陳 雙徐 望

（1.92578部隊 北京 100161）（2.91197部隊 青島 266000）

1 引言

數(shù)字化關聯(lián)設計已經(jīng)在國內(nèi)的航空工業(yè)開始逐步應用，這種理念更加重視協(xié)同合作，依賴日趨成熟的網(wǎng)絡平臺技術，擁有廣闊的發(fā)展前景。利用數(shù)字化設計技術改變傳統(tǒng)的設計及管理模式，以提高產(chǎn)品研制水平，縮短研制周期，降低成本［1］，提高快速響應能力和競爭能力是國防工業(yè)的當務之急，是實現(xiàn)科研生產(chǎn)信息化的具體要求。同時通過CATIA的三維尺寸標注的應用代替二維工程圖作為產(chǎn)品檢驗的依據(jù)，使尺寸的公差標注更為直觀，減少了二維工程圖造成的理解上的偏差，使得制造部門可以通過這些相應的手段，使整個產(chǎn)品的設計、制造、檢驗流程成為真正的無圖制造流程，并且通過數(shù)字化關聯(lián)設計，可以將過程和信息有效地集成在一起，讓各種相關產(chǎn)品從設計概念到制造，直至報廢的全壽命周期，全面支持與產(chǎn)品相關的協(xié)同研發(fā)、制造、管理、分發(fā)和使用信息［2］。

2 CATIA VPM關聯(lián)設計平臺

CATIA軟件中ENOVIA V5的設計數(shù)據(jù)管理平臺簡稱VPM Navigator。通過CATIA V5連接ENOVIA服務器進行產(chǎn)品的關聯(lián)設計，以型號分類建立產(chǎn)品樹來進行數(shù)據(jù)的管理，主要包含的數(shù)據(jù)有：產(chǎn)品的組織結構、頂圖。產(chǎn)品的組織結構表示各個分系統(tǒng)的組成，頂圖為各分部件的頂層裝配件。飛機設計中各個專業(yè)的組織結構都按類別掛在產(chǎn)品樹下，將產(chǎn)品樹下的結構部分展開，其下包含“總論”，和各大部件的組織結構，再將“中機身”組織結構展開，其下包含中機身骨架模型，各部件的頂圖等裝配單元，也可包含協(xié)調(diào)文檔等零件單元［3～4］。文檔存放于統(tǒng)一的服務器中，及時設計及時更新，大大方便了在線設計中的協(xié)調(diào)工作。詳見圖1。

圖1 產(chǎn)品的組織結構

3 數(shù)字化關聯(lián)設計

3.1 零件信息的數(shù)字化

零件信息的數(shù)字化就是把零件的公差、特殊尺寸、測量基準、標準特征（如下陷、加強槽等）、熱處理、表面處理、協(xié)調(diào)更改情況、附注、對稱情況等信息集成在三維零件模型中，在二維圖紙中所包含的信息均在數(shù)字模型中表示。由于模型為全尺寸模型，所有的尺寸均為定義尺寸，所以零件三維標注的主要作用是將零件的公差尺寸、特殊尺寸和標注說明等信息標識在零件實體上。應該注意的是，對于標注繁多的零件，應多運用“捕獲”命令將表達極盡清晰，方便數(shù)據(jù)的讀取。零件信息的數(shù)字化數(shù)據(jù)集合構成見圖2所示。

3.2 裝配信息的數(shù)字化

每個裝配件下都存放一個編號后綴特殊的模型文檔（用于裝配信息的集成表達），里面存放該裝配件的全部信息。裝配信息中最主要的部分是零件的裝配關系，連接件信息，數(shù)字模型中用打在參考曲面上的幾何點來標識連接件的位置，用排布線表達邊距的要求，有層次順序要求或層次限制要求的可以將說明列在連接件牌號幾何圖形集下。裝配件模型中存放了該裝配件所有零件的外表面，和與之有連接關系的零件的外表面，外表面與零件接口關聯(lián)，零件發(fā)生改動后，裝配件模型也隨之變化，連接件也可自動更新。國內(nèi)先進的飛機制造單位已經(jīng)在大型壁板，蒙皮型材的裝配上使用數(shù)控鉆鉚機，這種技術必須得到數(shù)字化模型的支持，裝配件單元的引入大大節(jié)省了人力資源也有效縮短了生產(chǎn)周期［5］。裝配信息的數(shù)字化數(shù)據(jù)集成構成見圖3所示。

圖2 零件信息的數(shù)字化集合

圖3 裝配信息的數(shù)字化集合

3.3 關聯(lián)設計

3.3.1 關聯(lián)設計思想

關聯(lián)設計的初衷是為了解決設計的及時性方便更新，而更好地實現(xiàn)在線設計。所謂的飛機在線設計是在電子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)控制下的飛機設計技術。在線設計要求所有涉及人員在同一電子樣機下進行協(xié)同工作，其特點是設計人員在開始設計時，CAD系統(tǒng)就要和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建立連接，在設計過程中，設計結果直接存入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)［6］，通過在線設計方式使得設計數(shù)據(jù)能夠得到及時共享，設計協(xié)調(diào)實時在線進行。關聯(lián)設計簡單的說是一種特殊形式的參數(shù)化設計方法，其驅動參數(shù)為上游設計的幾何特征（如曲面、曲線、軸線、坐標平面等）。關聯(lián)設計表現(xiàn)為上游對下游設計的自動影響關系，上游設計更改，可以驅動下游模型自動進行更新［7］。

3.3.2 關聯(lián)設計的鏈接

在關聯(lián)設計中每個零件都有三個鏈接屬性：位置（Instance），參考（Reference），文檔（Document）。位置屬性反映零件的父級裝配關系，參考屬性反映零件實例化的調(diào)用關系。

在設計過程中，幾何元素間的鏈接關系包含兩種類型：

引用類型：通過VPM-Session（VPM會話）建立其幾何元素間的位置關系為坐標位置關系。是引用與引用間的關系，不影響裝配（實例）環(huán)境下的常規(guī)約束定位。

實例類型：通過上下文設計環(huán)境建立其元素間的位置關系為相對位置關系，生成的元素的位置與所參考的實例的位置相一致。是實例與實例之間的關系，具有約束定位功能，可改變位置。

3.3.3 骨架模型的使用和分布

關聯(lián)設計中上游設計對下游模型的影響主要通過接口元素進行，而骨架模型是具有聯(lián)系的接口及其接口間關系的集合。骨架描述了設計對象的基本幾何特征和設計要求。骨架設計思想是先總體規(guī)劃，后細化設計，采用自上而下的設計方法，在總體骨架控制驅動下，各專業(yè)完成本專業(yè)子骨架設計，繼續(xù)向下驅、關聯(lián)直到由設計人員完成具體的零件［8］。關聯(lián)設計中常使用的骨架有獨立骨架模型和附屬骨架模型。獨立骨架模型是僅包含骨架信息的三維模型（PART）；附屬骨架模型既包含骨架信息又包含工程設計內(nèi)容的三維模型，如某個裝配中可以設立一個高級別的零件模型，其他模型引用該零件中所發(fā)布的參數(shù)、幾何元素、公式或實體等元素，當這個附屬骨架模型更改后，引用其接口的模型也隨之更新。不過一定要注意避免接口的循環(huán)引用，即低級模型和高級模型互相引用時系統(tǒng)檢測到更新循環(huán)［9］。

骨架在產(chǎn)品結構中的分布，一般情況下系統(tǒng)、分系統(tǒng)級別的骨架要放在代表該系統(tǒng)、分系統(tǒng)的組織結構下。分系統(tǒng)以下的骨架放在所在的裝配件或零件中，對于多個分系統(tǒng)參考使用的骨架模型，要分布在其上一級的設計總論中［10］。如圖1中所示，骨架模型以統(tǒng)一的命名方式命名，并以PART形式存在于各級層次之中，RFM_表示獨立骨架模型。骨架模型理論上是相互關聯(lián)的，是具有唯一性的數(shù)據(jù)，為方便各個專業(yè)各個部件的設計要求，可以在總的骨架模型下衍生并細化出分系統(tǒng)的骨架模型。骨架模型的運用可以更好地適應版本變化的需求，更符合上游對下游設計的控制和管理，更能體現(xiàn)出智能化設計的優(yōu)勢。

3.3.4 關聯(lián)設計的一般流程

接口的調(diào)用：在上下文環(huán)境中打開骨架模型，將已發(fā)布的幾何元素帶鏈接的復制到新零件模型中［11］，系統(tǒng)自動將參考的接口放置在“外部參考”幾何圖形集中。使用時引用外部參考中的元素就將模型關聯(lián)至骨架模型上，受著接口的驅動。

接口的發(fā)布：將平臺切換到零件設計模塊，使用命令“工具”——“發(fā)布”，選擇所要發(fā)布的參數(shù)、幾何元素或者實體，在零件樹上出現(xiàn)“發(fā)布”集合，即將該元素發(fā)布。

實例化復制零件：為使設計、生產(chǎn)成本更加經(jīng)濟，設計過程中常出現(xiàn)完全相同的零件或部件，只是裝配的位置不同，約束不同。這種情況下就需要實例化零件，實例化零件就是為文檔增添一個參考鏈接，將絕對位置上的零部件移動到新位置上，并不改變模型內(nèi)部的基準定位，改變模型文檔，所有的實例將一同改變。原始位置上的零件圖標第2個齒輪顯示為綠色，裝配件中記為XX_XXXXX_XXX.1；實例化零件圖標第2個齒輪顯示為黃色（無上下文鏈接的）或灰色，裝配件中記為XX_XXXXX_XXX.n，n表示第幾個實例零件。

在關聯(lián)設計過程中的加/解鎖：在關聯(lián)設計環(huán)境中由于所有設計人員在相同的環(huán)境下并行工作，所有數(shù)據(jù)都有被同時打開、查看、引用的可能。同時為了保證數(shù)據(jù)同步時的正確性，系統(tǒng)要求在編輯修改數(shù)據(jù)時，必須對數(shù)據(jù)對象加鎖，否則數(shù)據(jù)無法保存到系統(tǒng)中。當數(shù)據(jù)修改完成后可以對數(shù)據(jù)解鎖，數(shù)據(jù)凍結前必須解鎖，否則無法提升數(shù)據(jù)狀態(tài)。

所有權的傳遞：在設計過程中，設計任務是自頂向下進行分配，分系統(tǒng)或子系統(tǒng)的負責人建立分系統(tǒng)或子系統(tǒng)的零組件結點單元，然后把所有權傳遞給下游設計者，下游進行詳細設計。

系統(tǒng)與結構的關聯(lián)設計：結構設計發(fā)布系統(tǒng)所需要的定位元素，系統(tǒng)設計員根據(jù)需要，按照結構給出的接口設計自己的模型，結構進行了修改，導致系統(tǒng)定位點變動的，結構設計人員重新發(fā)布定位元素，在一定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)模型隨之更新，不需要更多的協(xié)調(diào)工作。

4 流程管控及數(shù)據(jù)發(fā)放

為了方便平臺上的其他相關設計員了解模型的設計進程，模型引入了成熟度這一概念。模型的成熟度標識飛機產(chǎn)品數(shù)字模型在設計過程中的完善狀態(tài)和詳細程度。使用成熟度的好處在于，在關聯(lián)設計中，使下游設計員及時了解上游狀態(tài)。其中成熟度從MA1（概念狀態(tài)）→→→MA7（發(fā)圖狀態(tài)）體現(xiàn)了模型逐漸細化完善的過程。

圖4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)的發(fā)放流程

模型發(fā)放流程如圖4所示，模型升級為MA7狀態(tài)后檢入到WINDCHILL平臺進行審簽，通過各專業(yè)的校對，審核后送交工藝審查后生成對外發(fā)放模型，發(fā)放至工廠。向工廠發(fā)送頂圖，工廠按頂圖編號及其版本和架次有效性信息按全機坐標組成大部件，大部件標簽可以采用大部件識別編號+架次信息編號［12］。所發(fā)放的模型中包含頂圖的EBOM產(chǎn)品結構樹，通常類似于目錄表，產(chǎn)品配套清單；裝配單元，裝配單元包含裝配件EBOM（類似于細目表）、三維標注模型；零件單元，零件單元包括三維實體模型和三維標注信息；工程物料清單，這是為了更好地進行工藝分解，并對產(chǎn)品結構樹進行補充。

5 結語

數(shù)字化關聯(lián)設計方法已經(jīng)在國內(nèi)各型飛機的研制中取得了廣泛應用，該設計方法已經(jīng)形成較為成熟的飛機設計體系，這種新模式、新理念更加重視協(xié)同合作，依賴日趨成熟的網(wǎng)絡平臺技術，擁有廣闊的發(fā)展前景。