面向制造的通用飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計方法研究

趙新新 曾 銳 林 琳 /

(中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司，安徽 241000)

面向制造的通用飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計方法研究

趙新新 曾 銳 林 琳 /

(中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司，安徽 241000)

為提高裝配圖紙對生產(chǎn)的可指導(dǎo)性，實現(xiàn)總裝物料與圖紙的層級對應(yīng)，同時減少詳細(xì)設(shè)計階段各專業(yè)的沖突，對面向制造的通用飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計方法進(jìn)行了研究。結(jié)合生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行總體方案設(shè)計，確定總體參數(shù)；以裝配流程為建模結(jié)構(gòu)，在按需求配置的協(xié)同設(shè)計平臺中搭建總體骨架，進(jìn)而開展詳細(xì)三維建模工作。通過實際機(jī)型的三維建模證明，此種建模方式下設(shè)計過程中的模型沖突得到了即時解決，各分工位設(shè)計實時關(guān)聯(lián)，設(shè)計圖紙可直接指導(dǎo)生產(chǎn)裝配，大幅度縮短了研發(fā)周期。

面向制造；結(jié)構(gòu)層級；協(xié)同設(shè)計；骨架；三維建模；通用飛機(jī)

0 引言

現(xiàn)階段多數(shù)通用飛機(jī)的研制過程是按氣動、結(jié)構(gòu)、航電、液壓、燃油等系統(tǒng)劃分，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計工作[1]。各專業(yè)負(fù)責(zé)各自系統(tǒng)的三維建模工作，并生成設(shè)計物料清單(Bill of Materials,以下簡稱BOM)及二維設(shè)計圖紙。設(shè)計圖紙基本不包含裝配工藝相關(guān)的信息，與實際裝配工位往往處于多對多映射狀態(tài)。而生產(chǎn)制造階段，還要根據(jù)設(shè)計文件進(jìn)行生產(chǎn)圖紙、作業(yè)指導(dǎo)書、工卡等工藝文件的編制，工藝與設(shè)計的沖突協(xié)調(diào)較多，研制周期相對較長。

研究面向制造的三維建模，使設(shè)計圖紙裝配關(guān)系與工位組裝信息一致，明細(xì)欄物料與對應(yīng)工位所組裝物料保持一致，一份圖紙只映射一個工位。對于設(shè)計，可清楚地了解制造流程，避免了因工藝可行性導(dǎo)致的設(shè)計更改。對于生產(chǎn)，可直接導(dǎo)出制造BOM，既提高了工作效率，又可以提高制造BOM的準(zhǔn)確率。而且，在無紙化生產(chǎn)中，面向制造的三維數(shù)?？芍庇^地展示工藝流程和裝配關(guān)系，可更高效地指導(dǎo)生產(chǎn)，大大縮短研制周期。

通用飛機(jī)的設(shè)計由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要多專業(yè)共同完成，但出于飛行性能及安全性等多方面的考慮，重量重心、幾何尺寸有著嚴(yán)格的限制，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置、裝載設(shè)備的空間等提出了限制需求，導(dǎo)致各系統(tǒng)在設(shè)計過程中需要大量的協(xié)調(diào)工作。如果采用常見的設(shè)計——討論協(xié)調(diào)——修改的設(shè)計循環(huán)，雖然能達(dá)到設(shè)計協(xié)調(diào)的效果，但時間精力的消耗相對較大[2]。采用基于骨架的協(xié)同設(shè)計技術(shù)，從設(shè)計之初便考慮整個設(shè)計周期中成員之間需要協(xié)調(diào)交互的內(nèi)容。過程中，成員相互之間可以對設(shè)計進(jìn)行審閱和溝通，即時評估當(dāng)前設(shè)計的影響，實現(xiàn)全局的融合與優(yōu)化。各分系統(tǒng)設(shè)計過程中位置、尺寸等信息能夠即時協(xié)調(diào)，有效防止結(jié)構(gòu)設(shè)計的沖突，避免了因某一零件修改而導(dǎo)致大量零部件變化的重復(fù)設(shè)計工作或設(shè)計干涉。

1 面向制造的三維模型結(jié)構(gòu)

在通用飛機(jī)的總體設(shè)計階段綜合考慮制造工藝，根據(jù)設(shè)計方案，將各分系統(tǒng)作為各級子裝配劃分至相應(yīng)的裝配工位，制定出基本工位裝配流程。在搭建三維骨架模型結(jié)構(gòu)樹時，依照工位裝配信息插入節(jié)點，得到結(jié)構(gòu)樹層級與裝配流程一致的骨架模型，各分系統(tǒng)在此骨架模型下開展詳細(xì)設(shè)計工作。

詳細(xì)設(shè)計建模完成后，根據(jù)工藝可行性分析及強(qiáng)度分析、系統(tǒng)驗證后，對分系統(tǒng)在各工位的裝配流程進(jìn)行調(diào)整，得到整機(jī)的三維模型。由于建模結(jié)構(gòu)的父子級關(guān)系是按總裝流程定義的，結(jié)構(gòu)樹上每個裝配體對應(yīng)的子級都是相應(yīng)工位或分工位的一級物料；裝配體生成的圖紙即為該工位的裝配圖紙，明細(xì)欄對應(yīng)物料清單、裝配尺寸清晰明確。因此整機(jī)模型設(shè)計完成后，通過個性配置的設(shè)計平臺導(dǎo)出的BOM即為制造BOM，生成的二維圖紙可直接用于指導(dǎo)裝配，此三維模型即實現(xiàn)了面向制造化。

2 骨架模型的應(yīng)用研究

骨架模型一般由總體創(chuàng)建，包含總體結(jié)構(gòu)樹和骨架零件。結(jié)構(gòu)樹體現(xiàn)總裝裝配流程，而骨架零件包含坐標(biāo)系、總體設(shè)計的幾何信息及參數(shù)。

骨架零件分為總體骨架零件和分工序(分系統(tǒng))骨架零件兩類?？傮w骨架零件包含機(jī)體坐標(biāo)系、氣動外形、基準(zhǔn)平面、機(jī)身軸線、輪廓線等幾何信息以及其它的總體參數(shù)。各工位及各層級分系統(tǒng)骨架零件定義局部坐標(biāo)系、對接面或安裝軸線等幾何信息或用戶參數(shù)，只針對特定工序或系統(tǒng)，根據(jù)建模的實際設(shè)計需求選擇是否建立。

骨架零件定義完成后，將其固定約束在各自裝配體下，并將定義的幾何信息和用戶參數(shù)通過發(fā)布機(jī)制進(jìn)行發(fā)布，使之在整個工作域內(nèi)用戶可見，用來指導(dǎo)詳細(xì)設(shè)計。設(shè)計信息只能從骨架元素向下單向傳遞，從而保證骨架的健壯性。

3 面向制造的骨架協(xié)同建模實例

以某機(jī)型為例，細(xì)節(jié)截取機(jī)翼部分，以3D Experience為平臺，進(jìn)行面向制造的骨架協(xié)同建模研究展示。案例采用設(shè)計流程簡化如圖1所示。

3.1 飛機(jī)裝配流程的制定

按照總體方案給出的工藝方案，制定出建模用裝配流程。根據(jù)總體規(guī)劃，機(jī)翼預(yù)裝后在F6工位對接，因此將機(jī)翼的組裝劃分至F6下，而主油箱在機(jī)翼預(yù)裝工位安裝至機(jī)翼內(nèi)，因此作為機(jī)翼的子級劃分。詳細(xì)的裝配流程如圖2所示。因通用飛機(jī)實際裝配流程中有些工位是檢測工位，沒有機(jī)體物料的組裝，因此在制定建模用裝配流程時不列入流程中，檢測工位的工藝圖紙單獨(dú)編制。

3.2 項目域的定義

在平臺中建立安全性為內(nèi)部私有的項目空間，并將設(shè)計人員在該空間的角色權(quán)限進(jìn)行定義，嚴(yán)格限制數(shù)據(jù)的編輯權(quán)限。該實例中設(shè)計的自制件模型保存在該項目空間內(nèi)。項目空間配置如圖3所示。

另外，建立用于存儲外購件及標(biāo)準(zhǔn)件的項目空間，并分配相應(yīng)人員權(quán)限。

3.3 骨架模型的搭建

首先根據(jù)總體定義的坐標(biāo)要求，確定機(jī)體坐標(biāo)系。然后按照第一步劃分的裝配層級關(guān)系，建立骨架結(jié)構(gòu)樹，結(jié)構(gòu)樹中各級子裝配體按公司命名規(guī)范命名。結(jié)構(gòu)樹頂層為整機(jī)代號，按裝配的父子級關(guān)系依次插入裝配節(jié)點，結(jié)構(gòu)樹及裝配對應(yīng)關(guān)系部分示例如圖4所示。

骨架結(jié)構(gòu)樹中，每個工位或分系統(tǒng)裝配體下均建立有一個骨架零件(圖4后綴為MasterGeo的零件)，用于定義各工位分系統(tǒng)的幾何信息和參數(shù)。上圖4中總裝配體下第一個零件為總體骨架零件，定義了整機(jī)的氣動外形、各工位主要結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)的外輪廓、機(jī)體坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面等信息，如圖5所示。

以下操作過程將取機(jī)翼部分展示。機(jī)翼部分在裝配流程中處于F6的子級，因此在總體結(jié)構(gòu)樹中位于F6的下一層級(見圖4指示)。其包含的裝配包括小翼、外翼以及整流罩，依次將其作為機(jī)翼對接裝配體的子裝配插入結(jié)構(gòu)樹?；跈C(jī)翼結(jié)構(gòu)的相對復(fù)雜性，在該裝配體下創(chuàng)建骨架零件，用于定義機(jī)翼的坐標(biāo)系及對接面、基準(zhǔn)軸等幾何信息。機(jī)翼結(jié)構(gòu)樹的創(chuàng)建過程及骨架元素如圖6所示。

3.4 權(quán)限的轉(zhuǎn)移

骨架模型確定后，將骨架零件鎖定。D64-0057-20-00裝配體的責(zé)任者轉(zhuǎn)移給0126設(shè)計員。

3.5 基于骨架同步建模

0126設(shè)計員接收到設(shè)計任務(wù)后，打開機(jī)翼對接的裝配體D64-0057-20-00，根據(jù)實際設(shè)計需要在相對應(yīng)的裝配體下插入零件或部件進(jìn)行三維建模，如外翼的設(shè)計建模在D60-5721-00-00裝配體下進(jìn)行。

機(jī)翼部分的建模在總體骨架元素及機(jī)翼骨架元素的共同指導(dǎo)及約束下進(jìn)行。建模過程中可直接在骨架發(fā)布的面上繪制草圖，也可鏈接引用發(fā)布的元素。引用外部鏈接后，模型與被引用的骨架零件之間將建立鏈接關(guān)系，從而保證數(shù)據(jù)更新的即時準(zhǔn)確。外翼建模完成后，將其與小翼的對接搭接面發(fā)布，以便小翼建模時引用，如圖9所示。

小翼直接在該發(fā)布的曲面基礎(chǔ)上建模。后續(xù)若搭接長度及位置等發(fā)生更改，可同步更新。

3.6 標(biāo)準(zhǔn)件、外購件庫的建立

標(biāo)準(zhǔn)件由專門設(shè)計人員負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯總，參數(shù)化建模[3]。利用目錄庫功能建立標(biāo)準(zhǔn)件庫及外購件庫，設(shè)計人員建模中遇到組裝此類零部件時，直接從庫里引用模型，保證同一機(jī)型下同一代號的標(biāo)準(zhǔn)件/外購件有相同的鏈接。

3.7 三維模型的審查及驗證

所有分工位/分系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計建模完成后，將骨架模型進(jìn)行更新，將顯示整機(jī)的三維模型。根據(jù)詳細(xì)設(shè)計階段的評審論證，對調(diào)整了工序的零部件在結(jié)構(gòu)樹中的層級作相應(yīng)變更；對模型進(jìn)行重量重心測算、載荷校核、系統(tǒng)仿真分析、機(jī)構(gòu)模擬及干涉檢查分析[4]等，根據(jù)結(jié)果將需要更改的模型的問題反饋給責(zé)任設(shè)計員進(jìn)行更改。設(shè)計定型后，即可將數(shù)字化樣機(jī)狀態(tài)凍結(jié)。

3.8 制造信息的生成

整機(jī)數(shù)字化樣機(jī)設(shè)計定型后，從設(shè)計平臺中將整機(jī)BOM導(dǎo)出，D64-0057-20-00為F6的組裝物料，而D64-0057-20-00下設(shè)計的機(jī)翼對接零部件與D64-5721-00-00同級，為D64-0057-20-00的組裝物料，該BOM各層級內(nèi)容與工藝流程中各工位的物料一致，可直接用于總裝PE物料準(zhǔn)備工作。同時，D64-0057-20-00裝配體的圖紙即為機(jī)翼對接工位安裝圖，明細(xì)欄對應(yīng)安裝物料，方便物料的核對及正確的組裝；對接相關(guān)尺寸及位置在一份裝配圖中直

觀表達(dá)。對于工序復(fù)雜的工位，按該工位的多個系統(tǒng)分別出裝配圖紙，保證圖紙表達(dá)清晰的同時，避免同一裝配圖的重復(fù)發(fā)放。

4 結(jié)論

面向制造的建模方式，有效地將設(shè)計與工藝相結(jié)合，裝配圖紙對應(yīng)的物料明細(xì)清單即為裝配工位的組裝物料，既降低了裝配工人查看圖紙的難度，又可方便快捷地核對總裝物料，相比于傳統(tǒng)的建模方式，模型圖紙對生產(chǎn)的可指導(dǎo)性明顯提高，更為無紙化生產(chǎn)的推廣提供了有力的基礎(chǔ)。而基于骨架的三維協(xié)同設(shè)計，可實現(xiàn)各專業(yè)分系統(tǒng)的實時協(xié)調(diào)，實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)及鏈接的即時更新，有效提高了建模效率。但是，與傳統(tǒng)的建模方式相比，面向制造的骨架協(xié)同建模方式對硬件設(shè)備及軟件配置的要求較高；由于需要在建模初期制定裝配流程，對總體設(shè)計階段的要求提高，若工藝流程設(shè)計偏離過多，后期結(jié)構(gòu)樹調(diào)整工作將增大。因此，目前該建模方式只有在小型通用飛機(jī)且制造工藝相對成熟的情況下，可推廣采用。

[1] 姜維. 飛行器協(xié)同設(shè)計中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理研究與應(yīng)用[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 周安寧.協(xié)同設(shè)計技術(shù)及其在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué)，2011.

[3] 王永崗，楊利杰. CATIA三維參數(shù)化建模技術(shù)及其應(yīng)用 [J]. 機(jī)械工程師， 2014， (5): 200-202.

[4] 楊超云.基于CATIA V5的零件參數(shù)化設(shè)計及運(yùn)動仿真[J]. 汽車零部件，2011，(6): 55-58.

Digital Design Method of General-purpose Plane Aimed at Manufacturing

ZHAO Xinxin ZENG Rui LIN Lin

(CETC Wuhu Diamond Aircraft Manufacture Co.,Ltd，Anhui 241000，China)

In order to improve the guidance of the drawing to production and achieve the correspondence between MBOM and the drawings, a method of digital design for general-purpose aircraft aimed at manufacturing has been researched while reducing the conflicts of each professional field during detailed design at the same time. The general scheme was designed combined with production process, and the general parameters were defined at this stage. The structure of 3D model was based on assembly process and the skeleton was created based on the demand-oriented collaborative design platform. Thus the 3D models was designed. The test on a real type of aircraft shows that based on the 3D modeling, the conflicts during design were solved immediately, the designs between several stations were associated immediately, the production was guided by drawings directly and the development period of the aircraft was shortened significantly.

aimed at manufacturing; structure level; collaborative design; skeleton; 3D model; General-purpose plane

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.023

V26

A