配基准、测量基准和混合基准及其定位方式的描述，用pD表示；关键部位或特征是对关键型面、结构交点等能够对装配准确度产生影响的互换协调部位或特征的定义和表示，用pF表示。数学表达式为

3工装信息域

工装信息域是面向装配任务的，由用于支持工装概念设计的一组结构形状及其相关工艺描述构成的工艺信息集合。工装信息域起两个作用：辅助工艺设计人员制定工装申请单和为工装概念设计提供设计参考。工装信息域包括工装设计基准、定位及夹紧信息和辅助装置信息，用T表示。工装设计基准包括安装基准和构件制造基准，尽量与产品设计基准保持一致，用表示定位及夹紧信息是对产品上需要工装定位的关键部位或特征的数字化定义和描述，包括该类结构的几何信息、位置信息和精度信息等，用tL表示，是工装定位件、夹紧件和骨架的设计参考；辅助装置信息是对产品上需要使用辅助装置支承或调整的部位或特征的数字化描述，用ttD。A表示。工装信息域的数学描述为

基于多色集合的映射模型

1多色集合理论

俄罗斯Pavlov教授于1995年提出多色集合的概念，并于2002年提出多色集合的体系结构。多色集合理论的核心思想是使用相同的数学模型来仿真不同的对象，例如设计过程、工艺规划和生产系统等，描绘元素间的层次结构和复杂关系。多色集合理论在问题的形式化研究方面前进了一步，主要应用于产品概念设计建模、公差信息模型构建、零件加工工艺建模、装配工艺建模和过程建模等研究领域。

传统集合是元素的全体，集合中的元素仅名字不同，元素的其他性质都没有表示出来。在多色集合中，集合整体本身和它的组成元素都能够同时被涂上一些不同的颜色，用来表示研究对象和它的元素性质。对应于多色集合整体性质的着色称为统一颜色，对应于元素性质的着色称为个人颜色。元素个人颜色的存在是多色集合统一颜色存在的首要原因，二者之间的关系可表示为其中，若个人颜色if影响到统一颜色jF的存在，则1ijc=，否则=0。ijc

2映射过程描述

设计域向工装域的映射包含两个过程：产品设计结构向装配工艺结构的转换和设计特征向工装信息的映射。本文着重论述后者。工装信息主要是明确产品在工装上需要控制的部位、特征或方向，通过提取这些信息的几何特征及其工艺属性描述完成工装设计。当产品信息更改时，相应的工艺属性和工装信息也要发生变化。映射过程分为两个阶段。在第一阶段，首先由待装配零件的典型设计结构推理出该结构所包含的工艺特征信息，根据特征几何属性推理出每个特征所对应的特征元及其约束信息；第二阶段，提炼工装申请语义信息，结合第一阶段的推理结果，得到工装信息，建立产品设计信息、装配工艺信息与工装信息三者之间的派生关系。两个阶段的映射模型如图2和图3所示。给映射模型的每层节点和边着色，采用多色集合层次结构模型来表示上述映射模型。关于多色集合层次模型的相关介绍请参阅文献。第一阶段的映射过程如下：(1)从待装配零件抽取典型设计结构，得到第一层的统一颜色值，具有该类型的部位或特征对应的颜色值为1，否则为0。(2)根据工艺基准和需要控制的关键部位或特征定义第二层颜色。作为工艺基准的部位和关键部位及特征对应的颜色值为1，否则为0。(3)将工艺特征所包含的特征元作为第三层颜色。在第二阶段，给出工装申请语义信息，建立特征元信息与工装信息之间的映射关系，得到工装信息。

3映射关系建立

通过分析与飞机设计、工艺规划和工装设计相关的领域知识，并与工艺设计专家进行深入交流，建立各层之间的颜色及映射关系。

(1)第一阶段

第一层：通过对文献给出的一般装配工艺基准选择依据进行分析，可以看出装配工艺基准通常为零件外形、孔、叉耳等。因此，按上述结构形状对零件结构进行归类，为工艺特征的确定奠定基础。建立典型设计结构与工艺特征以及工艺特征与特征元之间的映射关系矩阵如表1和表2所示。利用表1与表2所表示的映射关系，得到零件典型结构所对应的工艺特征和特征元信息。特征元的信息附带了相关约束信息：①线：平行于X轴的直线、平行于Y轴的直线、平行于Z轴的直线或其他直线；②平面：垂直于X轴的平面、垂直于Y轴的平面、垂直于Z轴的平面或其他平面；③自由曲面。

(2)第二阶段

工装申请语义由工艺专家给出，需指出待定位零件部位及需要约束的方向，根据此类语义信息，遍历第一阶段形成的设计-工艺-特征元之间的映射关系，从中抽取与工装设计相关的知识形成工装信息。

实例应用

某公司飞机舱门骨架装配模型如图5所示。

基于上述建模方法和流程，以CATIA系统为平台，采用CAA工具开发相关信息映射工具。应用该工具为公司构建了某机型舱门骨架从产品设计到工装信息的映射机制，完成了骨架设计信息向其工装信息的映射，建立了骨架设计信息、工艺信息及其工装信息之间的语义关系和几何关系。并运用该工具生成工装申请单，构建工装概念信息模型。应用过程如图5所示。骨架装配工装设计基准采用与骨架相同的设计基准。以骨架上口框为例说明设计信息域向工装信息域的映射过程。

(1)给出工装申请语义，骨架上口框需要控制其外形和Z方向。

(2)上口框的典型结构包括：外形面、孔。上口框外形与蒙皮贴合，是需要控制的关键部位。根据表1和表2的映射关系，控制外形的定位方式可以选择外形面（平面或曲面）、工艺孔或工艺接头定位。因要严格控制上口框外形准确度，故选择整个外形面作为控制对象，并设置压紧装置。

(3)搜索特征元信息，找到Z轴垂直的面作为Z方向的定位特征；若没有，则需通过其他形状特征定位该方向。

(4)提取相关零件设计特征及其属性信息（精度要求、功能要求等），建立与工装信息之间的关系。

(5)按照上述过程完成其他待装配零件与其工装元件之间的语义和几何关系的建立。

结论

(1)针对飞机制造企业需求，建立针对飞机产品设计、工艺规划和装配工装概念的信息域，并对各域之间的映射机理进行研究，从而建立了设计-工艺-工装之间的有机联系。

(2)引入多色集合理论，构建分层映射模型，并给出相关建模原理和建模过程。该模型能够准确、完整地描述各视域结构信息之间的映射关系，具有表达直观、实用性强、便于计算机实现等优点，为飞机产品协同设计提供了一条新思路，能够显著提高飞机研制各环节之间的响应速度，从而提高设计效率。

(3)后续工作可对工艺域所表达的知识进行拓展，研究工艺域与其他特征域（如容差分析域、数字化测量域等）之间的映射模型构建机理。