胡家喜，周來水，衛(wèi) 煒，賈忠寧

HU Jia-xi, ZHOU Lai-shui, WEI Wei, JIA Zhong-ning

（南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

在目前激烈的市場競爭環(huán)境下，加快產(chǎn)品更新?lián)Q代的步伐，快速響應(yīng)市場需求，提高產(chǎn)品的市場競爭力，是所有企業(yè)研究和探索的關(guān)鍵問題。

在航空制造企業(yè)，需要大量的工藝裝備（簡稱工裝）以支持產(chǎn)品的制造生產(chǎn)，而這些工裝的開發(fā)周期在產(chǎn)品研制或生產(chǎn)準(zhǔn)備周期中占有相當(dāng)大的比重，因此，開發(fā)航空工裝快速設(shè)計(jì)軟件，提高工裝設(shè)計(jì)效率，對縮短工裝開發(fā)周期，進(jìn)而縮短產(chǎn)品研制和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期具有重要意義。

本文結(jié)合企業(yè)的具體情況和要求，根據(jù)開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的需要，收集相關(guān)信息，如工裝對象的全部信息，零部件約束信息、幾何拓?fù)湫畔?、零件載荷信息及產(chǎn)品各類知識等。對信息進(jìn)行分析，建立面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)的信息模型，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)工裝的快速設(shè)計(jì)提供支撐。

1 面向工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息模型

航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于UG/open二次開發(fā)平臺的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。所以，本文研究的面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息模型，主要是基于UG軟件平臺。

1.1 信息模型的設(shè)計(jì)原則

1）信息完備性：工程信息包含各種幾何信息和非幾何信息，用戶在工裝設(shè)計(jì)各階段完全脫離手冊就可以完成設(shè)計(jì)。幾何信息包括精度、公差等，是與零件規(guī)格有關(guān)的。非幾何信息包括名稱、代號、材料、技術(shù)條件等，與零件規(guī)格無關(guān)，同一零件模板實(shí)例化的所有零件的非幾何信息都是相同的。

2）信息標(biāo)準(zhǔn)性：工程信息的設(shè)計(jì)要符合國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都是會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而更新變化的，因此當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生改變時(shí)，工程信息也要可以由設(shè)計(jì)人員隨時(shí)更新。

3）信息有效性：不存在冗余的工程信息，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要增加、修改和刪除模型的工程信息。

1.2 信息的組織結(jié)構(gòu)

本文在信息的組織結(jié)構(gòu)上，采用相關(guān)信息模塊化的方式，通過對零部件的類別分析，建立了合理的信息組織結(jié)構(gòu)。結(jié)合航空發(fā)動(dòng)機(jī)工裝設(shè)計(jì)中涉及到的零部件（包括標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件）信息，包括零部件幾何特征信息和一系列工程信息以及一些相關(guān)說明文件信息等進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。由于信息的內(nèi)容豐富，數(shù)量龐大，對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆诸?，將?huì)大大提高用戶的使用效率。為了方便快速工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，本文提出了工裝信息模塊化的想法，即將工裝信息按其類型分類，劃分出幾大模塊，將信息歸類放入各個(gè)模塊，再對各大模塊中包含的零部件劃分出國標(biāo)件和航標(biāo)件，總結(jié)出各自類別中零部件的共性，將共性信息共享調(diào)用，節(jié)省存儲(chǔ)空間，差別信息分別管理，針對性強(qiáng)，形成了大類別模塊，共性和個(gè)性信息為其分支的多個(gè)管理小模塊，整套信息模型條理清晰，管理方便。結(jié)合需求分析，將信息組織如圖1所示。

圖1 信息的組織結(jié)構(gòu)

1.3 信息模型的建立

信息模型的大框架，如上述，已經(jīng)建立完成，接下來的任務(wù)是完善信息模型的內(nèi)容，充實(shí)信息量。主要分為兩部分來進(jìn)行：1）信息模型中，零部件幾何模型的建立；2）完善零部件工程信息。

1.3.1 零部件幾何模型的建立

零件幾何模型采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)是指參數(shù)化模型的尺寸用相對應(yīng)的關(guān)系表示，而不需要用確定的數(shù)值[1]，變化一個(gè)參數(shù)值，將會(huì)改變所有與它相關(guān)的尺寸。當(dāng)零件的形狀比較固定時(shí)，用一組參數(shù)約束該零件的結(jié)構(gòu)尺寸和特征，參數(shù)與設(shè)計(jì)對象的控制尺寸和特征有對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)賦予不同的參數(shù)序列值時(shí)，就可以驅(qū)動(dòng)原設(shè)計(jì)對象到新的目標(biāo)幾何形狀和特征。參數(shù)化設(shè)計(jì)就是通過尺寸驅(qū)動(dòng)將設(shè)計(jì)中的某些尺寸，如形狀尺寸、定位尺寸或裝配尺寸定義為變量，修改這些變量時(shí)同時(shí)驅(qū)動(dòng)其他相關(guān)的尺寸參數(shù)，CAD軟件根據(jù)新的參數(shù)值自動(dòng)更新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

幾何模型建立方法如下：

1）模型尺寸約束與參數(shù)設(shè)置

在建模過程中，草圖設(shè)計(jì)時(shí)，必須進(jìn)行尺寸約束和定位約束，將其作為特征參數(shù)保存，這樣做是避免尺寸驅(qū)動(dòng)時(shí)出錯(cuò)。同時(shí)，在此后的設(shè)計(jì)中就可以對其進(jìn)行可視化修改，從而實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模。

2）特征建模和關(guān)系表達(dá)式驅(qū)動(dòng)模型

在建模設(shè)計(jì)過程中，采用尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式，通過對模型特征尺寸即主尺寸的選擇，可以完整的表達(dá)設(shè)計(jì)意圖，并且在調(diào)用和編輯時(shí)，可以節(jié)省大量的工作時(shí)間。通過表達(dá)式來確定其他非主參數(shù)，主參數(shù)與表達(dá)式之間存在著直接的映射關(guān)系，其他非主參數(shù)，統(tǒng)稱輔助參數(shù)，都是通過表達(dá)式與主參數(shù)建立聯(lián)系，形成對應(yīng)關(guān)系，即通過主參數(shù)控制輔助參數(shù)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)模型。

3）信息模型實(shí)例化

對于相同幾何特征，不同尺寸的模型，通過更新主參數(shù)來實(shí)例化模型，得到所需的零件三維實(shí)體模型。針對主參數(shù)的更新，本文采用通過程序讀取用戶交互信息，然后對相應(yīng)模型主參數(shù)進(jìn)行賦值，最后通過UG平臺對模型進(jìn)行可視化實(shí)體更新。

1.3.2 零部件工程信息的建立

模型的主參數(shù)信息主要記錄在電子表格中，電子表格里除了記錄主參數(shù)值外，還需要存儲(chǔ)除規(guī)格參數(shù)外的幾何工程信息，例如ID號、精度、公差等。幾何工程信息的建立方法是零件的屬性或表達(dá)式作為一列表格加入到零件模板的電子表格里。零件內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)牧慵傩杂泻芏啵渲袑傩訢H是需要建立的幾何工程信息，如圖2所示。

將DH屬性添加到內(nèi)六角圓柱頭螺釘模板的電子表格里，如圖3所示。

屬性的名稱作為電子表格參數(shù)列的標(biāo)題，屬性的內(nèi)容作為參數(shù)列的值，如圖4所示。這樣零件幾何工程信息會(huì)在實(shí)例化零件

模板的時(shí)候一起生成。

圖2 內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)牧慵傩?/p>

圖3 零件屬性添加到零件模板電子表格里

圖4 零件模板的電子表格

表1 零件和組合件的工程信息表

非幾何工程信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里，有效的避免了零件模板電子表格參數(shù)的重復(fù)輸入，并且使零件模版電子表格更加簡化，零部件的工程信息表如表1所示。

裝配特征是指在裝配模型中用來描述定位和約束關(guān)系的信息內(nèi)容，以幾何特征為載體表達(dá)零件的裝配約束關(guān)系。裝配特征主要包括面特征、點(diǎn)特征和線特征等。面特征主要指幾何模型的表面、裝配用的基準(zhǔn)平面等；線特征包括幾何模型的棱角線、裝配用的基準(zhǔn)軸線、圓柱面的軸線等；點(diǎn)特征包括裝配用的基準(zhǔn)點(diǎn)等。

裝配特征的建立是對幾何模型上形狀特征的選擇和發(fā)布。對于由同一零件模板實(shí)例化出的所有零件，它們的裝配特征都是相同類型的。CAD系統(tǒng)中的裝配是一種虛擬裝配，即一個(gè)零件模型引入到裝配中時(shí)，并不是將該模型的所有數(shù)據(jù)完整地拷貝過來，而只是建立裝配模型與被引用零件模型之間的引用關(guān)系，即存在指針從裝配模型指向被引用的每一個(gè)零件，因此不允許在裝配模型里對子零件模型上形狀特征進(jìn)行發(fā)布。

零件裝配特征的選擇是跟零件的幾何結(jié)構(gòu)、零件在組合件中的作用和零件的工作自由度有關(guān)的。比如螺母的作用是通過螺紋孔與螺釘配合，并且螺母下表面與其他零件的平面貼合起到壓緊固定作用，那么裝配特征就是螺母下表面和螺紋孔附著的圓柱面，見圖5。螺母有一個(gè)繞自身螺紋孔中心軸線旋轉(zhuǎn)的自由度，而所選的表面和圓柱面的自由度限制也是使零件有一個(gè)相同的旋轉(zhuǎn)自由度。

圖5 六角頭螺母的裝配特征

2 參數(shù)化信息模型編碼原則

零件裝配特征的發(fā)布是對零件模板上裝配特征的特征名賦值。對裝配特征名進(jìn)行分類編碼，能使特征名很好反映裝配特征的屬性和裝配作用，方便程序?qū)ρb配特征的搜索調(diào)用。

零件的裝配方式多數(shù)是平面配合和軸孔配合，前者包括貼合、對齊和偏移3種形式。因此，對每個(gè)零件最可能出現(xiàn)的裝配方式和用于該裝配方式的面進(jìn)行屬性設(shè)置，通過程序驅(qū)動(dòng)自動(dòng)搜索對應(yīng)的裝配面，可以大大簡化裝配，縮短裝配時(shí)間。

1）平面與平面配合的面的屬性設(shè)定。一般情況下， 一個(gè)裝配零件需要3個(gè)約束才能將其位置確定下來。模板類零件通常有一個(gè)面是主裝配面，而其他兩個(gè)約束是輔助面， 即這類零件裝配面分為主裝配面與輔裝配面。

2）軸、孔類零件裝配面的屬性設(shè)定。軸類零件在裝配中一般不約束其旋轉(zhuǎn)，因此，一般情況下只需兩個(gè)約束：一是中心對齊，該約束類型是確定的；二是偏移關(guān)系， 即端面與另一平面的距離關(guān)系。

本文分析了目前主流的編碼系統(tǒng)，結(jié)合工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際需求，提出了復(fù)合碼編碼技術(shù)，即由字母和數(shù)字組成，碼段間用“#”隔開。編碼系統(tǒng)介紹如下：

碼段I：屬性碼，由兩位字母組成。取零件單詞的前兩位字母或詞組中前兩個(gè)單詞的第一位，用來說明零件針對裝配設(shè)計(jì)的幾何屬性，例如螺母的碼段I為cy。如表2所示。

表2 碼段I零件裝配屬性

碼段II：特征功能碼，該碼段描述了零件在裝配設(shè)計(jì)中的約束關(guān)系，約束無先后順序，每兩位碼段表示一種約束。例如，螺母的約束形式為螺紋孔與圓柱面（55）和面面約束（33），則螺母的碼段II為5533。碼段II解決了在裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)中檢索并區(qū)別裝配特征的難題。

3 結(jié)束語

本文針對企業(yè)的實(shí)際需求，面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，研究并建立了面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)的信息模型，目前已經(jīng)成功的應(yīng)用到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，并取得了預(yù)期的效果。

[1] Y.M.Deng,Y.C.Lam,S.B.Tor.A CAD/CAE Integrated Injection Molding Design System[J].Engineering With Computer,2002,(18)：95-100.

[2] 楊肖鴛.靈捷系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)模型與信息模型研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),1998(2)：50-53.

[3] 李建軍,何衛(wèi)平.面向?qū)ο蟮漠a(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息模型管理研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2001,37(1)：83-87.

[4] Gui-dong Li,Lai-shui Zhou.A system for supporting rapid assembly modeling of mechanical products via components with typical assembly features.Int J Adv Manuf Technol,2010(46)：785-800.

[5] 謝鵬壽,康永平.基于廣義CAD系統(tǒng)集成的產(chǎn)品信息模型研究[J].中國機(jī)械工程,2006(1)：233-237.

[6] 江偉光,武建偉.基于元模型的產(chǎn)品全生命周期信息模型研究[J].中國機(jī)械工程,2008,12(19)：1451-1456.