沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室 韓志仁 賈東海

中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司 高 紅 秦 月 郭喜鋒

隨著數(shù)字化設計制造技術(shù)的發(fā)展及其在飛機研制過程中的應用，MBD（Model-Based Definition，基于模型的定義）技術(shù)應運而生。飛機MBD 綜合信息的三維模型不僅包括零件的實體模型，而且包括零件的尺寸、公差、連接定義、膠接定義、工藝信息等設計和制造信息[1]，是整個飛機產(chǎn)品制造過程中的唯一依據(jù)，使得飛機制造從以工程圖紙為主要制造依據(jù)、三維模型為輔助制造依據(jù)的傳統(tǒng)方法中解脫出來[2]。

國內(nèi)航空業(yè)已經(jīng)推廣基于MBD的全三維信息的數(shù)字化設計，在軍民機科研生產(chǎn)中已經(jīng)全面推廣數(shù)字化制造技術(shù)[3-4]。飛機裝配大綱主要包括管理頁、說明頁、草圖和零件配套單組成，包括裝配名稱編號、制造索引、工程更改申請單號、發(fā)放次號、架次控制、版次控制、客戶控制、系列號、簡要工作說明、操作內(nèi)容要求、所需工裝設備、產(chǎn)品圖樣、工藝標準、質(zhì)量規(guī)范、檢驗要求、工時定額、零件名稱和編號等40多項工藝信息、生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息、過程信息。傳統(tǒng)的飛機裝配大綱可以分為文字描述、草圖（二維附圖）兩大部分，而數(shù)字化制造中飛機裝配分為文字描述、輔助模型（三維附圖）、 三維仿真動畫三大部分。其中輔助模型用于指導工人現(xiàn)場裝配操作，提供標準件位置、連接件牌號、被連接件等工藝信息，輔助模型將作為飛機裝配的大綱內(nèi)容與文字描述一起進行管理。由于國內(nèi)飛機MBD綜合信息模型中包括很多隱性信息，輔助模型的設計繁瑣且不易保證其規(guī)范性，有必要開發(fā)針對輔助模型的快速設計平臺。

MBD中連接表示方法

飛機裝配中定位和連接是兩個重要的工作。而連接的描述是裝配工藝制定的主要依據(jù)之一。在飛機全三維綜合信息模型中，標準件位置通過理論外形上的點和法矢表示，連接關(guān)系和連接件牌號等信息通過A數(shù)模中的連接定義描述，如圖1所示。蒙皮和加強口蓋通過螺栓和托板螺母連接，而托板螺母通過鉚接連接到加強件上，一組連接需要4個標準件，即1個螺栓、1個托板螺母和2個鉚釘，這4個標準件的位置信息用理論外形上的點和法矢表示，連接標準件牌號和連接關(guān)系等在A數(shù)模中描述，被連接件為加強件和加強口蓋，連接完成的形式如圖2所示。該表達方式已經(jīng)完整描述了連接需要的所有信息。

圖1 連接關(guān)系

圖2 完全裝配圖

輔助模型

在實際飛機裝配中，經(jīng)常需要在加強口蓋、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件上預先加工導孔，在裝配過程中這些導孔作為鉆鉚接孔的基準導孔。在編制三維飛機裝配大綱時，需要建立加強口蓋、梁、肋、桁條、加強件等結(jié)構(gòu)件的輔助模型，該輔助模型與裝配大綱文字描述一起用于飛機裝配。如圖1所示的連接中加強件和托板螺母的鉚接孔位置和螺栓連接的孔位置用理論外形上的點和法矢表示，而實際中工人需要直接對加強件進行制孔操作，因此需要將理論外形上的標準件位置信息轉(zhuǎn)移到加強件上，并根據(jù)飛機裝配大綱的要求設計輔助模型，如圖3所示，輔助模型包括導孔位置信息、導孔特征尺寸、基準孔位置信息、基準孔特征尺寸、結(jié)構(gòu)樹信息，其中結(jié)構(gòu)樹信息應該符合企業(yè)規(guī)范。

圖3 輔助模型

輔助模型快速生成關(guān)鍵技術(shù)

1 標準件位置信息批量轉(zhuǎn)移技術(shù)

在建立加強件、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件的輔助模型時，需要將標準件位置信息由蒙皮理論外形轉(zhuǎn)移到加強件、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件上，再添加必要的導孔特征尺寸、基準孔位置信息、基準孔特征尺寸以及結(jié)構(gòu)樹信息等[5]。手工操作建立輔助模型非常繁瑣和耗時，而且容易出現(xiàn)人為差錯和不規(guī)范問題。通過軟件平臺可以實現(xiàn)輔助模型的快速規(guī)范設計，其中標準件位置信息批量轉(zhuǎn)移和工藝信息批量添加是關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于輔助模型中標準件位置信息需要由蒙皮的理論外形轉(zhuǎn)移，涉及兩個以上零件，因此輔助模型設計在“Product”環(huán)境下進行，環(huán)境中至少包括相關(guān)的蒙皮和加強件、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件。在CATIA環(huán)境下打開這個裝配體，進入理論外形的“PART”環(huán)境，然后在結(jié)構(gòu)樹或者幾何圖形中拾取表示標準件位置信息的點[6]。判斷選取的點是否在“緊固件參考幾何”圖形集中，如果不在，提示錯誤并退出；如果在圖形集中，繼續(xù)根據(jù)結(jié)構(gòu)樹信息，篩選出標準件信息，存放在字符串數(shù)組“ListOfHardware”中，相關(guān)聯(lián)的各個連接零件存放在字符串數(shù)組“ListOfPartnote”中。

獲取整個裝配體最上級的根目錄“RootFather”，從 RootFather->GetProduct()得到的各個子類產(chǎn)品組件存放在數(shù)組“spListPartNote”中，將“ListOfPartnote”數(shù)組中存放的信息和“spListPartNote”中的進行比對，得到相關(guān)聯(lián)的組件“iPart”在結(jié)構(gòu)樹中的位置，存放在數(shù)組“iListPart”中，最后，將“緊固件參考幾何”中的點和法矢信息按照結(jié)構(gòu)樹規(guī)范性以粘貼的方式轉(zhuǎn)移到“iPart”中，實現(xiàn)標準件位置信息的批量轉(zhuǎn)移，流程框圖如圖4所示。

2 工藝信息批量添加技術(shù)

在實現(xiàn)標準件位置信息轉(zhuǎn)移后，生成輔助模型需要添加必要的工藝信息，包括導孔位置信息、導孔特征尺寸、基準孔位置信息、基準孔特征尺寸、結(jié)構(gòu)樹信息等。根據(jù)轉(zhuǎn)移后的點和對應的法矢和導孔半徑批量生成導孔，導孔半徑采用規(guī)范的尺寸由程序自動給出。根據(jù)標準件信息“ListOfHardware”中的牌號對照公司牌號文件數(shù)據(jù)查詢得到尺寸信息，并將相應的尺寸信息添加到數(shù)模中并在幾何模型中予以顯示。算法詳細流程如圖5所示。

圖4 標準件位置信息轉(zhuǎn)移流程

3 結(jié)構(gòu)樹規(guī)范性添加

根據(jù)MBD設計單位以及使用單位結(jié)構(gòu)樹規(guī)范文件要求，標準件位置信息批量轉(zhuǎn)移后應滿足以下要求：信息的正確性，保證轉(zhuǎn)移后信息的真實可靠，與轉(zhuǎn)移前是完全匹配的；信息的完整性，轉(zhuǎn)移后位置信息應與轉(zhuǎn)移之前相同，并且不能出現(xiàn)原來沒有的多余信息，不能缺少或者遺漏部分信息；信息要確保在結(jié)構(gòu)樹中存放的節(jié)點級別和位置與要求相符等。輔助模型結(jié)構(gòu)樹信息除了標準位置信息外，還包括標準件位置尺寸標注、基準孔和導孔作圖過程等。輔助模型結(jié)構(gòu)樹格式如圖6所示。

圖5 工藝信息批量生成流程

4 應用實例

根據(jù)本文提出的算法，建立了基于CAA/CATIA輔助模型快速設計平臺（圖7）。圖7中口蓋蒙皮與加強件裝配中需要建立加強件輔助模型，采用輔助模型快速設計平臺，拾取需要轉(zhuǎn)移的標準件位置點，設計的輔助模型如圖8所示。

結(jié)論

圖6 結(jié)構(gòu)樹信息

圖7 輔助模型快速設計窗口

圖8 加強件輔助模型

通過對基于MBD的裝配工藝模型快速生成技術(shù)研究，解決了實際生產(chǎn)過程中工藝設計部門、生產(chǎn)部門在MBD使用中標準件位置信息批量轉(zhuǎn)移到其他相關(guān)裝配件上遇到的問題。以CAA/CATIA為平臺，建立了裝配工藝輔助模型快速生成平臺軟件。通過提高工藝設計效率，減少工藝人員不必要的勞動，降低人為出錯率，提高數(shù)字化制造的水平，降低研制成本，為工藝設計數(shù)字化奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] 王境宇,鄧立營. 基于CATIA的產(chǎn)品定義信息三維表達及組織方法. 制造業(yè)自動化 ,2011,33(11)：130-133.

[2] 丘宏俊. 基于知識的飛機裝配工藝設計關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安： 西北工業(yè)大學,2006

[3] 曹德君,田錫天,耿俊浩,等. 基于輕量化三維產(chǎn)品模型的裝配建模技術(shù)研究.機床與液壓, 2009,37(11)：173-176.

[4] 劉云華,劉俊,陳立平. 產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型輕量化表示實現(xiàn).計算機輔助設計與圖形學學報,2006,18(4)：602-607.

[5] 鄧學雄. 現(xiàn)代CAD技術(shù)的發(fā)展特征.工程圖學學報,2001(3)： 8-13.

[6] 凌堅,陏成華. 基于組件結(jié)構(gòu)的軟件二次開發(fā)接口的設計實現(xiàn). 計算機工程,2002(2)： 107-110.