郭建燁，辛宇娟，屈力剛，楊野光

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 沈陽(yáng) 110136）

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得三維模型更具表現(xiàn)力。20世紀(jì)80年代，三維技術(shù)已應(yīng)用于發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中。21世紀(jì)初，電子樣機(jī)技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用取得了顯著效益?；贑AD的虛擬樣機(jī)技術(shù)，提高了設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性，設(shè)計(jì)意圖通過(guò)三維模型進(jìn)行協(xié)調(diào)和匹配性檢查、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真、分析仿真，實(shí)現(xiàn)了所見(jiàn)即所得，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、減少設(shè)計(jì)返工，實(shí)現(xiàn)100%的三維建模和100%的數(shù)字化虛擬裝配。但是，以三維為手段的飛機(jī)產(chǎn)品研制模式，并沒(méi)因其諸多優(yōu)勢(shì)很快替代傳統(tǒng)的以二維圖紙為手段的研制模式[1]。因?yàn)榇蠖鄶?shù)企業(yè)或者公司對(duì)MBD技術(shù)的理解，只是說(shuō)把二維紙質(zhì)上的產(chǎn)品各方面信息，照模照樣搬到數(shù)字化的三維模型中，不能達(dá)到使其設(shè)計(jì)信息數(shù)字化程度變高[2]。因?yàn)闆](méi)有對(duì)零散的產(chǎn)品相關(guān)信息進(jìn)行歸納和整理，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，實(shí)用性不強(qiáng)，這樣就使得后面對(duì)產(chǎn)品制造和加工的工人很難讀取必要的信息，造成產(chǎn)品周期加長(zhǎng)，降低生產(chǎn)效率[3-6]。

基于MBD的全三維設(shè)計(jì)，MBD模型包括飛機(jī)功能/性能模型、空間幾何模型、制造工藝模型、支持維護(hù)模型[7]。MBD涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)整個(gè)生命周期，其中面向設(shè)計(jì)和制造的空間模型是MBD的基礎(chǔ)[8]。因此，通常意義上的全三維設(shè)計(jì)通常是面向制造的三維模型的建立和應(yīng)用。占飛機(jī)整體零件數(shù)量半數(shù)以上的緊固件，其生產(chǎn)制造已自成規(guī)模。設(shè)計(jì)人員主要考慮的問(wèn)題不是緊固件生產(chǎn)制造問(wèn)題，而是緊固件快速選型以及裝配問(wèn)題[9]。設(shè)計(jì)人員綜合考慮零部件位置、載荷要求、變形程度等因素，在遵循各類緊固件選用規(guī)則的要求下，手工查閱三四百頁(yè)的緊固件手冊(cè)，確定緊固件規(guī)格型號(hào)；在對(duì)應(yīng)的飛機(jī)零部件模型中，采用“點(diǎn)線” 表達(dá)緊固件，使緊固件與飛機(jī)零部件形成統(tǒng)一整體。匯總緊固件規(guī)格、數(shù)量，輸出采購(gòu)清單，交付采購(gòu)部門(mén)。最終，裝配人員根據(jù)其設(shè)計(jì)意愿完成緊固件裝配工作。

1 航空緊固件的3D點(diǎn)線表達(dá)

緊固件尺寸小，數(shù)量龐大，采用傳統(tǒng)的基于MBD的三維模型來(lái)表達(dá)緊固件，對(duì)電腦硬件有很高要求，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；并且各個(gè)航空企業(yè)針對(duì)自身研發(fā)的機(jī)型，都有自成系統(tǒng)的一套緊固件手冊(cè)，緊固件數(shù)據(jù)不一致導(dǎo)致模型通用性較差、建模成本高[10]；其次，相對(duì)于飛機(jī)零部件而言，緊固件尺寸過(guò)小，緊固件三維模型的建立并不會(huì)使其對(duì)于裝配人員更直觀、準(zhǔn)確。緊固件種類多樣、數(shù)據(jù)繁瑣，設(shè)計(jì)人員手工查閱方式效率低且準(zhǔn)確率難以保證；設(shè)計(jì)人員主要確定緊固件幾何信息，非幾何信息的表達(dá)（如裝配技術(shù)要求、開(kāi)口銷類型、潤(rùn)滑、熱處理、表面處理等）對(duì)裝配過(guò)程也有重要影響。針對(duì)航空緊固件設(shè)計(jì)、裝配存在的問(wèn)題，決定規(guī)范化緊固件信息表達(dá)。

基于MBD的三維模型信息分為：幾何信息、非幾何信息。在遵循MBD信息集成化的原則下，采用“3D點(diǎn)線”方式表示航空緊固件。其中，點(diǎn)的物理屬性代表緊固件的安裝位置；直線的物理屬性包括長(zhǎng)度，代表緊固安裝前/安裝后的軸向尺寸；方向代表緊固件的安裝方向。圖1表示基于MBD的緊固件信息分類。圖2為緊固件3D點(diǎn)線表達(dá)示意圖。Catia軟件環(huán)境下緊固件3D點(diǎn)線表達(dá)如圖3所示。

2 基于“夾持組”的緊固件信息管理

“點(diǎn)線”方式是針對(duì)單個(gè)緊固件的信息表達(dá)方式。面對(duì)同一機(jī)型研制過(guò)程中數(shù)以萬(wàn)計(jì)的緊固件，需建立一種宏觀角度上更為合理的緊固件管理方式。利用Catia的.CATPart文件實(shí)現(xiàn)緊固件相關(guān)信息的存儲(chǔ)；根據(jù)Catia特征樹(shù)的理念，確定以“夾持組”為基礎(chǔ)進(jìn)行緊固件信息的分類管理。 CATPart文件特征樹(shù)邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，重要節(jié)點(diǎn)介紹如下：

圖1 緊固件信息分類Fig.1 Classification of fasteners information

圖2 緊固件3D點(diǎn)線表達(dá)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D point-line expression for fastener

圖3 Catia軟件環(huán)境下緊固件的3D點(diǎn)線表達(dá)Fig.3 3D point-line expression for fastener under Catia

（1）建模過(guò)程：存儲(chǔ)緊固件選用過(guò)程中產(chǎn)生的一些中間結(jié)果，例如最后夾持面、對(duì)稱面等；

圖4 緊固件.CATPart文件特征樹(shù)邏輯結(jié)構(gòu)Fig.4 Logical structure of characteristic tree

（2）標(biāo)準(zhǔn)件及釘孔點(diǎn)：.CATPart文件的固有節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)為存儲(chǔ)緊固件信息的根節(jié)點(diǎn)；可擴(kuò)展出多個(gè)夾持組子節(jié)點(diǎn)。

（3）夾持組：緊固件作為夾持件，明確表達(dá)其裝配特征需定義被夾持件信息，因此將用戶選用的兩個(gè)或者兩個(gè)以上的被夾持件定義為夾持組。夾持組的主要節(jié)點(diǎn)為點(diǎn)線集；同一夾持組內(nèi)可擴(kuò)展多個(gè)點(diǎn)線集子節(jié)點(diǎn)。

（4）點(diǎn)線集：點(diǎn)線集是存儲(chǔ)緊固件幾何信息、管理信息的最小單元。緊固件存在主輔對(duì)應(yīng)關(guān)系，以螺栓為例，螺栓與螺母、墊圈配套使用，只有當(dāng)主輔緊固件規(guī)格型號(hào)完全確定，整個(gè)選用過(guò)程才算結(jié)束。主輔緊固件形成的集合代表該安裝點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的一套緊固件信息；同一夾持組內(nèi)，只有主輔緊固件信息完全相同的安裝點(diǎn)，才會(huì)被放在同一點(diǎn)線集內(nèi)。點(diǎn)線集的子節(jié)點(diǎn)包括：安裝點(diǎn)，屬性為幾何圖形集，可擴(kuò)展多個(gè)“點(diǎn)X”子節(jié)點(diǎn)；矢量線，屬性為幾何圖形集，可擴(kuò)展多個(gè)“直線X”子節(jié)點(diǎn)；標(biāo)準(zhǔn)件：屬性為參數(shù)集，包含一套緊固件信息。同一點(diǎn)線集下的安裝點(diǎn)、矢量線、緊固件數(shù)量保持一致性。

3 開(kāi)發(fā)工具及相應(yīng)功能點(diǎn)

緊固件信息表達(dá)涉及了“PartDesign”、“Assembly”、“Knowledge”等模塊，各模塊之間相互關(guān)聯(lián)、相互滲透，應(yīng)用Catia自身CAA函數(shù)和API函數(shù)接口，完成緊固件信息的完整表達(dá)[11]。

特征樹(shù)結(jié)構(gòu)清晰、邏輯分明，通過(guò)函數(shù)SetSpecAttr可將緊固件的名稱、標(biāo)記示例、部分參數(shù)設(shè)置為特征樹(shù)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的隱藏屬性。

4 實(shí)例驗(yàn)證與結(jié)論

Catia環(huán)境下二次開(kāi)發(fā)菜單如圖5所示。圖6、圖7分別為夾持組創(chuàng)建窗體、緊固件創(chuàng)建窗體。緊固件選擇如圖8所示。圖9為緊固件信息管理界面?；贛BD的航空緊固件3D點(diǎn)線表達(dá)方式簡(jiǎn)練清晰；基于“夾持組”為基礎(chǔ)的特征樹(shù)結(jié)構(gòu)邏輯分明，信息表達(dá)較為全面，推進(jìn)了航空領(lǐng)域全三維設(shè)計(jì)進(jìn)程。

圖5 Catia環(huán)境二次開(kāi)發(fā)菜單Fig.5 Secondary development menu based on Catia

圖6 創(chuàng)建夾持組窗體Fig.6 Form for creating clip group

圖7 創(chuàng)建緊固件窗體Fig.7 Form for creating fasteners

圖8 緊固件選擇窗體Fig.8 Form for fastener selection

圖9 緊固件信息管理Fig.9 Fastener information management

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