第一章-航空数字化制造技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,飞机制造工程技术基础,主讲人：韩志仁,第一章 航空数字化制造技术,第一章 航空数字化制造技术,第一章 航空数字化制造技术,第1节 基本概念和内涵,第2节 数字化制造工艺,第3节 数字化制造工装,第4节 数字化设备,第一章 航空数字化制造技术 第1节 基本概念和内涵,在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现实、计算机网络、快速原型、数据库和多媒体等支撑技术的支持下，根据用户的需求，迅速收集资源信息，对产品信息、工艺信息和资源信息进行分析、规划和重组，实现对产品设计和功能的仿真以及原型制造，进而快速生产出达到用户要求性能的产品整个制造全过程。,在数字化技术和制造技术融合的背景下，并在虚拟现,第一章-航空数字化制造技术课件,著名的联合攻击战斗机,JSF,项目通过建立基于协同平台的全球化虚拟企业，覆盖飞机全生命周期全面采用数字化技术，成效如下：,飞机设计时间减少,50%,，,工装减少,90%,，,总装工装减少,95%,，,零部件数量减少,50%,，,制造周期缩短,67%,，,制造成本降低,50%,，,使用维护成本降低,50%,。,著名的联合攻击战斗机JSF项目通过建立基于协同平台的全球化虚,第,1,节 基本概念和内涵,第1节 基本概念和内涵,第,1,节 基本概念和内涵,MBD,（,Model Based Definition,），即基于模型的工程定义，是一个用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息的方法体，它详细规定了三维实体模型中产品尺寸、公差的标注规则和工艺信息的表达方法,第1节 基本概念和内涵MBD（Model Based Def,MBD模型组织定义,MBD模型组织定义,MBD,模型结构树表达,MBD模型结构树表达,识别码,相关的零件,工程几何,全生命周期管理数据,全生命周期管理数据,材料和技术要求,公差和说明,注释,识别码相关的零件工程几何全生命周期管理数据全生命周期管理数据,密封定义,MBD,模型结构树表达,密封定义MBD模型结构树表达,基于,MBD,的飞机数字化制造应用体系,基于MBD的飞机数字化制造应用体系,基于MBD的数字化制造流程,基于MBD的数字化制造流程,BOM,（,Bill of Material,）也就是“物料清单”（或称为材料表或配方料表），是生产一个产品所需零件或部件的清单。,它包括的信息有：物料的结构层次、物料编号、物料名称、规格、计量单位、数量成品率、来源类型,(,自制,/,外购,/,外加工,),、提前期,(,累计提前期,),此外还标注有效期,(,生效期,/,失效期,),。,BOM（Bill of Material）也就是“物料,BOM的分类和定义,EBOM (Engineering BOM),：产品工程设计管理中使用的数据结构，它通常精确地描述了产品的设计指标和零件与零件之间的设计关系。,PBOM (Process planning BOM),是企业的工艺设计部门用来组织和管理生产某种产品及其相关零部件的工艺文件。,MBOM (Manufacturing BOM),是企业生产制造部门用来组织和管理在实际制造和生产管理过程中生产某种产品所需的零部件,BOM,。,BOM的分类和定义EBOM (Engineering BOM,不同部门BOM及相互关系,不同部门BOM及相互关系,AO (Assembly order,，装配大纲,):,工艺部门根据工程设计的要求、工厂现有的工艺水平和质量保证的要求，编写的指导生产的工艺文件,AO,由管理页、说明页、草图和零件配套单组成，包括装配名称编号、制造索引、工程更改申请单号、发放次号、架次控制、版次控制、客户控制、系列号、简要工作说明、操作内容要求、所需工装设备、产品图样、工艺标准、质量规范、检验要求、工时定额、零件名称和编号等,40,多项工艺信息、生产信息、质量信息、过程信息。,三维,AO,包括文字描述、三维附图、三维仿真动画、三维标注等。,AO (Assembly order，装配大纲):工艺部门根,FO,（,Fabrication Outline,，制造大纲）,:,由工艺人员编写的用于零件加工、饭金成形工艺文件,。,FO,由首页、草图和说明三部分组成，包括零件名称、件号、生产计划安排、零件材料牌号、规格、状态、加工顺序、草图、所需工装、设备、质控要求和换版记录等,40,多项要求。制造大纲按批次管理，每批零件有一份制造大纲，制造大纲由生产控制部门存档。,FO（Fabrication Outline，制造大纲）:由,CAPP,（,Computer Aided Process Planning,，计算机辅助工艺规划）：借助于计算机软硬件技术和支撑环境，利用计算机进行数值计算、逻辑判断和推理等的功能来制定零件机械加工工艺过程，是将产品设计信息转换为各种加工制造、管理信息的关键环节，是企业信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为企业的管理部门提供相关的数据，是企业信息交换的中间环节。,CAPP（Computer Aided Process Pl,PDM,（,Product Data Management,）是一种利用数据模型对企业的产品形成过程进行管理的方法。他以软件为基础，将所有与产品相关的信息和所有与产品有关的过程集成到一起,PDM（Product Data Management）是一,产品工程数据集,产品制造数据集,工装制造数据集,零件,零件工装,产品检验数据集,装配工装,产品,产品检验,工装检验,零件检验,数字化协调路线,产品工程数据集产品制造数据集工装制造数据集零件零件工装产品检,三、数字化制造的特点,比较项目,传统制造,数字化制造,制造依据,二维图纸、样板、标准样件,统一的数据模型,公差及技术要求,标注在二维图纸上,三维标注在统一的数据模型上，技术要求通过文本注释方式定义在统一的数字模型上,工艺表达,文字和二维图形表达描述工艺过程和技术要求,文字和三维动画、三维模型以及结构树信息描述工艺过程和技术要求,制造方式,数控加工和普通设备相结合，数控加工需要根据图纸建立零件数模,采用数控设备（数控机床、数控拉弯机、数控弯管机、数控拉形机、数控铺带机、数控钻铆机、数控柔性工装、数控激光切割机等）,制造周期,工艺准备时间、工装制造周期长、总的制造周期长,总的制造周期短,三、数字化制造的特点比较项目传统制造数字化制造制造依据二维图,三、数字化制造的特点,比较项目,传统制造,数字化制造,信息与管理,不容易实现知识的累积和重用、不容易实现信息化管理,容易实现知识的累积和重用、容易实现信息化管理,工装数量,工装数量多,柔性工装的使用是工装数量大大减少,制造精度,零件和装配制造精度低,零件和装配制造精度高,工作模式,串行工作模式，在设计阶段完成后开始解决工艺问题，解决不了的工艺问题再通过修改设计解决。,并行工作模式，在设计阶段设计和工艺问题同时解决。,检验,主要采用传统方式,采用数字化检验设备,检验依据,图纸、标准样件、样板等,统一的产品数字模型,三、数字化制造的特点比较项目传统制造数字化制造信息与管理不容,第,2,节 数字化制造工艺,第2节 数字化制造工艺,二维图纸,模线绘制,样板,表面样件,标准样件,表面样件,设计,型架设计,型架制造,产品设计,靠模制造,型架装配,反模提取,机械加工,成形模具,零件成形,装配,总装,一、传统飞机结构研制过程（模拟量传递）,二维图纸模线绘制样板表面样件标准样件表面样件型架设计型架制造,Create Tool Shape, 6 hrs,Create WJ Program, 20 hrs,Fab. Male,Tool, 174 hrs,Trouble Shoot & Rework, 27 hrs,Fab Trim Template & Store Tools, 18 hrs,Rough Trim & Measure, 3 hrs,Prep Matl, Form Part, 6 hrs,Fab. Contour Forms, 4 hrs,Fab Male Plaster, 76 hrs,Fab Female Plaster, 32 hrs,SURFCAM,334 Labor Hour / 41 Day Cycle,Create Tool Shape, 6 hrsCreate,三维综合数据模型,NC,编程,数控,加工,型架制造,零件成形,模具,NC,模具设计,型架设计,产品设计,结构装配,型架装配,总装,二、数字量传递飞机结构研制过程,三维综合数据模型NC编程数控加工型架制造零件成形模具NC模具,Process Set up, 6 hrs,Water Jet Operations,- Manuf. Holding Fixtures, 4 hrs,- Mount & Trim Part, 2 hrs,Measure, 2.5 hrs,Form Part, 4 hrs,Tool Shape Prediction, 9 hrs,Register, Test & Store Fixturs, 3.5 hrs,CATIA,CATIA,FESS,30 Labor Hour / 11 Day Cycle,Process Set up, 6 hrsWater Jet,三、钣金件数字化制造过程（以橡皮囊液压成形为例）,工艺审查,工艺分析,确定采用橡皮囊液压成形,零件数模,三、钣金件数字化制造过程（以橡皮囊液压成形为例）工艺审查工,三、钣金件数字化制造过程（以橡皮囊液压成形为例）,工艺数模生成,添加工艺孔、工艺耳片、工艺余量、回弹,工艺仿真分析,三、钣金件数字化制造过程（以橡皮囊液压成形为例）工艺数模生,有限元模拟与工艺参数优化,预测缺陷，改进工艺参数，实现模具优化设计,有限元模拟与工艺参数优化,三、钣金件数字化制造过程（以橡皮囊液压成形为例）,模具设计,模具制造,橡皮囊液压成形,成形件数控切边,毛坯展开,工艺仿真分析,三、钣金件数字化制造过程（以橡皮囊液压成形为例）模具设计,CAE,分析软件,材料数据库,成形工艺参数知识库,CAE,分析平台,分析过程：,1.,几何建模；,2.,单元定义；,3.,材料定义；,4.,接触定义；,5.,网格划分；,6.,载荷定义；,7.,计算；,8.,结果分析；,前处理,计算,后处理,CAE分析软件材料数据库成形工艺参数知识库CAE分析平台分析,毛坯展开：,常用展开方法：,用,CATIA,自带钣金模块展开功能展开。,然后根据经验添加工艺余量。,影响展开准确性的主要因素：中性层系数,毛坯展开：常用展开方法：影响展开准确性的主要因素：中性层系数,橡皮囊液压成形零件回弹修正：,制造方法,手工修形,手工修模,数模修形,零件数模,不处理,不处理,根据回弹对零件数模修形,模具制造,直接按零件数模制造模具,根据回弹量反复修模具,根据修形的数模制造模具,零件修形,在模具上人工修形,不需要修形,不需要修形,检验依据,模具,需要专业模胎或数字化检验,需要专业模胎或数字化检验,制造设备,数控机床或普通机床,普通机床,数控机床,质量,降低疲劳寿命,好,好,橡皮囊液压成形零件回弹修正：制造方法手工修形手工修模数模修形,弯边角度线定义方法：,开斜角,闭斜角,弯边角度线定义方法：开斜角闭斜角,弯边角度线：,弯边角度线：,钣金毛坯下料方法：,冲裁,剪切下料,数控下料,包括数控铣下料、数控激光切割、数控高压水切割、数控火焰切割等,对比：批量、精度、切口质量、热影响区,钣金毛坯下料方法： 冲裁 剪切下料 数,毛坯数控下料编程前处理：,数模中存在各种重线、大圆弧线条、长度小于,1,的碎线等，数模为,DXF,格式，可能造成激光切割的烧蚀、数控刀具磨损、重复切割、加工效率低等问题。,毛坯数控下料编程前处理：数模中存在各种重线、大圆弧线条、长度,工艺耳片,作用：,1,、钣金件在成形过程中定位；,2,、钣金件在切边过程中定位；,3,、钣金件在装配过程中定位；,工艺耳片作用：1、钣金件在成形过程中定位；,工艺耳片的表示方法：,1,、用点和轴线（法矢）表示；,2,、用点、轴线（法矢） 、孔轮廓和耳片轮廓表示；,3,、用实体和轴线表示；,工艺耳片的表示方法：1、用点和轴线（法矢）表示；2、用点、轴,成形模具设计,设计依据：制造数据集中的工艺数模（包括回弹或不包括回弹）,模具设计：三维实体模具设计,模具设计规范检测,模具设计规范要求；,尺寸协调性要求；,模具与设计依据的一致性,成形模具设计设计依据：制造数据集中的工艺数模（包括回弹或不包,四、实体件数控制造过程,1,、航空产品数控加工的特点,（,1,）产品类型复杂，具有小批量、多样化特点；,（,2,）结构趋于复杂化和整体化，工艺难度大，加工,过程复杂；,（,3,）薄壁化、大型化特点突出，变形控制极为关键；,（,4,）材料去除量大，切削加工效率问题突出；,（,5,）质量控制要求高；,（,6,）产品材料多样；,（,7,）大型结构件毛料价值高，质量风险大。,四、实体件数控制造过程1、航空产品数控加工的特点 （1）产品,工艺审查,工艺分析,数控机床选择,零件数模,NC,编程,数控仿真,数控加工,零件,零件数控加工过程：,便于装夹,便于数控加工,便于测量,工艺审查工艺分析数控机床选择零件数模NC编程数控仿真数控加工,四、飞机数字化装配,飞机数字化装配技术体系涉及,飞机设计,、,零部件制造,、,装配工艺规划,、,数字化柔性定位,、,精密制孔连接,、,自动控制,、,先进测量与检测,和,计算机软件等众多先进技术和装备,。,其体系结构，主要包括,飞机数字化装配关键技术,和,数字化装配工艺装备,两大部分。,飞机数字化装配关键技术主要包括：,飞机数字化装配基础技术,、,应用技术,和,标准规范,；,飞机数字化装配工艺装备主要包括：,组件数字化装配系统,、,部件数字化装配系统,和,飞机总装数字化装配生产线,。,四、飞机数字化装配飞机数字化装配技术体系涉及飞机设计、零部件,飞机数字化装配关键技术,主要包括,3,个组成部分：飞机数字化装配关键基础技术；飞机数字化装配关键应用技术；飞机数字化装配技术标准与规范。,飞机数字化装配关键技术主要包括3 个组成部分：飞机数字化装配,定义在数字化装配过程中需要的关键特性（如定位点、参考点、测量点等）,定义在数字化装配过程中需要的关键特性（如定位点、参考点、测,在主要结构件上建立装配自定位特征、安放光学测量设备的工艺接头,在主要结构件上建立装配自定位特征、安放光学测量设备的工艺接头,实现面向装配误差的结构设计补偿,钣金件翼肋,机加件翼肋,外形定位,骨架定位,实现面向装配误差的结构设计补偿钣金件翼肋机加件翼肋外形定位骨,实现面向数字化装配过程的飞机数字样机仿真,在设计阶段能及时地发现产品装配、系统/设备布置等方面存在的问题，尽可能地避免设计缺陷。,实现面向数字化装配过程的飞机数字样机仿真在设计阶段能及时地发,以装配仿真为手段，进行仿真式三维装配指令规划与优化；,Delmia,(1)装配干涉的仿真。,(2)装配顺序的仿真。,(3)人机工程的仿真。, 以装配仿真为手段，进行仿真式三维装配指令规划与优化；De,针对自动化装配工艺装备，实现基于离线仿真分析与实时测量相结合的装配数控代码生成；,机翼壁板自动钻铆,装配,系统,仿真, 针对自动化装配工艺装备，实现基于离线仿真分析与实时测量相,第,3,节 数字化制造工装,第3节 数字化制造工装,一、工装数字化设计制造的特点：,1,、设计数字化；,2,、工装设计标准化；,3,、工装设计,CAE,分析；,4,、工装设计智能化；,5,、工装设计快速化；,6,、工装柔性化 ；,7,、工装设计标准化检测自动化；,一、工装数字化设计制造的特点： 1、设计数字化； 2、工装设,二、数字化工装,数字化成形工装,由工程数据集经过工艺人员加工产生制造数据集，以制造数据集为依据，对钣金件成形工装进行三维实体设计。,数字化成形工装设计依据为三维数模，采用数控设备进行制造，采用数字化测量设备进行检验。,二、数字化工装数字化成形工装由工程数据集经过工艺人员加工产生,2.,数字化装配工装,采用数字化产品模型为依据，按工装数字化设计、制造规范，在工装设计、制造和装配过程中均采用数字化的设计、制造、测量手段完成的工装。,包括,普通数字化工装、柔性工装,和,部件对接工装,2.数字化装配工装采用数字化产品模型为依据，按工装数字化设计,某机垂尾的数字化总装型架,1,、工装上每个零件设立定位基准（设置工具球）；,2,、采用数字化加工手段完成零件加工；,3,、采用激光跟踪仪进行测量；,4,、依据飞机垂尾数模为依据，按工装零件定位基准对零件定位,某机垂尾的数字化总装型架1、工装上每个零件设立定位基准（设置,数字化装配工装中使用的主要测量工具,-,激光跟踪仪,数字化装配工装中使用的主要测量工具,激光发生器,*,*,接收点,基准点,处理单元,工装,装配部件,装配点,电缆,数字化装配工装与工具球配合使用,激光发生器*接收点基准点处理单元工装装配部件装配点电缆,工具球在工装中的作用,A,、,基准工具球,用于建立工装的坐标系,基准工具球的作用：测量时，可以利用基准工具球将测量坐标系与工装坐标系拟合在一起,工具球在工装中的作用A、基准工具球用于建立工装的坐标系,绝对坐标系,是在工装上建立一个与飞机坐标系相同的坐标系,优点：易协调,缺点：有时会出现大部分工装零件与绝对坐标产生较大,的夹角，使安装公差降低,绝对坐标系是在工装上建立一个与飞机坐标系相同的坐标系,相对坐标系,是在工装上建立工装坐局部标系,优点：工装中的大部分零件坐标与工装坐标一致，,减少误差环节，装配精度高 。,缺点：出现协调问题难以找出问题的所在及解决方法,坐标系选择原则：,装配中有协调要求时原则上选择绝对坐标系；,装配中没有协调要求，可选择相对坐标系或绝对坐标系；,零件工装也可选择相对坐标系；,相对坐标系是在工装上建立工装坐局部标系 坐标系选择原则：,B,、工具球用来确立工装零件的空间位置及工装零件,的相互关系,每个工装零件上都要有三个或三个以上工具球。用这三个工具球控制工件的六个自由度，以确定工件在工装中的空间位置,注意工具球在设计和使用时确保工具球和零件之间的位,置准确，与工具球配合的部分是保证工具球和零件之间,的位置准确的关键，包括装配孔与工具球轴线的一致性、,与工具球配合的平面的位置精度和平面度等。,B、工具球用来确立工装零件的空间位置及工装零件每个工装零件上,C.,工具球的使用提高了工装的制造精度,因此，可以看出数字传递化制造技术用工具球安装工装，使尺寸传递环节大大的减少，工装制造精度有了很大的提高。,装配产品精度取决于工装的制造精度，工装精度的高低取决于工装零件的制造精度、装配工装的装配精度和尺寸传递环节的多少，工装零件的制造精度不受装配方法的影响，对工装的精度影响具有确定性，因此，工装的精度主要由自尺寸传递环节的多少和装配精度决定。,C.工具球的使用提高了工装的制造精度因此，可以看出数字传递化,D.,工具球的使用可使工装的生产、试制周期缩短,模拟量传递的工装研制、生产周期,样件图样及样板图样的设计周期,样板的制造及样件的制造及样件对合周期,工装图样的设计周期,工装制造周期,数字化传递的工装研制、生产周期,工装图样的设计周期,工装制造周期,D.工具球的使用可使工装的生产、试制周期缩短模拟量传递的工装,工具球的使用原则,最大投影面原则,(,零件上的工具球取值原则,),工装坐标系中,工具球的使用原则最大投影面原则(零件上的工具球取值原则 )工,B,、,3-2-1,原则,3-2-1,原则,:,零件在最大投影面相垂直的轴线方向取值有三个工具球。零件在第二大投影面相垂直的轴线方向取值有两个工具球。零件在最小投影面相垂直的轴线方向取值有一个工具球。,六个自由度,3,个工具球的,6,个坐标值,零件定位,B、3-2-1原则3-2-1原则: 零件在最大投影面相垂直的,C,、最大包容原则,最大包容原则：,工具球的位置应将零件最大限度的包容在内,C、最大包容原则最大包容原则：,D,、直角坐标原则,在满足最大包容原则的基础上，应满足直角坐标原则,D、直角坐标原则在满足最大包容原则的基础上，应满足直角坐标原,E,、特殊工装零件工具球的设计方法及原则,圆形轴、孔类零件使用工具球的原则,圆形轴、孔类零件上的工具球，应设计在轴类零件的中心线上，并设计在轴类零件上的两端。其取值应为,3-2,原则，也就是主要工作面上的工具球取,3,个值，另一个面上的工具球取,2,个值,E、特殊工装零件工具球的设计方法及原则圆形轴、孔类零件使用工,2,）较大且较薄类零件或细长类零件,工具球的设计方法及原则,工具球的取值原则为,3-2-1-1,2）较大且较薄类零件或细长类零件工具球的取值原则为3-2-1,F,、工具球的公差,产品装配最终公差,按工具球安装公差,零件制造公差,仪器系统误差（可忽略不计）,工具球的安装公差为工程公差的,1/2,按工具球的安装公差与型面的制造公差之和不得大于工程公差的,2/3,F、工具球的公差产品装配最终公差按工具球安装公差零件制造公差,柔性工装,柔性工装是通过手动调整或自动调节可以完成多项任务的工装。按用途可以大致分为多点成形工装、切边工装、装配工装等。,回弹修正问题,定位基准问题,控制问题,结构问题,柔性成形工装,柔性工装柔性工装是通过手动调整或自动调节可以完成多项任务的工,柔性切边工装：,蒙皮的定位、工装的型面、蒙皮的固定、切边轮廓的表达方式,柔性切边工装：蒙皮的定位、工装的型面、蒙皮的固定、切边轮廓的,三维可调,一维可调,二维可调,三维可调一维可调二维可调,装配工装包括组件装配工装、段件装配工装、部件装配工装、部件对接工装等。,传统装配工装采用模拟量传递方式，通过标准样件（标准工装）保证装配零件之间的相对位置关系。而数字化制造中装配件之间的相对位置通过数字传递方式保证，也就是在同一个坐标系内每个装配件通过定位基准确定其准确的位置。,装配工装包括组件装配工装、段件装配工装、部件装配工装、部件,4.,数字化测量,接触式机械测量方法,4.数字化测量接触式机械测量方法,非接触式测量方法,激光跟踪仪,照相测量方法,非接触式测量方法激光跟踪仪照相测量方法,三座标测量数据准备,测量点简图,测量点数据表,测量点三维坐标,测量点法矢,测量点顺序要求,三座标测量数据准备 测量点简图测量点数据表测量点三维,第,4,节 数字化设备,第4节 数字化设备,数字化设备包括三类,数字化制造设备,数字化工装,数字化测量设备,数字化设备包括三类数字化制造设备数字化工装数字化测量设备,数字化测量设备,三坐标接触式测量的特点：,1,、测量精度高；,2,、测量数据准备繁琐；,3,、测量时单点测量；,4,、测量效率低；,5,、适合精密机加件检验；,数字化测量设备三坐标接触式测量的特点：,非接触式测量的特点：,1,、测量精度比接触式测量低；,2,、批量测量数据；,3,、测量效率高；,4,、适合非精密机加件、钣金件等检验；,5,、适合在飞机装配中使用；,非接触式测量的特点：,数字化制造设备,数控机床：普通数控机床、,5,轴数控机床、,7,轴数控机床,、并联数控机床等,数字化制造设备数控机床：普通数控机床、5轴数控机床、7轴数控,数控拉弯机,解决弯曲回弹问题，主要应用于飞机框等型材成形,数控拉弯机解决弯曲回弹问题，主要应用于飞机框等型材成形,数控弯管机,数控弯管机,数控拉形机,数控拉形机,数控铺带机,数控铺带机,数控钻铆机,数控钻铆机,数控激光切割机,数控激光切割机,