面向对象的航空发动机装配模型.docx

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面向对象的航空发动机装配模型

第16卷第5期

2010年5月计算机集成制造系统ComputerIntegratedManufacturingSystemsVol.16No.5May12010文章编号:

1006-5911（2010）05-0942-07

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,配的对象模型,并以燃气涡轮发动机的涡轮转子为例,对其装配结构构成。

关键词:

数字化装配;产品装配模型;航空发动机;中图分类号:

TP391.7　　　:

A

assemblymodels

Chengen1,2,YUHong3,4,ZHANGWen2lei1,2,YUJia2peng1,2

（ProvincialKeyLaboratoryofMultidisciplinaryOptimalDesignforComplex

EquipmentofNortheasternUniversity,Shenyang110004,China;

2.MinistryofEducationKeyLaboratoryofProcessIndustryAutomation,Northeastern

University,Shenyang110004,China;

3.SchoolofMechanicalEngineering&Automation,NortheasternUniversity,Shenyang110004,China;

4.SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110014,China）

Abstract:

Inordertoprovideeffectivesupportfordigitalassemblydesignofcomplicatedproducts,previousstudiesonproductassemblymodelingwerefirstlysummarizedandanalyzed.Itwaspointedoutthatobject2orientedmodel2ingwastheappropriateproductmodelingapproachatpresent.Subsequently,ameta2modelofproductassemblywasconstructedbyusingtheclassdiagram.Majorassemblyobjectclassesandtheirrelationshipsweredescribed.Inthemeta2model,allproductinformationsuchasstructure,assemblyfeature,assemblyrelationshipandprocessschemewereintegratedtosupportdigitalassemblydesign.Finally,theclass2diagrambasedproductassemblymodelwasconvertedintoagenericobjectmodelforgasturbineengineaero2engineassemblythroughobjectmappingmethod.Anexampleofturbinerotorwasprovidedtospecifytheassemblystructure,dataevolutionrelationshipandmodel2ingmethod.Furthermore,theseassemblymodelsservedaskernelrequirementspecificationsforthedevelopmentofadigitalproductassemblyplanningsystem.

Keywords:

digitalassembly;productassemblymodel;aero2engine;object2orientedmethod

收稿日期:

2009206208;修订日期:

2009212207。

Received08June2009;accepted07Dec.2009.

基金项目:

总装备部预研基金重点资助项目（9140A18010207LN0101）。

Foundationitem:

ProjectsupportedbythePre2researchProjectofE2

quipmentMinistry,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@。

第5期王成恩等:

面向对象的航空发动机装配模型943

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

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（eXtensibleMarkupLanguage,XML）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,上,（）,综合集,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。

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,[;张博等[8]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（Uni2fiedModelingLanguage,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

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

944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

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

。

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,本文首先采用类图（classdiagram）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

。

。

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