飛機裝配工裝快速變更設計方法研究

周 紅，唐敦兵，康與云，2，王 強

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2.臨沂大學 信息學院，山東臨沂 276000)

(3.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術(shù)裝備設計所，四川成都 610092)

飛機裝配工裝快速變更設計方法研究

周 紅1，唐敦兵1，康與云1，2，王 強3

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2.臨沂大學 信息學院，山東臨沂 276000)

(3.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術(shù)裝備設計所，四川成都 610092)

針對飛機研制過程中頻繁設計更改造成的裝配工裝設計變更量大、質(zhì)量難以保證等問題，在分析飛機產(chǎn)品數(shù)模變更類型的基礎上，研究了工裝快速變更的方法。將自頂向下的關(guān)聯(lián)設計方法運用于工裝設計中，提高了裝配工裝設計對飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改的響應和應變能力;運用設計結(jié)構(gòu)矩陣對裝配工裝中無法做出變更響應的部分進行變更傳播預測，加快了該部分工裝變更速度。利用CAA開發(fā)了快速變更工具集，提高了裝配工裝設計更改效率。

裝配工裝;變更;自頂向下關(guān)聯(lián)設計;變更傳播

飛機研制是一個典型的多階段復雜過程，需要眾多單位協(xié)同才能高效完成任務，形成了邏輯上統(tǒng)一、物理上分布的并行協(xié)同研制環(huán)境。飛機并行協(xié)同研制是對飛機產(chǎn)品及其相關(guān)過程(包括制造過程和保障支持)進行并行、集成化處理的系統(tǒng)方法和綜合技術(shù)［1］。它作為一種新型的研制方式能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短研制周期。它要求飛機產(chǎn)品設計與工藝設計、生產(chǎn)準備、采購、生產(chǎn)等種種活動并行交叉進行。

飛機裝配工裝是飛機及其部件和鍛件在鉚接、焊接、膠接、檢驗和精加工等過程中，控制其形狀幾何參數(shù)所使用的起定位作用的專用工藝裝備［2］，在飛機生產(chǎn)準備中占有很大比重，具有零件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復雜、體積龐大、裝配位置準確度要求高等特點。飛機研制過程要求工裝設計與產(chǎn)品設計并行，但飛機產(chǎn)品從初始設計到定型修改頻繁，為了適應飛機產(chǎn)品的變更，工裝必須變更，從而導致工裝內(nèi)部零部件的變更傳播［3］。文獻［4］提出了約束結(jié)構(gòu)樹的概念和構(gòu)建方法來對變更傳播進行推理，但約束結(jié)構(gòu)樹構(gòu)建復雜，需要投入大量的人力。文獻［5］針對數(shù)字標工位置和尺寸的修改，提出了裝配工裝變形設計方法。但是大多數(shù)協(xié)調(diào)部位是不需要另外設計出數(shù)字標工［6］，并且這種方法對特征刪除、增加或結(jié)構(gòu)改變的情況沒有提出有效的解決措施。

本文在以上研究的基礎上，利用自頂向下關(guān)聯(lián)設計方法設計飛機裝配工裝，并在此基礎上對裝配工裝零件變更傳播展開深入研究。

1 工裝變更情況描述

飛機制造大型工裝主要由骨架、定位器和輔助裝置組成，前兩者構(gòu)成工裝的主體。骨架是工裝的基體，主要用于定位器的固定和支撐，同時確保這些元件空間位置的準確性和穩(wěn)定性。定位器是用于固定和壓緊工件，以保證產(chǎn)品幾何參數(shù)或尺寸要素的元件，包括工作件和支撐件。輔助裝置包括產(chǎn)品支撐調(diào)整裝置、產(chǎn)品進出架吊運裝置、工作架和工作梯等［2］。為了保證工裝的定位精確度和開敞性等，骨架和定位器的設計均需要以飛機產(chǎn)品數(shù)模為參考依據(jù)。

工裝設計人員根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模并結(jié)合工裝訂貨單的訂貨要求，確定用于工裝定位器設計的定位特征以及用于骨架設計的布局特征，通常情況下定位特征都是產(chǎn)品數(shù)模中的定位基準，這樣可以避免尺寸鏈計算等工作。布局特征根據(jù)工裝設計的開敞性以及人機工程等因素選擇。下面把定位特征和布局特征統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)特征。協(xié)調(diào)特征與裝配工裝零部件直接發(fā)生約束關(guān)系，所以飛機產(chǎn)品數(shù)模中協(xié)調(diào)特征的變更很大程度上決定了裝配工裝的變更，因而在研究裝配工裝變更之前亟需對產(chǎn)品數(shù)模協(xié)調(diào)特征的變更類型進行研究。

本文將產(chǎn)品數(shù)模協(xié)調(diào)特征和布局特征的變更分為以下兩類:(1)產(chǎn)品協(xié)調(diào)特征發(fā)生一定程度的形狀或位置的變化，如產(chǎn)品外形曲面參數(shù)變更和占位面位置偏移等，導致工裝相應結(jié)構(gòu)的位置和尺寸變更;(2)產(chǎn)品協(xié)調(diào)特征刪除、增加或結(jié)構(gòu)變化，如圓孔變?yōu)榉娇椎?，導致工裝局部結(jié)構(gòu)的重新設計。針對第一種情況，引入自頂向下的關(guān)聯(lián)設計方法，能夠?qū)崿F(xiàn)自動變更;針對第二種情況，引入設計結(jié)構(gòu)矩陣來對由產(chǎn)品數(shù)模的變更引起的工裝零件變更傳播做出預測?？傮w方案流程圖如圖1所示。

圖1 總體方案流程圖

2 自頂向下關(guān)聯(lián)設計

2.1 自頂向下關(guān)聯(lián)設計方法原理

關(guān)聯(lián)設計技術(shù)是在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)和CAD設計技術(shù)支持下，建立上下游設計輸入輸出間驅(qū)動和約束關(guān)系的技術(shù)。關(guān)聯(lián)設計是一種特殊形式的參數(shù)設計方法，表現(xiàn)上游設計對下游設計的影響，其驅(qū)動參數(shù)為上游設計的幾何特征(如點、線、面、坐標系等)。關(guān)聯(lián)設計可以抽象為公式:y=f(x)，其中x為上游設計給下游設計的輸入，y為建立在上游設計輸入基礎上的下游設計輸出，f為上下游設計之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系［4］。

自頂向下的關(guān)聯(lián)設計方法作為關(guān)聯(lián)設計的一種，在運用它時需引入2個概念:接口和骨架［7］。將需要重用的幾何特征(點、線、面)都提取到一個零件模型中，這些幾何特征就相當于是“接口”，而這個零件模型就是“骨架”，為了避免與起支撐作用的骨架相混淆，本文將該零件稱為協(xié)調(diào)零件。幾何特征信息只能從協(xié)調(diào)零件傳遞給工裝零部件，而工裝零部件中的設計信息不能傳遞到該零件模型中，以保證該零件模型的柔韌性和健壯性。

2.2 關(guān)聯(lián)逐級傳遞方法

為實現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)調(diào)特征對工裝零部件的幾何映射，在文獻［5］中提出的逐級關(guān)聯(lián)拷貝算法的基礎上，提出了一種基于飛機產(chǎn)品數(shù)模的關(guān)聯(lián)逐級傳遞方法，如圖2所示。

圖中Ω表示產(chǎn)品裝配工藝對產(chǎn)品數(shù)模協(xié)調(diào)特征的選取，通常在CAD模型中有定義或憑借工裝設計者經(jīng)驗判斷;λ為提取操作，提取是對上級幾何的帶鏈接的復制粘貼，且其上級幾何只能為點、線、面;χ為關(guān)聯(lián)拷貝操作，關(guān)聯(lián)拷貝是下級幾何對上級幾何的引用，并實時保持下級幾何的拓撲結(jié)構(gòu)和位置姿態(tài)與上級幾何一致;τ為基準驅(qū)動;γ為約束驅(qū)動。

圖2 關(guān)聯(lián)逐級傳遞

首先工裝設計者在工裝三維模型的根目錄下插入一個協(xié)調(diào)零件，然后將選定的產(chǎn)品數(shù)模的協(xié)調(diào)特征提取到協(xié)調(diào)零件中，形成關(guān)鍵幾何。部分關(guān)鍵幾何需要從協(xié)調(diào)零件關(guān)聯(lián)拷貝到工裝的設計零件中形成衍生關(guān)鍵幾何，作為工裝零件特征建?；鶞剩粋€關(guān)鍵幾何可能被多個工裝零部件引用，形成多個衍生關(guān)鍵幾何;另外的部分關(guān)鍵幾何則直接與工裝零部件發(fā)生約束關(guān)系，通過約束驅(qū)動工裝零部件。當產(chǎn)品數(shù)模發(fā)生更改后，用新的協(xié)調(diào)零件替換原有的協(xié)調(diào)零件，可以選擇替換后保持原零件的所有關(guān)聯(lián)關(guān)系，則舊版協(xié)調(diào)零件中的關(guān)鍵幾何就會被新版協(xié)調(diào)零件中發(fā)布名稱相同的關(guān)鍵幾何所替換，所對應的衍生關(guān)鍵幾何就成了對新版協(xié)調(diào)零件中的關(guān)鍵幾何的關(guān)聯(lián)拷貝，發(fā)生相應的變更，工裝零部件在基準驅(qū)動和約束驅(qū)動下發(fā)生自適應變更。圖3所示為工裝零件在衍生關(guān)鍵幾何的基準驅(qū)動下發(fā)生自適應變更。

圖3 工裝零件自適應變更

上述設計方法通過引入?yún)f(xié)調(diào)零件實現(xiàn)了對關(guān)鍵幾何的統(tǒng)一管理，讓比較新舊版本協(xié)調(diào)零件中關(guān)鍵幾何成為了可能;避免了關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)丟失，以及幾何鏈接交叉導致的大型模型中循環(huán)更新等問題;且無需將產(chǎn)品模型調(diào)入工裝設計環(huán)境，減少了計算機內(nèi)存負載;同時也為工裝變更預測的實施奠定了基礎。

3 裝配工裝變更預測

3.1 設計結(jié)構(gòu)矩陣

設計結(jié)構(gòu)矩陣(DSM)是Steward［8］開發(fā)出的用于對產(chǎn)品開發(fā)過程進行規(guī)劃和分析的矩陣工具。它分為布爾型DSM和數(shù)字型DSM，本文使用布爾型DSM，它是指在矩陣的單元格中以二值的形式進行標示 (如:“X”和空白，或者“0”和“1”)。圖4所示為布爾型DSM的簡單示意圖。任意一個行元素和任意一個列元素對應的單元格的標識符表示這兩個元素之間的有向聯(lián)系:如果位于對角線下方的單元格被表示符“X”填充，則表示這兩個元素之間有正向聯(lián)系，如果該單元格中為空白，則表示這兩個元素之間沒有正向聯(lián)系;如果位于對角線上方的單元格被標識符“X”填充，則表示這兩個元素之間有反向聯(lián)系，如果該單元格中為空白，則表示這兩個元素之間沒有反向聯(lián)系;對角線單元格沒有意義，用“－”表示。

圖4 布爾型DSM的簡單示意圖

3.2 變更預測方案

在用CATIA構(gòu)建三維工裝模型時，零件之間存在的主要關(guān)聯(lián)關(guān)系就是引用關(guān)聯(lián)和約束關(guān)聯(lián)，這兩種關(guān)聯(lián)都是通過對零件之間特征的操作實現(xiàn)的。一個零件內(nèi)部的不同特征之間也存在著尺寸及位置等關(guān)聯(lián)關(guān)系。兩個相關(guān)聯(lián)的零件，當其中一個變更時，另一個不一定變更。如圖5所示，Part1與Part2，Part2與Part3分別存在約束關(guān)系，當圖5(a)中的Part3由圓柱變?yōu)?(b)中的方柱時，Part2受到變更影響需要做出相應的更改，但Part2的變更不會影響到Part1。這是因為Part2中與Part1發(fā)生關(guān)聯(lián)的特征和與Part3發(fā)生關(guān)聯(lián)的特征之間不存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此構(gòu)建參與關(guān)聯(lián)的特征之間的設計結(jié)構(gòu)矩陣比零件之間的設計結(jié)構(gòu)矩陣更能夠有效地預測工裝變更傳播。但是由于工裝零件數(shù)量很多，每個零件至少有一個特征參與關(guān)聯(lián)，所以參與關(guān)聯(lián)的特征數(shù)很多;而且參與關(guān)聯(lián)的特征都沒有特定的名稱，所以構(gòu)建關(guān)聯(lián)特征DSM的難度非常大。

圖5 零件變更影響分析

利用設計結(jié)構(gòu)矩陣分析變更傳播過程如下:首先比較新舊版本的協(xié)調(diào)零件中的關(guān)鍵幾何，分別找出結(jié)構(gòu)改變和增加或減少的關(guān)鍵幾何，查詢與結(jié)構(gòu)改變關(guān)鍵幾何直接關(guān)聯(lián)的工裝零件作為接下來變更傳播分析的更改源;然后構(gòu)建工裝零件之間的DSM，得到可能受變更傳播影響的零件，再將零件之間的約束關(guān)系細化到特征來確定該零件是否受變更傳播影響，先模糊判斷然后再精確判定。這樣可以避免構(gòu)建關(guān)聯(lián)特征DSM，只針對特定的情況做出分析。對于關(guān)鍵幾何增加的情況，向工裝設計者做出有效的提示。

3.3 變更預測的實施

某工裝總裝的組成結(jié)構(gòu)及零件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖6所示，單向箭頭的曲線表示協(xié)調(diào)零件中關(guān)鍵幾何與工裝零件存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示只有關(guān)鍵幾何變更能對工裝零件產(chǎn)生影響，反之不成立;雙向箭頭的曲線表示工裝零件之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，表示相關(guān)聯(lián)的工裝零件之間是相互影響的。首先提取出工裝零件與協(xié)調(diào)零件中關(guān)鍵幾何的關(guān)聯(lián)關(guān)系:F1→P5，F(xiàn)2→P10，F(xiàn)3→P9，F(xiàn)4→P15。然后構(gòu)建工裝零件之間的設計結(jié)構(gòu)矩陣，如圖7所示。

圖6 工裝零部件結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)樹

圖7 工裝零件DSM

當關(guān)鍵幾何F2的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時，變更預測方法，如圖8所示，由于變更零件數(shù)量太多，所以做了部分省略。上面一行表示的是從工裝零件設計結(jié)構(gòu)矩陣中獲得的零件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，下面一行是把零件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系細化到零件的特征，如P10與P3的關(guān)聯(lián)被細化到了P10中特征F102與P3中特征F31相關(guān)聯(lián)，在對特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析中使用了類開關(guān)網(wǎng)絡模型［9］。每兩個特征之間的連線對應著變量Xi作為該邊的權(quán)，Xi可以看成該邊上的接觸開關(guān)，當開關(guān)接通時取1，否則取0。例如，F(xiàn)101是Part10中與關(guān)鍵幾何F2產(chǎn)生關(guān)聯(lián)的特征，所以F2與F101的連線的權(quán)為1。如果X10為1則表示P10的特征F101與F102之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，由于F102與F31之間連線的權(quán)值為1，則變更影響會被傳遞到F31，即Part3需要變更;反之則變更影響只是傳遞到P10為止。依次對可能受變更傳播影響的零件內(nèi)部分別與前后零件相關(guān)聯(lián)的特征的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行分析，如果關(guān)聯(lián)則變更傳播繼續(xù)，反之則變更傳播就到該零件為止。變更傳播中會存在很多分支，需要對每個分支進行分析，直至所有分支的變更傳播停止。

圖8 變更傳播分析的類開關(guān)網(wǎng)絡圖

4 開發(fā)工具介紹與實例分析

4.1 開發(fā)工具介紹

本文使用組件應用架構(gòu)(Component Application Architecture，CAA)C++技術(shù)，在CATIA中開發(fā)飛機裝配工裝快速變更工具集，包括協(xié)調(diào)零件關(guān)鍵幾何快速發(fā)布、關(guān)鍵幾何對比、變更傳播預測等工具。CAA C++是CATIA的一整套C++函數(shù)庫，該函數(shù)庫在 CATIA運行時加載，通過安裝RADE(RapidApplicationDevelopmentEnvironment)模塊，用戶可以在VC++編程環(huán)境下編制程序，與CATIA進行通信。

4.2 工裝快速變更實例分析

飛機的中后機身與后機身的鏈接裝配工裝快速變更如圖9所示，飛機產(chǎn)品數(shù)模發(fā)生了如下更改:①后機身的外形面發(fā)生更改;②中后機身和后機身的對接位置STA01向右偏移。將飛機的外形面和占位STA01提取到協(xié)調(diào)零件中形成關(guān)鍵幾何，再將關(guān)鍵幾何關(guān)聯(lián)拷貝到工裝中作為衍生關(guān)鍵幾何來指導工裝中支撐車托架的設計。當后機身外形面和占位STA01位置改變后，在關(guān)聯(lián)關(guān)系的驅(qū)動下衍生關(guān)鍵幾何也發(fā)生更改，將變更后的衍生關(guān)鍵幾何鏈接入工裝中，則托架在基準驅(qū)動的作用下發(fā)生自適應變更。在飛機產(chǎn)品數(shù)模變更①的驅(qū)動下，高度a和高度b都變小，同時支撐后機身的托架的弧度也發(fā)生了改變;在變更②的驅(qū)動下，基準孔定位柱的位置向右發(fā)生了偏移。

圖9 中后機身與后機身對接裝配工裝快速變更

通過對零件以及對應特征之間的關(guān)聯(lián)分析可以得到受變更傳播影響的零件。以后機身外形變更為例，得到受變更傳播影響的零件，如圖10所示。在“關(guān)鍵幾何”的選項框中，可以選擇任何一個協(xié)調(diào)零件中發(fā)布的關(guān)鍵幾何，程序可以自動在下面的列表中列出受該關(guān)鍵幾何變更影響的工裝零件?！懊?”即為后機身外形面的發(fā)布名稱，序號“1，2，3，4”所對應的分別為受后機身外形面變更影響的零件。

5 結(jié)束語

本文在分析飛機產(chǎn)品裝配工裝設計方法的基礎上，提出了產(chǎn)品數(shù)模協(xié)調(diào)特征的概念，用作工裝設計的參考依據(jù)。針對不同的協(xié)調(diào)特征變更類型，提出了工裝快速變更的實現(xiàn)方案。下一步將研究如何直接構(gòu)建關(guān)聯(lián)特征之間的設計結(jié)構(gòu)矩陣，并利用該矩陣對零件的變更傳播進行預測，同時利用VPM來研究工裝零件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

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Research on Rapid Design Change of Aircraft Assembly Tooling

ZHOU Hong1，TANG Dunbin1，KANG Yuyun1，2，WANG Qiang3
(1.Nanjing University of Aeronautics＆ Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)
(2.Linyi University，Shandong Linyi，276000，China)
(3.Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co.，LTD，Sichuan Chengdu，610092，China)

In the course of aircraft development，frequent design changes result in design changes of assembly tooling.Based on the analysis of different change types of aircraft products，it proposes different solutions to achieve rapid change of tooling design.It applies top－down correlation design to assembly tooling design，realizes rapid response and modification in tooling design to product changes.On this basis，Design Structure Matrix(DSM)is employed to make change propagation predictions of assembly tooling design which can＇t response to product changes.The application of this method shows that it can achieve the increasing speed of the assembly tooling design change，improve the change efficiency of assembly tooling design.

Assembly Tooling;Design Change;Top－down Correlation Design;Change Propagation

TH122

A

2095－509X(2013)04－0008－06

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.003

2012－12－25

江蘇省產(chǎn)學研前瞻項目(SBY201220116);國家自然科學基金資助項目(51175262);江蘇省杰出青年基金資助項目(SBK201210111)

周紅(1988—)，女，江蘇蘇州人，南京航空航天大學碩士研究生，主要研究方向為現(xiàn)代集成制造。