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1、第16卷第5期计算机集成制造系统Vol. 16 No. 52 0 1 0年5月ComputerIntegratedManufacturingSystemsMay12 010文章编号 :1006 - 5911(2010) 05 - 0942 - 07收稿日期:2009206208 ;修订日期:2009212207。Received 08 June 2009 ;accepted 07 Dec. 2009.基金项目:总装备部预研基金重点资助项目( 9140A18010207L N0101 )。Foundation item :Project supportedby t he Pre2research
2、 Project ofE2quipment Ministry, China ( No.9140A18010207LN0101) .作者简介:王成恩( 1964 - ) ,男,黑龙江鸡西人,东北大学流程工业综合自动化重点实验室教授,博士生导师,主要从事先进制造、 产品建模、多学科设计优化、系统集成技术等的研究。E2mail :wangc mail. neu. edu. cn。面向对象的航空发动机装配模型王成恩1 ,2,于 宏3 ,4,张闻雷1 ,2,于嘉鹏1 ,2(1.东北大学 辽宁省复杂装备多学科设计优化技术重点实验室,辽宁 沈阳 110004 ;2.东北大学 流程工业综合自动化重点实验室,辽
3、宁 沈阳 110004 ;31 东北大学 机械工程与自动化学院,辽宁 沈阳 110004 ;41 沈阳理工大学 机械学院,辽宁 沈阳 110014 )摘 要:为了对复杂产品的数字化装配设计提供有效的支持,首先对产品装配建模方法研究工作进行了归纳分析,指出面向对象的建模方法是目前最合适的复杂产品装配建模方法。然后采用对象类图建立了复杂产品装配元模型,描述了产品装配过程中的主要对象类及其关系,集成表达了产品结构、 装配特征 、 装配关系 、 工艺方案等信息,为数字化装配设计提供了全面的支持。最后通过对象匹配方法,将复杂产品装配元模型转化为航空发动机装配的对象模型,并以燃气涡轮发动机的涡轮转子为例,
4、对其装配结构构成、 数据衍变关系及建模方法进行了说明。将所建立的面向对象的航空发动机装配模型直接用于数字化产品装配系统的开发,并进行了应用验证。关键词:数字化装配;产品装配模型;航空发动机;面向对象方法中图分类号: TP391. 7文献标志码:AObject2oriented aero2engine assembly modelsWA NG Cheng2en1 ,2, YU Hong3 ,4,Z HA N G Wen2lei1 ,2, YU Jia2peng1 ,2(1. LiaoningProvincialKey Laboratoryof MultidisciplinaryOptimalDe
5、sign forComplexEquipmentof NortheasternUniversity, Shenyang 110004 , China ;2. Ministryof EducationKey Laboratoryof Process IndustryAutomation, NortheasternUniversity, Shenyang 110004 , China ;3. School of Mechanical Engineering& Automation , NortheasternUniversity , Shenyang 110004 , China ;4. Scho
6、ol of MechanicalEngineering, Shenyang LigongUniversity, Shenyang 110014 , China )Abstract :In orderto provideeffectivesupportfordigitalassemblydesign of complicatedproducts, previousstudieson productassembly modelingwere firstlysummarizedand analyzed.It was pointed out that object2orientedmodel2ing
7、was the appropriateproductmodelingapproach at present.Subsequently, a meta2model of productassembly wasconstructedby using the class diagram.Majorassembly object classes and theirrelationships were described.In themeta2model , all productinformationsuch as structure, assembly feature , assembly rela
8、tionshipand process schemewere integratedto supportdigitalassemblydesign.Finally , the class2diagrambased productassemblymodel wasconvertedinto a generic objectmodel forgas turbineengine aero2engine assembly throughobjectmappingmethod.An example of turbinerotorwas providedto specify the assemblystru
9、cture, data evolutionrelationshipand model2ing method.Furthermore, these assembly models served as kernel requirementspecificationsfor the developmentofa digitalproductassembly planningsystem.Key words :digitalassembly ; productassembly model ; aero2engine ; object2orientedmethod名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载
10、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - 第5期王成恩 等:面向对象的航空发动机装配模型0引言装配技术直接影响复杂产品的性能、 研制周期 、成本 、 运行及维护方式等,其重要性得到越来越广泛的重视 125。数字化装配技术就是在复杂产品装配规划 、 管理和操作等过程中综合应用信息技术,以有效地克服传统装配模式的不足,提高装配效率,改进装配质量 ,降低装配成本。数字化装配技术包括产品装配建模 、 装配序列规划、 装配路径规划、 装配仿真 、 装配评价 、 装配资源配
11、置和装配指令生成等内容 。其中 ,产品装配模型描述了组成装配体的零部件基本信息和零部件之间的装配约束关系,是装配规划算法 、 装配仿真和评价等其他装配技术研究的基础 ,也决定了数字化装配系统中数据存储、 表达和处理的方式 。20 世纪 70 年代以来,许多学者提出了多种装配建模方法,以便有效地在计算机中表达和存储各种装配信息 。现有的产品装配模型主要有基于图的关系模型 、 树状结构的层次模型和面向对象的装配模型 。关系模型以节点表示零部件,节点之间的边表示零部件之间的关系。Bourjauct 6 等较早采用这种模型并称为联接图模型;付宜利等 7利用有向图理论建立了有向装配关系图模型;张博等 8
12、采用多色集合理论,建立了多色集合装配关系模型。关系模型以图论为基础,能直观地表达零部件之间的关系 ,但不易表达零件和子装配体的几何结构信息,且很难解决复杂产品的装配规划。层次模型以树结构为基础表达产品的分层装配关系,由于层次模型自身隐含了一定的装配顺序知识且可实现分层规划 ,使其在对较复杂结构装配体规划时显示了较好的实 用 性 , 被 很 多 学 者 采 用 9210 。更 有 一 些 研究 11212 将特征建模方法引入层次化产品装配树,提供了公差 、 材料等工程语义信息,增强了装配模型在工程语义方面的表达能力,方便了装配规划与分析。由于数字化装配系统本质上是计算机软件,研究人员自然将软件工
13、程中的系统建模方法用于建立产品的装配模型,出现了面向对象的产品装配建模方法 。Tran 等 4 建立了以装配任务为核心关联“零件”、“装配体”和“装配工具” 对象的实体关系图模型 ; Gorti等 13 建立了基于共享对象的概念模型;Sudarsan 等 14 采用面向对象的统一建模语言( Uni 2fied Modeling Language ,UML ) 建立了开放式装配模型 ,表达了零件公差、 运动关系 、 装配关系和装配特征等大量装配信息; Zha 等 15在此模型的基础上 ,建立了该模型与EXPRESS/ 可扩展标记语言(eXtensible MarkupLanguage ,XML
14、) 模型的集成装配模型 。面向对象的产品装配模型既能全面表达装配体中零部件对象的属性、 功能 、 行为等信息,建立零部件对象之间的装配关联,又能多层次、 多粒度地表达和存储装配信息。上述产品装配模型主要以表达产品基本属性、层次结构 、 装配特征 、 装配关系为主,没有全面 、 系统地描述复杂产品装配设计过程中的所有数据以及这些数据之间的衍变关系,在实际应用时,只能支持数字化装配的一个或部分功能,且极少真正应用于复杂的机械产品,更不能为航空发动机这类更复杂产品的数字化装配设计提供有效支持。通过调研,本文针对航空发动机数字化装配规划系统对装配建模的需求 ,在综合分析几种装配建模方法优点的基础上 ,
15、采用面向对象方法建立适用于航空发动机等复杂产品的数字化装配元模型(meta2model) ,综合集成表达各类装配信息,并合理描述各类信息之间的相互关系 。利用对象匹配的方法构造航空发动机装配对象模型,并以具体实例论述从装配元模型、 对象模型到具体实例装配模型的衍变。1 面向对象的产品装配元模型元模型是数据集成的基础,是关于如何建立模型 、 模型的语义或模型之间如何集成和互操作等信息的描述 。由于元模型建模有利于数据模型进行集成 、 共享 、 查询 、 阅读和互操作,将其用于描述复杂产品的各类信息,可全面支持装配过程及装配设计的表达 。111 面向对象的方法从 20 世纪 90 年代开始,面向对
16、象方法逐渐取代面向功能的建模方法,成为软件工程领域主导性的系统描述和分析方法。面向对象方法的基本思想是将系统的组成 “对象” 抽象归并为多种具有相同特征的 “对象类”;每种对象类具有唯一标志、 多种属性和操作 。对象类的概念将数据和对数据的操作封装在相同的对象代码内,对象类的定义构造了系统的组成模块 。面向对象方法通过定义对象类之间的联系 ,将对象模块组装成为系统模型。相对于其他装配建模方法,面向对象的装配建模方法具有模块化、信息量丰富 、 扩展性好和软件实现方便等优点。另外 ,面向对象的产品装配模型可以呈现出多种形式349名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -
17、- - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 7 页 - - - - - - - - - 计算机集成制造系统第16卷的数据视图,例如可以方便地转化为有向图或者无向图的连接模型,也可以转化为树结构的层次模型。因此 ,数字化产品装配系统如同其他信息系统一样,采用面向对象的建模方法成为必然的选择。112 产品装配元模型的建立为了满足数字化装配需求,产品装配模型必须详细描述“产品 / 装配体 / 零件 / 连接”的对象信息和各对象之间的关联信息,并且包含装配规划、 装配仿真 、 装配评价和装配工艺规划等所需的各种信息。如图 1 所示 ,本文首先采
18、用类图( class diagram ) 建立产品装配的元模型,在抽象层次描述装配对象类及其关系 。一个装配体由子装配体和零件按照一定的拓扑关系和装配关系组合而成。零件是组成装配体的基本单元 ,其属性数据表达了几何形状、 材料 、 物理特征和装配工艺要求等信息,每个零件由一个或多个零件特征组成。拓扑关系描述装配体、 子装配体 、 零件之间的层次结构,是对装配结构的一种树形层次划分 ,对装配规划的影响较大。装配关系描述装配体中零部件之间与装配相关的联系关系。一个装配体包含若干个装配关系,装配关系分为连接关系、 配合关系 、 运动关系三种,它们分别从不同侧面、 不同角度描述了零部件之间复杂的装配关
19、系。其中 :(1) 连接关系描述具有物理接触的零部件之间的连接方式,其模型如图2 所示 。连接关系的建立可以通过标准连接件和装配特征间的配合实现。连接件是一种起连接和固定作用的特殊零件,不同种类的连接件可建立不同类型的连接关系,如固定可拆连接 、 固定不可拆连接和移动连接 5;固定可拆连接指相互接触的零部件之间无相对运动,且经过反复装拆 ,连接和被连接件不会被损坏,如螺纹连接 、 键连接等 ;固定不可拆连接指相互接触的零部件之间无相对运动,当拆开连接时将损坏连接件或被连接件 ,如销连接 、 铆接 、 焊接 ;运动连接指参与连接的零部件存在相对运动,如轴承连接 、 带连接 。(2) 配合关系 指
20、两个零件几何特征的相互约束关系 ,描述两个相互配合的零件如何通过各自几何要素的接触或空间位姿实现相互联系。零部件之间的配合约束包括配对( mate) 、 对齐 (align ) 、 角度(angle) 、 平行 (parallel ) 、 垂直 (perpendicular ) 、 同轴(center ) 、 距 离 ( distance ) 和 相 切 (tangent ) 等 多种 16。配合关系是产品装配序列优化及可装配性分析的重要数据。装配特征是零件特征中参与装配的几何元素的相关特征,由于装配特征之间的关系即为零部件之间的配合关系,装配特征与配合关系相关联 ,即一个配合关系关联两个装配
21、特征。(3)运动关系描述零部件间发生的相对运动关系,分为相对运动关系和传动关系两种,模型如图 3 所示 。根据不同的运动形式,相对运动关系又分为圆柱运动、 旋转运动、 球面运动、 平面运动、螺旋运动和棱柱运动六种。传动关系描述接触或非接触零部件之间运动传递的方式,如链传动 、 齿轮传动 、 带传动 、 蜗杆传动和摩擦传动等。(4)约束关系 描述装配体零部件之间的几何约束关系,用以控制零部件之间的装配位置和装配方向 。文中约束关系分接触和干涉两种。接触关系描述零部件之间的接触连接情况和连接类型,干涉关系描述零件沿直角坐标轴方向移动时与其他零部件的干涉情况。约束关系的建立为装配规划时生成可行装配序
22、列提供了重要的信息。449名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - 第5期王成恩 等:面向对象的航空发动机装配模型公差信息是装配模型的重要内容,利用此信息可以实现装配精度分析,即通过各尺寸链中组成环的尺寸和公差来计算封闭环,根据所得到的封闭环的极限偏差来判断装配结果是否满足装配要求,进而检验零件或子装配体的公差设计是否合理。公差信息由尺寸公差、 几何公差和表面粗糙度组成。尺寸公差控制零件特征的基本尺寸和尺寸变动值;几何公差
23、与零件特征的形状、 空间位置有关,分为形状 、 轮廓 、 位置 、 定位和跳动公差;表面粗糙度用于描述特征面的表面质量,其大小影响装配工艺方案的确定和装配顺序的规划。装配方案是与装配过程有关的所有信息的总和。一个装配体可以有多个装配方案,其中装配序列、 装配路径、工艺方案是组成装配方案的三项重要内容。装配序列描述组成装配体的零部件装配顺序;装配路径指零部件在组装成产品时所应遵循的空间路径;工艺方案指为了达到装配体的装配技术和性能要求,按照装配工序的内容完成装配体的装配任务。每道装配工序的完成都与所采用的装配资源(如设备、夹具、工具和检具等)有直接关系。2航空发动机通用结构对象模型航空发动机是典
24、型的大型复杂装备,由上万个零部件组成 。建立数字化航空发动机装配系统,实现装配信息 、 过程 、 资源等集成管理,已经成为学术界和工业界的共识16217,而建立合理且完备的发动机装配模型作为开发数字化装配系统的第一步尤为重要 。目前,国内航空发动机主要设计及生产单位建立的发动机结构模型比较散乱,没有建立完整的、通用的装配模型,因此建立通用的发动机装配模型是非常重要而迫切的任务。产品装配元模型描述通用的产品装配模型,在工程应用中需将其转化为描述特定产品的对象模型 。对象模型是元模型的实例,具体描述对象与对象间的关系 。对象模型既体现出元模型中对象描述的规范性,又明确表达了组成产品零部件之间的复杂
25、装配关系 。航空发动机分为本体和外部管路两部分,本文以本体为研究对象。经过调研,航空发动机主要分为活塞式 、 燃气涡轮式和冲压式三类18,其中燃气涡轮发动机是应用最广、 最具代表性的一大类发动机 。本文以此类发动机为实例,建立了如图4 所示的发动机本体通用结构对象模型。发动机本体由压气机 、 燃烧室 、 燃气涡轮等多个大的子装配体构成,每个子装配体又可以进一步分成多级子装配体和零件 。如燃气涡轮由低压涡轮、 中压涡轮和高压涡轮子装配体组成,高压涡轮由高压涡轮静子和高压涡轮轴等零件组成,压气机由低、 中 、 高压压气机和中介机匣组成等。子装配体之间、 零件之间及子装配体和零件之间存在多种复杂的关
26、系,如高压涡轮轴与高压压气机轴为联轴器连接,将动力由高压涡轮传到高压压气机(低 、 中压涡轮与低、 中压压气机的装配关系与其相同,图中省略);高压压气机轴与主动锥齿轮 、 从动锥齿轮与传动机匣的输入轴均为中心配合,采用花键连接方式将动力由燃气涡轮传递到传动机匣;各子装配体之间通过静子或壳体采用螺纹连接方式装配在一起,连接件为不同类型的螺栓(六角螺栓 、 高锁螺栓 、 精密螺栓等)和螺母 。该通用结构对象模型的建立可方便地实现从对象模型到具体型号航空发动机装配模型的衍变。由于发动机极其复杂,图中只列举部分结构和装配关系说明该模型 。3 模型实例与应用在数字化装配过程中,装配对象建模系统采用对象映
27、射机制,具体型号的航空发动机装配模型可视为通用装配对象模型的实例,装配建模系统在产品设计模型与通用的航空发动机装配对象模型之间进行对象匹配,建立具体型号的航空发动机装配模型 。图 5 所示为某发动机涡轮转子的对象模型,该模型包括涡轮轴、 第 级转子 、 第 级转子三个子装配体对象和鼓环、 定位销 、 螺栓 、 螺母等零件对象。549名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - 计算机集成制造系统第16卷由于第 级转子和第级转子
28、的组成结构相同,图中只分解了第级转子对象 。图中带有箭头的实线表示对象之间的层次关系,虚线表示对象与对象之间的连接关系和配合关系,本文以这两种关系为例,省略了其他关系。每个连接和配合关系的详细信息如表 1 和表 2 所示 。表1 涡轮转子零部件之间的连接关系表编码连接类型装配单元A装配单元B连接件bc1螺纹连接第 级转子鼓环螺栓 、 螺母bc2螺纹连接第 级转子鼓环螺栓 、 螺母fc1配合连接涡轮轴第 级转子fc2配合连接轴承涡轮轴pc1销连接涡轮轴第 级转子定位销表2 涡轮转子零部件之间的配合关系表编码配合类型装配特征A装配特征Bcm1中心配合盘内圆柱面涡轮轴外圆柱面cm2中心配合 级盘内孔
29、柱面鼓环内孔柱面cm3中心配合 级盘内孔柱面鼓环内孔柱面cm4中心配合盘榫槽面叶片榫头面cm5中心配合轴承孔轴外圆柱面续表2dm1距离配合轴端面 级盘内孔端面am1对齐配合级盘端面鼓环端面am2对齐配合级盘端面鼓环端面am3对齐配合轴承内圈端面轴阶梯端面mm1配对配合轮盘槽上表面挡板上表面mm2配对配合锁片台阶表面挡板下表面mm3配对配合挡板侧面叶片侧面mm4配对配合锁片一端侧面轮盘槽侧面以上述面向对象方法建立的产品装配模型为核心 ,笔者开发了航空发动机数字化装配规划系统,系统的结构如图6 所示 。利用从计算机辅助设计(Computer Aided Design ,CAD ) 系统 、 产品数
30、据管理 (Product Data Management ,PDM) 系统 、 产品设649名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 7 页 - - - - - - - - - 第5期王成恩 等:面向对象的航空发动机装配模型计文档获取的信息和人机交互输入的信息建立面向对象的产品装配模型,该模型为系统提供了产品的层次结构 、 装配特征 、 装配关系等与装配有关的,不同形式 、 不同粒度的产品装配信息,实现了产品装配信息科学合理的表达、 组织和管理,有效地支持了装配规划
31、 、 装配仿真 、 工艺资源管理、 装配评价与分析等功能模块 。图 7 所示的对话框为系统获取零部件连接关系的一个示例。对话框中左侧为装配体的层次结构树 ,右侧即为通过获取或编辑得到的零部件间不同类型的连接关系。点击任意连接关系可弹出属性对话框 ,显示其属性信息,如被连接件名称、 连接件类型及规格 、 工艺要求等。对每个连接关系及其属性内容都可进行增加、 删除 、 修改的操作 。4 结束语本文以航空发动机为研究对象,采用面向对象方法建立了复杂产品数字化装配元模型,该模型具有集成性 、 抽象性 、 稳定性 、 可重用性和开放性等特性 。基于装配元模型,本文采用对象匹配的方法构造了装配对象模型,规
32、范地描述了航空发动机的结构组成与装配关系;同时采用重构技术实现了从装配元模型、 对象模型到具体装配信息模型的衍变 。该建模方法既有利于方便、 快捷地建立不同型号产品的装配模型,又可以实现相同数据的重用与共享,避免了大量的数据冗余,大大提高了建模效率 。采用本文提出的复杂产品装配建模方法,建立了完备的航空发动机装配模型,全面表达了航空发动机的装配结构、 特征 、 约束 、 装配关系 、 装配工艺信息 ,以及装配规划产生的序列、 路径等中间信息,解决了航空发动机装配设计过程中数据混乱、 过度依赖于CAD模型与物理样机进行装配设计的问题。该建模技术已经成功地应用于航空发动机数字化装配系统 ,并首次建
33、立了某型号双转子加力式涡轮风扇航空发动机装配样机模型,实现了装配数据的集成化管理 。以样机模型的数据为基础,实现了复杂产品的装配序列规划、 虚拟装配过程仿真、 装配路径自动生成和仿真、 交互式装配电子技术文档、 装配工艺图和爆炸视图的自动生成、 装配工艺资源管理和装配公差分析等多项功能,全面地支持了航空发动机的数字化装配设计。749名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - 计算机集成制造系统第16卷参考文献 : 1H EE
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