航空發(fā)動機典型量檢具參數(shù)化設計

馬 奔，安魯陵，衛(wèi) 煒

MA Ben, AN Lu-ling, WEI Wei

（南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

0 引言

在航空發(fā)動機量檢具的設計過程中，設計人員在每次設計同一類量檢具時會重復做一些以往設計中做過的工作，比如同一類量檢具只是尺寸大小和公差不同，每次設計都要重新畫圖和標注，這不僅浪費了設計時間，還加大了設計人員的勞動強度，為了達到知識的重用、提高設計的效率和縮短產(chǎn)品設計周期，結合某航空發(fā)動機制造公司的實際需求，研究典型量檢具的參數(shù)化設計技術，在Unigraphics平臺上，應用二次開發(fā)工具UG/Open開發(fā)航空發(fā)動機典型量檢具的參數(shù)化設計系統(tǒng)。

參數(shù)化設計是指參數(shù)化模型的尺寸用相對應的關系表示，而不需要用確定的數(shù)值[1]。參數(shù)化設計可以有效地提高設計的自動化水平，很好地促進和支持新產(chǎn)品的創(chuàng)新設計和快速設計，并能綜合地解決企業(yè)產(chǎn)品知識在獲取、存儲、積累、管理和再利用等環(huán)節(jié)中存在的問題。該技術經(jīng)過擴展還可以實現(xiàn)由用戶需求驅(qū)動，快速得到相似產(chǎn)品參數(shù)化模型及其關鍵參數(shù)，基于關鍵參數(shù)設計出參數(shù)組，再對產(chǎn)品參數(shù)化模型進行參數(shù)化驅(qū)動，即可以得到符合用戶需求的新產(chǎn)品實例的所有設計資料，從而填補了產(chǎn)品概念設計與詳細設計之間存在的斷層。在定單及大批量定制生產(chǎn)和要求創(chuàng)新的市場環(huán)境下，該技術對于企業(yè)的生存、競爭和發(fā)展具有格外重要的意義[2]。

本文在對四種典型量檢具的設計過程分析的基礎上，進行知識提煉，將不同系列參數(shù)的典型量檢具模型模板化。在工裝模型模板的基礎上通過參數(shù)驅(qū)動該工裝裝配模型，再由裝配模型中的參數(shù)來驅(qū)動其下零件和子裝配模型的更新，相應的，與每個零件參數(shù)關聯(lián)的工程圖，包括符合國標、企業(yè)要求的工程圖樣、尺寸標注、表面粗糙度標注、形位公差標注以及A0-A4工程圖標題框(欄)和明細表等內(nèi)容在參數(shù)驅(qū)動下變更，從而實現(xiàn)自上而下的工裝快速設計過程。

1 四種典型量檢具的參數(shù)化建模

四種典型量檢具包括：普通螺紋塞規(guī)、普通螺紋環(huán)規(guī)、圓柱直齒漸開線花鍵塞規(guī)，圓柱直齒漸開線花鍵環(huán)規(guī)。在參數(shù)化建模的過程中，要遵守以下原則：

1）每個模型的草圖要達到完全約束，不能過約束也不能欠約束，否則在后期參數(shù)化驅(qū)動過程中會導致模型更新出錯；

2）模型的所有特征達到參數(shù)化，包括初始建模的草圖以及在草圖上架構起來的特征；

3）用自上而下的方法建立裝配體模型及其下子零件的模型，即每個子零件模型的參數(shù)引用自其所在裝配模型的參數(shù)，由裝配模型的參數(shù)驅(qū)動子零件模型參數(shù)，如圖1所示。

1.1 典型量檢具的設計過程

下面以普通螺紋塞規(guī)為例，介紹量檢具的參數(shù)化設計過程。

圖1 量檢具模型參數(shù)關聯(lián)示意圖

普通螺紋塞規(guī)是用來檢驗內(nèi)螺紋是否合格的工藝裝備，工藝人員通過所要生產(chǎn)的內(nèi)螺紋產(chǎn)品的參數(shù)來設計相應的螺紋塞規(guī)，對于不同參數(shù)范圍的內(nèi)螺紋，對應不同結構的螺紋塞規(guī)，具體如表1所示。

傳統(tǒng)的設計方法是：工裝人員根據(jù)所給內(nèi)螺紋工件的螺紋參數(shù)，通過國家標準的螺紋塞規(guī)尺寸的計算方法和查詢螺紋塞規(guī)的國家標準，計算出螺紋塞規(guī)的量頭、手柄的輪廓參數(shù)及螺紋參數(shù)，然后運用二維CAD繪圖軟件，繪制工程圖，通過審核后交由生產(chǎn)部門生產(chǎn)。

上述設計方法中計算塞規(guī)參數(shù)和繪制工程圖占用設計周期時間長而且有大部分工作是重復性的，針對這一設計問題本文提出了量檢具的參數(shù)化設計思想，設計人員通過產(chǎn)品參數(shù)計算工裝參數(shù)，再由參數(shù)驅(qū)動模型模板，通過模板更新獲得想要設計的工裝產(chǎn)品的模型和二維圖，設計流程圖如圖2所示。

圖2 典型量檢具設計流程圖

表1 螺紋塞規(guī)外廓尺寸

1.2 典型量檢具的參數(shù)化模型模板的建立

在分析了量檢具的設計流程后，首先是建立工裝模型模板，由于不同工件參數(shù)對應其量規(guī)結構不同，因此按照不同的量規(guī)結構來劃分模板，如表1中普通螺紋塞規(guī)共有五種結構，將每一種結構作為一種模板來建立模型，由輸入的工件參數(shù)驅(qū)動相對應的量規(guī)模型模板。

下面以普通螺紋塞規(guī)為例介紹量規(guī)模型模板的建立，如圖3為內(nèi)螺紋公稱直徑在6～48mm的普通螺紋塞規(guī)結構示意圖，圖中標簽圓1為通端量頭，標簽圓2為止端量頭，標簽圓3為通止端一體手柄。

由圖3可知該螺紋塞規(guī)是由三個子零件組成的，首先對三個子零件分別參數(shù)化建模，本文所運用的建模CAD軟件為Unigraphics（簡稱UG），該軟件是全球主流的CAD系統(tǒng)，是計算機輔助設計、輔助制造、輔助工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（CAD /CAM / CAE / PDM）一體化的軟件系統(tǒng)之一[3]。

圖3 螺紋塞規(guī)結構示意圖

UG的參數(shù)化模型主要是通過其表達式來驅(qū)動圖形特征實現(xiàn)的，表達式實際就是圖形中的參數(shù)，UG將所有的參數(shù)集成到工具欄中的表達式模塊下，用戶可以直接使用該模塊，在模塊中修改表達式的值來實現(xiàn)模型圖形的參數(shù)化驅(qū)動。

螺紋塞規(guī)的參數(shù)化建模中，主要是通止端量頭上螺紋牙型的參數(shù)化建模，通端塞規(guī)上螺紋部分是截短的外螺紋牙型，止端塞規(guī)螺紋部分是完整的外螺紋牙型，具體如表2所示，而每一種螺紋牙型在不同的螺距范圍內(nèi)牙型也有兩種，具體如圖4所示，圖4為完整的外螺紋牙型在螺距P大于0.5mm和其他螺距值的兩種牙型。

圖4 完整的外螺紋牙型

表2 螺紋塞規(guī)結構特征表

對于螺紋塞規(guī)在不同螺距下的兩種牙型，在參數(shù)化建模中通過不同的螺距值來驅(qū)動不同的圖形特征實現(xiàn)，即在參數(shù)化建模時，一個圖形模型中建立兩種牙型的圖形特征，通過表達式中螺距的值，來決定當前模型要顯示相應螺距值的牙型，另一個牙型特征隱藏，在UG中稱為表達式抑制圖形特征。首先，建立兩種牙型的完全約束草圖，之后運用螺紋曲線的數(shù)學公式定義參數(shù)化螺紋曲線的表達式，如圖5，最后在螺紋曲線的基礎上通過拉伸掃掠等建模操作實現(xiàn)量規(guī)螺紋部分的完全參數(shù)化建模，即通過螺距，螺紋公稱直徑、螺紋中徑等螺紋基本參數(shù)來驅(qū)動螺紋曲線和牙型草圖的變化從而驅(qū)動螺紋模型的變更，圖6為完全參數(shù)化驅(qū)動的螺紋塞規(guī)通端量頭，圖左側的部件導航器顯示所有參數(shù)化圖形特征，包括被表達式抑制的螺紋牙型特征。

圖5 參數(shù)化螺紋曲線的表達式

按照上述參數(shù)化建模方法建立螺紋塞規(guī)、螺紋環(huán)規(guī)、花鍵塞規(guī)和花鍵環(huán)規(guī)的參數(shù)化模型模板。

圖6 螺紋塞規(guī)參數(shù)化模型

2 量檢具設計模板庫的建立

上述的四類量檢具中，螺紋量規(guī)包括美制螺紋量規(guī)和公制螺紋量規(guī)，四類量檢具總共有四十七種尺寸結構形式，建立的參數(shù)化模型模板較多，因此提出了構建量檢具設計模板庫，建庫可以使設計者更方便的管理查詢模型模板，便于后續(xù)添加更多要設計的工裝產(chǎn)品。

本文建庫所使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM Products Data Management）軟件是 UGS Teamcenter 2007，Teamcenter是西門子公司開發(fā)的一款產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件，它可以為各類針對專業(yè)領域的應用軟件提供基本數(shù)據(jù)管理平臺，為產(chǎn)品提供從研發(fā)到維護的全程管理[4]。

2.1 量檢具模型模板庫的分類

圖7 模型模板的分類

分類原則按照某企業(yè)工裝分類規(guī)則，如圖7所示， 首先按照工裝大類分為夾具、模具、量具、刃具，在這四大類下各有機匣、鈑焊、盤軸、葉片，每一子類下又有量規(guī)等具體工裝分類，每一種量檢具下應存放相應的模型模板。

2.2 量檢具模型模板的導入

在建立好模板庫的總體框架后，導入已建好的模型模板，在Teamcenter中導入時，只需導入裝配體文件，其下的子零件會自動導入，并默認按照模板的文件名作為ID號儲存在Teamcenter的數(shù)據(jù)庫中，在Teamcenter中，每個文件的ID號是唯一的，所以ID號也是本文參數(shù)化設計系統(tǒng)中用來查詢的關鍵字。

3 量檢具快速設計系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 量檢具結構尺寸數(shù)據(jù)庫的建立

在量檢具的傳統(tǒng)設計過程中，設計人員要往往要通過查詢國家標準獲得量檢具的結構尺寸參數(shù)，本文將量檢具的國家標準數(shù)據(jù)表錄入到數(shù)據(jù)庫中，通過設計人員輸入的工件參數(shù)來計算判斷所要查詢的數(shù)據(jù)，將獲得的參數(shù)輸入到裝快速設計系統(tǒng)中，簡化了設計人員的操作和設計思路，提高了設計效率。

3.2 量檢具參數(shù)化設計流程

量檢具參數(shù)化設計程序流程圖如圖8所示，設計人員只需通過輸入工件的參數(shù)，通過程序，最終獲得所要設計的相應的工裝。

3.3 量檢具參數(shù)化設計實例

如圖9所示，為漸開線圓柱直齒花鍵塞規(guī)的參數(shù)化設計實例，設計人員通過輸入內(nèi)花鍵的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等參數(shù)，完成花鍵塞規(guī)的設計。

4 結論

本文在分析了航空發(fā)動機量檢具傳統(tǒng)設計過程基礎上，提出了量檢具的參數(shù)化設計方法，通過參數(shù)化建模、構建模型模板庫實現(xiàn)了設計人員通過工件參數(shù)來快速實現(xiàn)量檢具的設計。相比傳統(tǒng)的工裝設計過程，省去了設計人員查詢工裝數(shù)據(jù)，繪制二維工程圖等重復性較大的設計過程，有效提高了設計的自動化水平，降低了設計人員的勞動強度，縮短了產(chǎn)品設計周期，對某航空企業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用。

圖8 量檢具參數(shù)化設計程序流程圖

圖9 花鍵塞規(guī)參數(shù)化設計實例

[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]張富官. 復合材料構件成型模具的參數(shù)化設計技術研究[D]. 南京航空航天大學, 2008.

[3]黃翔, 李迎光. UG應用開發(fā)教程與實例精解[M]. 北京：清華大學出版社, 2005： 102.

[4]Unigraphics Solutions Inc, UG WAVE, UGS Inc., 2000.