航空發(fā)動機外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計

中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責任公司 羅 敏

外部管路是航空發(fā)動機的血脈，數(shù)量很多、形狀各異，負責為發(fā)動機輸送燃料、液壓油、氣體等工作介質(zhì)。由于外部管路空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多采用焊接工藝。在外部管路組件的成型與焊接過程中，工裝是必不可少的。據(jù)統(tǒng)計,每個型號發(fā)動機外部管路的專用工裝數(shù)量都在200套以上。目前，國內(nèi)航空發(fā)動機制造公司面臨著多種型號飛機同時研制及批量生產(chǎn)的問題，而且研制過程中，外部管路零件改型頻繁，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，生產(chǎn)準備時間一般要占整個研制周期的50%以上，而工裝的設(shè)計制造又占生產(chǎn)準備時間的50%～70%[1]，因此減少外部管路工裝設(shè)計、制造周期是減少生產(chǎn)準備周期的關(guān)鍵。

工裝設(shè)計是外部管路研制過程中的重要環(huán)節(jié)，目前工裝設(shè)計存在的主要問題是：

(1)外部管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異，因此工裝種類多、需求量大。

(2)工裝開發(fā)的進度直接影響產(chǎn)品制造。

(3)工裝的設(shè)計模式還是沿用傳統(tǒng)的習慣，已經(jīng)不能適應(yīng)對產(chǎn)品制造快速反應(yīng)的要求。

(4)工裝設(shè)計與工藝設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計脫節(jié)，工裝設(shè)計未能充分利用外部管路三維產(chǎn)品模型。

(5)以模擬量傳輸協(xié)調(diào)各工藝環(huán)節(jié)的“串行工程”模式嚴重阻礙了外部管路制造質(zhì)量的提高及研制周期的縮短。

(6)外部管路工裝作為一種專業(yè)化產(chǎn)品，需要豐富的設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計人員的經(jīng)驗和技能將直接影響產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)果。但是設(shè)計知識與設(shè)計經(jīng)驗的傳承和積累缺少平臺。

為此，要采用數(shù)字化的手段，以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件和三維數(shù)字化設(shè)計軟件為基礎(chǔ)，搭建外部管路數(shù)字化工裝設(shè)計系統(tǒng)；確定工藝工裝設(shè)計業(yè)務(wù)協(xié)同管理方案，實現(xiàn)單一數(shù)據(jù)源的工藝工裝設(shè)計并行工作模式；將數(shù)據(jù)管理和流程管理推廣到外部管路工裝設(shè)計的各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)工裝設(shè)計流程及更改流程的有效管理；將全三維數(shù)字化產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)MBD 應(yīng)用于工裝設(shè)計，通過工裝設(shè)計知識經(jīng)驗的積累和重用，以及工裝設(shè)計的模塊化應(yīng)用，實現(xiàn)工裝快速設(shè)計，達到設(shè)計的標準化和規(guī)范化[2]。

1 外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計的技術(shù)方案

1.1 外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計的愿景目標

目前，航空發(fā)動機外部管路已經(jīng)實現(xiàn)了基于電子樣機的數(shù)字化設(shè)計與制造，并且實現(xiàn)了三維數(shù)字化模型在Teamcenter共享平臺的發(fā)布，這就為基于管路三維模型的工裝全三維數(shù)字化設(shè)計提供了依托。

外部管路工裝的數(shù)字化設(shè)計是采用數(shù)字量傳遞方式，將模塊化設(shè)計的理念應(yīng)用到工裝設(shè)計中，通過對工裝的模塊化分類應(yīng)用，實現(xiàn)工裝設(shè)計知識和經(jīng)驗的積累和重用[3]。在Teamcenter共享平臺下建立工裝資源庫，實現(xiàn)工裝數(shù)據(jù)查詢、參考和重用，實現(xiàn)工裝上游數(shù)據(jù)的有效管理和狀態(tài)控制，促進工裝的創(chuàng)新設(shè)計，實現(xiàn)工藝工裝設(shè)計的快速并行協(xié)同作業(yè)，從而達到縮短外部管路設(shè)計制造周期、改進質(zhì)量、減少成本的目的。具體要實現(xiàn)下面幾個目標：

(1)提高工裝標準化、系列化程度。針對外部管路零件的分類，把其常用工裝擴充為企業(yè)標準，減少工裝設(shè)計工作量，簡化工裝制造工藝。

(2)建立外部管路零件工裝資源庫。建立統(tǒng)一的企業(yè)級工裝數(shù)據(jù)庫，產(chǎn)品設(shè)計、工裝設(shè)計、工藝編制、數(shù)控加工、工具管理等部門可以方便地對工裝數(shù)據(jù)查詢和重用，提高效率、節(jié)省成本。

(3)實現(xiàn)外部管路工裝的基于MBD 的全三維協(xié)同設(shè)計和可視化驗證。工裝設(shè)計人員、工藝人員、數(shù)控編程人員等可以在統(tǒng)一的數(shù)字化平臺中協(xié)同、同步工作，直接應(yīng)用管路全三維數(shù)字化模型或工序模型進行外部管路工裝的裝夾、檢測、加工等工裝的設(shè)計和驗證，檢驗和改進工藝方法。同時還可提升工裝技術(shù)人員的三維設(shè)計水平和創(chuàng)新能力，促進設(shè)計經(jīng)驗的積累與傳承。

1.2 外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計的系統(tǒng)構(gòu)架

外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計的系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。該系統(tǒng)由底層的Teamcenter 軟件管理平臺和NX工裝設(shè)計應(yīng)用工具組成。底層是數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)構(gòu)架，為實現(xiàn)工藝工裝的協(xié)同作業(yè)及工裝設(shè)計知識的重用提供保障，使與工裝設(shè)計有關(guān)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及知識積累，包括設(shè)計過程中對外部管路工裝設(shè)計知識固化、歸納、總結(jié)后建立的各類工裝數(shù)據(jù)庫，如基于系列外部管路工裝總結(jié)的典型工裝模板數(shù)據(jù)、二次開發(fā)的外部管路常用工裝標準件庫、典型設(shè)計形狀庫，以及長期積淀形成的工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，都將統(tǒng)一管理在Teamcenter 管理平臺上，實現(xiàn)共享。NX工裝設(shè)計應(yīng)用工具是NX 三維應(yīng)用軟件系統(tǒng)，它由工裝三維設(shè)計所需的基本功能和專業(yè)模塊組成，包括基本的NX 文件處理、三維建模、裝配、設(shè)計驗證等方面的功能，以及針對各種夾模具工裝設(shè)計所需功能，同時提供二次開發(fā)的工具(如OPEN/API、Block Style 以及KF等)功能模塊，用于開發(fā)外部管路專用的工裝設(shè)計應(yīng)用工具。

圖1 外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計的系統(tǒng)構(gòu)架Fig.1 System architecture of external pipeline tooling digital design

2 外部管路工裝數(shù)據(jù)庫的建立

外部管路工裝的數(shù)字化設(shè)計需要強大的數(shù)據(jù)庫支持，因此構(gòu)建工裝數(shù)據(jù)庫是工裝數(shù)字化設(shè)計的重要組成部分。工裝數(shù)據(jù)庫包括：典型工裝模板庫、工裝標準件庫、典型工裝單元構(gòu)件庫、工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、典型形狀庫(UDF)、工裝設(shè)計知識庫。

2.1 典型工裝模板庫

典型工裝模板是基于具有代表性的一系列工裝總結(jié)而成。航空發(fā)動機外部管路雖然千變?nèi)f化，但是其基本構(gòu)成單元相似，由空間結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管、接頭、三通、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的法蘭等組成，外部管路結(jié)構(gòu)類型大致分為帶接頭無方向類導(dǎo)管、帶三通類導(dǎo)管、帶彎頭類導(dǎo)管及帶法蘭復(fù)雜結(jié)構(gòu)導(dǎo)管4類。通過對外部管路典型結(jié)構(gòu)零件的工裝進行歸納、總結(jié)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使工裝功能結(jié)構(gòu)固化，形成基于4類外部管路的典型工裝設(shè)計模板，它將NX軟件的參數(shù)化應(yīng)用充分融入到工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)當中，使其成為可重復(fù)使用的模板，當設(shè)計人員需要進行類似的新的工裝設(shè)計時，可以基于已經(jīng)定義好的外部管路工裝設(shè)計模板，給定新參數(shù)，系統(tǒng)自動變更工裝模型數(shù)據(jù)，得到新的工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)，快速完成外部管路新工裝設(shè)計。

建庫前需對外部管路典型工裝模板加以定義，采用參數(shù)化方法建立三維工裝模型，由于相同系列元件具有相同的拓撲結(jié)構(gòu)和不同的尺寸參數(shù)，對同一系列的外部管路可使用同一個三維工裝實體模型，不同的實際尺寸由存儲在數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)表來提供。針對典型模板庫編制命名、分類、編碼規(guī)則，根據(jù)工裝功能要求，通過調(diào)用庫中的標準件、組件，并且添加一定數(shù)量的專用件，有機拼裝，并且運用參數(shù)化技術(shù)在拓撲結(jié)構(gòu)相似的情況下以參數(shù)驅(qū)動，快速實現(xiàn)外部管路工裝設(shè)計、出圖。

外部管路典型工裝模板庫包括典型夾具庫、典型管路彎曲模具庫以及典型量具庫，典型工裝模板庫需要在實際工作中逐步完善和豐富。

圖2是外部管路裝配定位焊接夾具典型模板，該模板共有L1、L2、L3、α等4個參數(shù)，使用者根據(jù)產(chǎn)品需要，對應(yīng)產(chǎn)品尺寸，輸入相應(yīng)的零件參數(shù)，模塊化軟件平臺就會自動生成需要的工裝三維、二維產(chǎn)品設(shè)計圖及單件產(chǎn)品圖，實現(xiàn)工裝產(chǎn)品的快速設(shè)計。

圖2 外部管路裝配定位焊接夾具典型模板Fig.2 Typical template of external pipeline assembly positioning welding tooling

2.2 工裝標準件庫

外部管路工裝準件庫包含工裝常用的國標、航標和企標的標準件。它們主要供單元構(gòu)件、工裝模板和具體工裝調(diào)用。篩選外部管路常用工裝設(shè)計用標準件，結(jié)合族表和自定義特征庫的功能建立工裝標準件庫。它是通過建立基礎(chǔ)零件為父零件，然后再在族表中定義各個控制參數(shù)來控制模型的形狀和大小。族表中的設(shè)計變量作為三維模型的參數(shù)通過添加關(guān)系使相關(guān)尺寸形成約束，從而實現(xiàn)用戶交互操作層次上的參數(shù)化設(shè)計。圖3即為國標件螺釘?shù)淖灞砑澳Ｐ蛨D。

圖3 螺釘?shù)淖灞砑澳Ｐ蛨DFig.3 Family table and model diagram of screws

這種參數(shù)化設(shè)計的策略主要優(yōu)點是不用通過編程手段實現(xiàn)機械零部件的三維參數(shù)化設(shè)計，簡單易用，縮短設(shè)計周期。對于某些標準件，可以通過NX 的功能賦予裝配屬性和相應(yīng)安裝孔位信息，使其成為智能標準件，可以實現(xiàn)自動打孔、快速裝配、孔與標準件的位置關(guān)聯(lián)等功能，從而提高設(shè)計效率。因此在標準件庫中可以建立智能標準件庫。

2.3 典型工裝單元構(gòu)件庫

在工裝模板的基礎(chǔ)上，總結(jié)外部管路工裝設(shè)計中常用的單元構(gòu)件，建立可參數(shù)化驅(qū)動的單元構(gòu)件庫。按部件的功能、結(jié)構(gòu)和連接接口等進行進一步的分析、優(yōu)化和固化，將外部管路工裝結(jié)構(gòu)分成基礎(chǔ)件、定位件、壓緊件、支承件等基本的單元構(gòu)件，形成可重用的單元結(jié)構(gòu)模板。單元構(gòu)件的生成過程是調(diào)用模塊對相應(yīng)單元構(gòu)件模板進行尺寸驅(qū)動的過程，即在零件拓撲結(jié)構(gòu)不變的情況下, 把同一系列零件中變動的尺寸參數(shù)定義為尺寸變量, 并定義出變量間的關(guān)系, 當給定不同的尺寸值時,就可得到一組拓撲結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的零件。通過用新的尺寸值對事先準備好的單元構(gòu)件模板進行尺寸驅(qū)動, 來生成一個新的構(gòu)件。每一類單元構(gòu)件對應(yīng)一個模板, 模板中存儲的是各類由約束定義的可進行參數(shù)化驅(qū)動的單元構(gòu)件參數(shù)模型。通過調(diào)用這些單元結(jié)構(gòu)，進行重新組合，可快速設(shè)計出新的工裝。圖4為外部管路的定位壓緊單元組件，圖5為外部管路接頭定位銷單元組件，圖6是外部管路支承單元組件，在外部管路的焊接夾具設(shè)計中可以直接調(diào)用這些單元構(gòu)件模板，參數(shù)化驅(qū)動后進行裝配應(yīng)用，提高設(shè)計效率。

圖4 外部管路的定位壓緊單元組件Fig.4 Positioning and pressing element of external pipeline

圖5 外部管路接頭定位銷單元組件Fig.5 Joint locating pin unit of external pipeline

圖6 外部管路支承單元組件Fig.6 Support unit of external pipeline

2.4 工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫

在外部管路工裝設(shè)計中，大量的設(shè)計是基于舊有的設(shè)計通過局部更改來完成，因而舊有的工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)對設(shè)計數(shù)據(jù)的重用和工裝設(shè)計知識的積累非常重要。對工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理需要每次完成新的工裝設(shè)計后，將新的工裝數(shù)據(jù)進行歸檔整理，以便后續(xù)使用。

外部管路工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫建立的途徑是以Teamcenter數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為平臺，新的工裝設(shè)計都在同一平臺上進行，設(shè)計完成后按照外部管路結(jié)構(gòu)類型對工裝進行分類整理與優(yōu)化，歸檔存入同一數(shù)據(jù)庫中，對于已有的工裝則通過掃描等方法錄入Teamcenter數(shù)據(jù)平臺，分類后歸入工裝數(shù)據(jù)庫。

2.5 典型形狀庫(UDF)

針對外部管路工裝設(shè)計應(yīng)用中的常用形狀進行總結(jié)，創(chuàng)建出適合的用戶自定義特征，以便在新工裝設(shè)計中能夠調(diào)用，實現(xiàn)模型的快速創(chuàng)建。在應(yīng)用時，只需要點取相應(yīng)的典型形狀，根據(jù)系統(tǒng)提示給定正確的參數(shù)，就能快速創(chuàng)建出所需要的形狀，實現(xiàn)工裝的快速設(shè)計。

2.6 工裝設(shè)計知識庫

外部管路工裝設(shè)計知識庫包括：工裝設(shè)計的標準和規(guī)范、典型工裝設(shè)計流程總結(jié)文檔、設(shè)計應(yīng)用案例等，這些設(shè)計知識是設(shè)計人員長期積累總結(jié)出來的最佳實踐。它既可為工裝設(shè)計提供參考，也可用于新來人員的學習，幫助他們快速掌握工裝設(shè)計的技能。

外部管路工裝數(shù)據(jù)庫要有專用的管理工具，需要具備知識查詢、瀏覽，以及對知識庫進行維護的功能。

3 外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計流程

圖7是外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的流程圖，具體過程是：

(1)設(shè)計人員接收設(shè)計任務(wù)，在Teamcenter數(shù)據(jù)平臺中搜索對應(yīng)的外部管路零件的三維數(shù)字化模型。

(2)根據(jù)外部管路零件的類型，進入工裝數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)，查詢Teamcenter 中的工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中是否有類似工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

(3)如果沒有類似工裝，則轉(zhuǎn)入下一步。如果有類似工裝，則打開類似工裝，利用智能標準件庫應(yīng)用工具調(diào)用智能標準件，利用NX 軟件的功能調(diào)用工裝標準件，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中各類模塊化工裝單元構(gòu)件等，對調(diào)用的工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行更改，得到新的外部管路工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進行新工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)的歸檔。

(4)查詢是否具有類似模板。

(5)如果沒有類似模板，則轉(zhuǎn)入下一步。如果有類似模板，利用外部管路典型工裝模板應(yīng)用工具，打開模板，進行參數(shù)的更改，得到新的工裝模型數(shù)據(jù)，進行新工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)的歸檔。

(6)查詢是否具有類似設(shè)計向?qū)Чぞ摺?/p>

(7)如果沒有類似設(shè)計向?qū)Чぞ?，則轉(zhuǎn)入下一步。如果有類似設(shè)計向?qū)Чぞ?，則啟動該工裝設(shè)計向?qū)?，進行新工裝的設(shè)計，得到新的工裝模型數(shù)據(jù)，進行新工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)的歸檔。

(8)如果沒有類似設(shè)計向?qū)Чぞ?，則利用智能標準件庫應(yīng)用工具調(diào)用智能標準件，利用NX 軟件的功能調(diào)用工裝標準件、工裝單元構(gòu)件等，設(shè)計新的定位壓緊專用件,進行新工裝的設(shè)計，得到新的外部管路工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并將新工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)歸檔。

圖7 外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)的流程圖Fig.7 Flow chart of application system of external pipeline tooling digital design

(9)將新工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行歸檔， 放入Teamcenter的工裝產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫中，并將相關(guān)數(shù)據(jù)返回到工藝設(shè)計系統(tǒng)。在進行工裝設(shè)計的過程中，任何時候都可利用工裝設(shè)計知識庫管理工具查看和利用工裝設(shè)計知識庫中的內(nèi)容。

這樣，利用Teamcenter平臺中經(jīng)過長期積累歸納形成的的各類工裝設(shè)計知識數(shù)據(jù)庫及NX工裝設(shè)計應(yīng)用工具，實現(xiàn)工裝設(shè)計知識的重用，形成新的外部管路工裝設(shè)計產(chǎn)品，大大提高了工裝設(shè)計效率。

4 結(jié)論

外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計在統(tǒng)一的數(shù)字化工程系統(tǒng)Teamcenter平臺上，搭建數(shù)字化工裝設(shè)計系統(tǒng)，構(gòu)建工裝數(shù)據(jù)庫，建立與外部管路工藝緊密集成的工裝設(shè)計環(huán)境，使各種資源實現(xiàn)共享，實現(xiàn)工裝與工藝的協(xié)同。

通過外部管路工裝數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，提供統(tǒng)一的工裝模板、標準件，方便對工裝數(shù)據(jù)查詢，實現(xiàn)工裝設(shè)計的知識管理和重用，減少工裝設(shè)計工作量，縮短外部管路工裝設(shè)計周期，節(jié)省成本。同時，將部分工裝設(shè)計知識通過二次開發(fā)的形式置入工裝設(shè)計軟件應(yīng)用系統(tǒng)，提高工裝創(chuàng)新設(shè)計的能力。

外部管路工裝數(shù)字化設(shè)計，增強了工裝產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理，保證工裝數(shù)據(jù)的正確性，提高工裝產(chǎn)品、標準件等重用率，減少設(shè)計變更影響，最終提高航空發(fā)動機外部管路的制造質(zhì)量。

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