關聯(lián)設計技術在翼面類部件可重構裝配型架設計中的應用研究*

（北京航空航天大學機械工程與自動化學院，北京 100191）

使用可重構柔性工裝可以使工裝資源得到重復利用，提高生產效率，減少成本投入。裝配型架的柔性和可重構能力是型架數字化設計與制造的一個重要研究內容。國內外學者針對型架的柔性和可重構性進行了相關研究，并取得了大量研究成果。其中，有代表性的是瑞典林雪平大學Kihlman等提出一種基于盒式連接和六足定位器的ART（Affordable Reconfigurable Tooling）工裝解決方案，即低成本可重構夾具，并與薩博公司、DELFOi公司、空客公司等合作開展了大量的應用研究[1-4]。國內北京航空制造工程研究所開展了基于盒式連接、并聯(lián)定位器以及標準型材的可重構柔性裝配型架的設計應用。北航鄭聯(lián)語等開展了基于盒式連接的和可調定位器的可重構柔性裝配工裝在中央翼盒、底板梁、平尾前緣等飛機產品裝配中的研究和探索，并開發(fā)了基于盒式連接的整套可重構裝配工裝設計、分析和裝調系統(tǒng)[5-7]。

關聯(lián)設計方法是數字化技術應用到一定水平、數字化設計和管理相融合的結果，更強調產品與內部子模型之間的約束和聯(lián)系，其主要思想是將設計特征與設計參數和設計輸入關聯(lián)起來，從而實現產品更改或變型設計的快速響應，保證設計結果的一致性。劉俊堂等[8]對關聯(lián)設計技術概念的引入及實現方法進行了研究，并以機翼及翼肋為例說明了關聯(lián)設計技術在飛機研制中的應用。田憲偉等[9]對飛機產品的MBD模型表達及在關聯(lián)設計中的骨架模型進行了深入研究，闡述了骨架模型的工作原理及基于MBD的關聯(lián)設計技術在飛機產品研制中的工藝、工裝、檢驗檢測等方面的重要性。周婷等[10]研究了型架骨架與裝配件之間的關聯(lián)性并實現了基于裝配件包絡盒的骨架軸線關聯(lián)設計算法，可用于實現裝配型架的結構及其尺寸隨產品結構的修改而自適應更改。韓彬等[11]將關聯(lián)設計方法應用于航天器直屬件設計和自動裝配中，將設計失誤率降低至1.6%，設計周期縮短約35%。

本文探究了基于關聯(lián)設計的面向翼面類部件可重構裝配型架的快速設計技術，基于CATIA設計平臺開發(fā)并實現了相應的裝配型架快速設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)在某型垂尾裝配型架的快速設計中應用驗證，縮短了工裝的研制周期，降低了研制成本。

翼面類部件及其裝配型架特點

飛機翼面類部件結構多以蒙皮、肋及梁組成，翼面內部使用蜂窩夾層結構支持，主要包括機翼、垂直尾翼和水平尾翼等，其構成組件包括翼盒、安定面、前緣縫翼、襟翼、副翼、擾流板、升降舵和方向舵等。

翼面類部件整體結構差異性不大，主要體現在蒙皮及梁外形尺寸的變化，蒙皮及梁的厚度變化，緊固件孔位變化，部分翼肋及梁的結構形式變化和材料變化，因此其裝配工裝整體結構基本類似，主要為框架式結構。由于飛機翼面類部件改型、變型較多且研制周期短，結構尺寸差異較大，以飛機垂尾垂直安定面為例，其主要變化表現在前緣后掠角、半展長、根弦長、尖弦長方面（圖1），所涉及的工裝尺寸也發(fā)生相應變化，所以導致需要制造不同規(guī)格的翼面類傳統(tǒng)專用工裝，但其通用性、共享性較差。

圖1 機翼安定面結構示意Fig.1 Structure sketch of Wing stability surface

圖2 翼面類部件可重構柔性型架組成模塊劃分Fig.2 Modules of wing surface components for reconfigurable flexible assembly tooling

翼面類部件可重構柔性裝配型架

在實際工程應用中，翼面類產品具有在研制階段反復更改和與后續(xù)家族機型構形相似等特點，其裝配型架可通過可拆卸定位器、導軌式多工況移動定位器、真空吸盤、可拆卸鉆模板、通用接口等柔性工裝進行結構重構，以適應不同構型產品的裝配要求。典型的飛機可重構工裝的模型主要有4種基本元件組成，由內到外分別為：裝配件，夾持器，定位支撐件和外圍工裝型架[5]。但外圍工裝型架的一體式剛性連接結構、焊接時效周期長、占用空間大，難以對多品種、小批量和定制化產品研制的需求作出快速響應，束縛了可重構裝配型架的適應性。

因此，本文研究的可重構裝配型架優(yōu)勢在于型架骨架和定位裝置的快速重構，既保證型架骨架的模塊化快速重構重用，又能保留定位器可拆可調的柔性，“一機多用”，節(jié)省存儲和運輸空間，降低工裝研制成本，能適應飛機產品快速迭代的研制和生產需要。模塊化劃分如圖2所示，其中型架骨架模塊包括型架梁、型架接頭、定位夾緊銷及地腳支承等輔助支撐件；動態(tài)模塊即定位平臺模塊包括多坐標定位平臺、并聯(lián)柔性定位平臺、多自由度伺服定位平臺和普通手動調節(jié)定位平臺；定位/夾持器模塊包括定位器（多為孔定位）、夾持器（部分肋及梁的夾緊）及外形定位卡板，各模塊構成某翼面類部件可重構柔性裝配型架如圖3所示。該裝配型架由型架元組件如型架梁、敏捷接頭、盒式接頭、地腳支撐等構成型架骨架，同時布置翼梁定位器、端肋定位器、接頭定位器、卡板定位器等實現翼面類部件的裝配，同時通過調整定位器的數目和位置，能夠適應于該翼面類部件不同規(guī)格大小的多個部件裝配。

翼面類部件裝配型架關聯(lián)設計

1 關聯(lián)設計技術

關聯(lián)設計是一種特殊形式的參數化設計方法，其驅動參數為上游設計的幾何特征（如點、線、面、坐標系等），其表現為上游設計對下游設計的影響關系。關聯(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，f為上下游設計間建立的關聯(lián)關系[10]。

根據關聯(lián)方式的不同可分為：參數（尺寸）關聯(lián)和特征關聯(lián)。參數關聯(lián)是指將相互影響的尺寸建立直接或間接的關聯(lián)關系，通過修改主驅動參數即可實現整體結構的同步更新，如根據翼面類產品規(guī)格尺寸更新型架骨架的規(guī)格尺寸。特征關聯(lián)是指通過模型特征（點、線、面、坐標系等）建立的關聯(lián)關系，通常用于建立不同模型之間的位置約束，如各定位器組件與裝配件和型架骨架之間的位置約束。

圖3 翼面類部件可重構裝配型架構成Fig.3 Constitution of reconfigurable assembly tooling for wing surface type components

圖4 翼面類部件及其裝配型架關聯(lián)關系Fig.4 Association between wing surface components and assembly tooling

2 翼面類部件與其裝配型架的關聯(lián)

實現關聯(lián)設計的關鍵在于建立關聯(lián)關系，主要通過參數、公式、約束關系、自定義特征等實現模型驅動更新的目的。翼面類部件結構件多，且形狀復雜，其裝配型架復雜程度因待裝部件而定，因此，在梳理關聯(lián)參數和裝配約束是關聯(lián)設計實施的關鍵。

在研究翼面類部件及其裝配型架結構特征的基礎上，建立二者之間的關聯(lián)關系如圖4所示，建立待裝配翼面類部件與型架骨架模塊及定位平臺（或定位器組件模塊）之間的參數和特征關聯(lián)關系，從而使裝配型架在具有模塊化重構能力的同時，實現待裝配件與裝配型架的同步適應性更新。

3 型架關聯(lián)設計實現步驟

型架關聯(lián)設計可通過以下步驟實現：

（1）模型預處理：包括對實施對象的驅動參數和裝配特征的定義，其中驅動參數的定義是通過參數化方式實現的，裝配特征的定義是通過發(fā)布機制實現的。如某型飛機垂尾安定面部件預處理如圖5所示，主要參數定義包括產品長度、產品寬度、產品高度；主要裝配特征定義包括上下翼梁面、肋面、上下翼梁孔軸、接頭孔軸等。

（2）建立關聯(lián)關系：參數關聯(lián)通過函數關系建立，如裝配件的長、寬、高已知（分別用l、w、h表示），對于需要更新的型架骨架規(guī)格，即可根據以下比例關系確定：α=L/l，β=W/w，γ=H/h（其中，L、W、H分別表示型架骨架的長、寬、高，α、β、γ為對應的比例系數），通過交互指定比例系數即可實現不同大小的裝配件與對應結構的型架骨架尺寸進行關聯(lián)。特征關聯(lián)是通過不同裝配特征之間的約束關系而建立的，如軸重合、面平行、面接觸等。

按照關聯(lián)設計方法建立其型架總裝結構層次及關系如圖6所示，在型架總裝根節(jié)點下，建立翼面類部件、型架骨架、定位夾緊裝置、其他裝置（測量輔件等）模塊，各模塊中包含了該對象在設計過程中所用的所有關鍵設計輸入，如關鍵的點、線、面特征，零組件實體等。

根據關聯(lián)關系是否完整，關聯(lián)設計中的關系類型劃分為強關系和弱關系，其中強關系指由裝配特征建立起的完全約束關系，如裝配對象中零組件與定位器之間的關聯(lián)，以保證待裝配產品位置精確；弱關系是指由裝配特征建立的不完全約束關系，如定位器組件與型架骨架的關聯(lián)，以便定位器組件在型架骨架上的安裝調整。

（3）同步更新：利用更新機制快速更新建立關聯(lián)關系后的模型，通過CAA二次開發(fā)程序自動讀取關聯(lián)信息，快速配置該裝配件的可重構裝配型架。此外，在裝配型架模型建立完成后，保留關聯(lián)關系的存在，從而實現在下一版本的同步更新修改中模型和關聯(lián)關系能夠重用，提高裝配型架設計的效率、減少設計錯誤，提高設計質量。

圖5 模型預處理Fig.5 Pre-processing of models

圖6 裝配型架結構層次及關系Fig.6 Structure level and relationship of assembly tooling

應用實例

以某型垂尾安定面的裝配型架設計為例，該垂尾安定面屬于固定翼面類部件，主要由蒙皮、壁板、翼肋、翼梁和墻等元組件組成。垂尾垂直安定面部件的裝配是指按照一定的裝配順序將該部件的翼肋、翼梁和蒙皮等組裝成部件，其型架主要是為了保證該垂尾各組成件的準確定位和夾緊，從而實現垂尾部裝。其操作流程為：（1）導入待裝配翼面類部件，判斷是否按照規(guī)范進行預處理，若符合預處理要求則直接進入工裝檢索環(huán)節(jié)，配置符合該部件裝配的型架骨架，否則需要按照預處理規(guī)范進行處理；（2）檢索工裝骨架實例庫，若檢索到適合該部件的型架類型，可進行型架骨架、定位器等的關聯(lián)，否則重新設計型架骨架；（3）檢查配置結果是否符合設計要求或配置其他輔件并保存至工裝實例庫。最終配置設計過程及結果如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)驗證結果Fig.7 Verification result of system

結論

基于關聯(lián)設計技術的可重構裝配型架在飛機翼面類部件研制和改型中，具有良好的應用前景。建立翼面類部件模型和裝配型架的關聯(lián)關系，通過設計軟件實現快速配置設計，大大減少了工裝設計或修改的工作量，對減少工裝的研制周期，提高設計質量有重要意義。

參 考 文 獻

[1]KIHLMAN H, ENGSTR?M M.Flexible fixtures with low cost and short leadtime[J]. Engineering & Technology, [2007-09-17]//doi:10.4271/2007-01-3797.

[2]JONSSON M, KIHLMAN H,OSSBAHR G. Coordinate Controlled Fixturing for Affordable Reconfigurable Tooling[C]//Proceedings of the 2nd Conference on Assembly Technologies and Systems, Sweden, 2008.

[3]MILLAR A, KIHLMAN H.Reconfigurable flexible tooling for aerospace wing assembly[C]//Aerospace Technology Conference& Eroposition, 2009.

[4]KIHLMAN H, ENGSTROM M.Flexapods-flexible tooling at SAAB for building the NEURON aircraft[C]//Aerospace Technology Conference & Eroposition, 2010.

[5]鄭聯(lián)語,王建華.盒式連接可重構柔性工裝技術及應用展望[J].航空制造技術，2013(18):26-31.ZHENG Lianyu, WANG Jianhua.Development and application prospect of boxjoint-based reconfigurable and flexible tooling technology[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2013(18): 26-31.

[6]王藝瑋.盒式連接可重構柔性工裝技術研究及系統(tǒng)開發(fā)[D].北京：北京航空航天大學，2013.WANG Yiwei. Box joint-based reconfigurable and flexible tooling technology and system development[D]. Beijing: Beihang Univercity, 2013.

[7]劉清軍.基于穩(wěn)定性的盒式連接裝配型架優(yōu)化設計與測量技術研究[D]. 北京：北京航空航天大學， 2014.LIU Qingjun. Research on box-joint assembly jig optimization design and measurement technologies for stability[D]. Beijing: Beihang Univercity, 2014.

[8]劉俊堂,劉看旺.關聯(lián)設計技術在飛機研制中的應用[J]. 航空制造技術，2008(14):45-47.LIU Juntang, LIU Kanwang. Application of associated design technology in aircraft development[J]. Aeronautical Manfacturing Technology, 2008(14): 45-47.

[9]田憲偉,曲直.基于MBD的關聯(lián)設計技術在飛機研制中的應用[J].航空工程進展， 2013(3): 381-385.TIAN Xianwei, QU Zhi. Application of associated design based on MBD on aircraft research[J]. Advances in Aeronautical Science and Engineering, 2013(3): 381-385.

[10]周婷,曹巍,鄭國磊.飛機裝配型架骨架的關聯(lián)設計原理及算法[J].航空制造技術， 2014(8):32-35.ZHOU Ting, CAO Wei, ZHENG Guolei.Principle and algorithm of associated frame design for aircraft assembly fixtures[J]. Aeronautical Manurfacturing Technology, 2014(8): 32-35.

[11]韓彬，劉剛.航天器直屬件關聯(lián)設計方法[J].航天器工程，2014(23)： 37-40.HAN Bin , LIU Gang. Research of associated design in special parts for integration[J].Spacecraft Engineering, 2014(23):37-40.