淺析數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用?

陳 雙徐 望

（1.92578部隊(duì) 北京 100161）（2.91197部隊(duì) 青島 266000）

1 引言

數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的航空工業(yè)開(kāi)始逐步應(yīng)用，這種理念更加重視協(xié)同合作，依賴日趨成熟的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，擁有廣闊的發(fā)展前景。利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)及管理模式，以提高產(chǎn)品研制水平，縮短研制周期，降低成本［1］，提高快速響應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力是國(guó)防工業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，是實(shí)現(xiàn)科研生產(chǎn)信息化的具體要求。同時(shí)通過(guò)CATIA的三維尺寸標(biāo)注的應(yīng)用代替二維工程圖作為產(chǎn)品檢驗(yàn)的依據(jù)，使尺寸的公差標(biāo)注更為直觀，減少了二維工程圖造成的理解上的偏差，使得制造部門可以通過(guò)這些相應(yīng)的手段，使整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)流程成為真正的無(wú)圖制造流程，并且通過(guò)數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，可以將過(guò)程和信息有效地集成在一起，讓各種相關(guān)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)概念到制造，直至報(bào)廢的全壽命周期，全面支持與產(chǎn)品相關(guān)的協(xié)同研發(fā)、制造、管理、分發(fā)和使用信息［2］。

2 CATIA VPM關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)平臺(tái)

CATIA軟件中ENOVIA V5的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)簡(jiǎn)稱VPM Navigator。通過(guò)CATIA V5連接ENOVIA服務(wù)器進(jìn)行產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，以型號(hào)分類建立產(chǎn)品樹(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，主要包含的數(shù)據(jù)有：產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)、頂圖。產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)表示各個(gè)分系統(tǒng)的組成，頂圖為各分部件的頂層裝配件。飛機(jī)設(shè)計(jì)中各個(gè)專業(yè)的組織結(jié)構(gòu)都按類別掛在產(chǎn)品樹(shù)下，將產(chǎn)品樹(shù)下的結(jié)構(gòu)部分展開(kāi)，其下包含“總論”，和各大部件的組織結(jié)構(gòu)，再將“中機(jī)身”組織結(jié)構(gòu)展開(kāi)，其下包含中機(jī)身骨架模型，各部件的頂圖等裝配單元，也可包含協(xié)調(diào)文檔等零件單元［3～4］。文檔存放于統(tǒng)一的服務(wù)器中，及時(shí)設(shè)計(jì)及時(shí)更新，大大方便了在線設(shè)計(jì)中的協(xié)調(diào)工作。詳見(jiàn)圖1。

圖1 產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)

3 數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

3.1 零件信息的數(shù)字化

零件信息的數(shù)字化就是把零件的公差、特殊尺寸、測(cè)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)特征（如下陷、加強(qiáng)槽等）、熱處理、表面處理、協(xié)調(diào)更改情況、附注、對(duì)稱情況等信息集成在三維零件模型中，在二維圖紙中所包含的信息均在數(shù)字模型中表示。由于模型為全尺寸模型，所有的尺寸均為定義尺寸，所以零件三維標(biāo)注的主要作用是將零件的公差尺寸、特殊尺寸和標(biāo)注說(shuō)明等信息標(biāo)識(shí)在零件實(shí)體上。應(yīng)該注意的是，對(duì)于標(biāo)注繁多的零件，應(yīng)多運(yùn)用“捕獲”命令將表達(dá)極盡清晰，方便數(shù)據(jù)的讀取。零件信息的數(shù)字化數(shù)據(jù)集合構(gòu)成見(jiàn)圖2所示。

3.2 裝配信息的數(shù)字化

每個(gè)裝配件下都存放一個(gè)編號(hào)后綴特殊的模型文檔（用于裝配信息的集成表達(dá)），里面存放該裝配件的全部信息。裝配信息中最主要的部分是零件的裝配關(guān)系，連接件信息，數(shù)字模型中用打在參考曲面上的幾何點(diǎn)來(lái)標(biāo)識(shí)連接件的位置，用排布線表達(dá)邊距的要求，有層次順序要求或?qū)哟蜗拗埔蟮目梢詫⒄f(shuō)明列在連接件牌號(hào)幾何圖形集下。裝配件模型中存放了該裝配件所有零件的外表面，和與之有連接關(guān)系的零件的外表面，外表面與零件接口關(guān)聯(lián)，零件發(fā)生改動(dòng)后，裝配件模型也隨之變化，連接件也可自動(dòng)更新。國(guó)內(nèi)先進(jìn)的飛機(jī)制造單位已經(jīng)在大型壁板，蒙皮型材的裝配上使用數(shù)控鉆鉚機(jī)，這種技術(shù)必須得到數(shù)字化模型的支持，裝配件單元的引入大大節(jié)省了人力資源也有效縮短了生產(chǎn)周期［5］。裝配信息的數(shù)字化數(shù)據(jù)集成構(gòu)成見(jiàn)圖3所示。

圖2 零件信息的數(shù)字化集合

圖3 裝配信息的數(shù)字化集合

3.3 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

3.3.1 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)思想

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的初衷是為了解決設(shè)計(jì)的及時(shí)性方便更新，而更好地實(shí)現(xiàn)在線設(shè)計(jì)。所謂的飛機(jī)在線設(shè)計(jì)是在電子數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)控制下的飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)。在線設(shè)計(jì)要求所有涉及人員在同一電子樣機(jī)下進(jìn)行協(xié)同工作，其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)人員在開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，CAD系統(tǒng)就要和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)建立連接，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)結(jié)果直接存入數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)［6］，通過(guò)在線設(shè)計(jì)方式使得設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)能夠得到及時(shí)共享，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)在線進(jìn)行。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的說(shuō)是一種特殊形式的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，其驅(qū)動(dòng)參數(shù)為上游設(shè)計(jì)的幾何特征（如曲面、曲線、軸線、坐標(biāo)平面等）。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)表現(xiàn)為上游對(duì)下游設(shè)計(jì)的自動(dòng)影響關(guān)系，上游設(shè)計(jì)更改，可以驅(qū)動(dòng)下游模型自動(dòng)進(jìn)行更新［7］。

3.3.2 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的鏈接

在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中每個(gè)零件都有三個(gè)鏈接屬性：位置（Instance），參考（Reference），文檔（Document）。位置屬性反映零件的父級(jí)裝配關(guān)系，參考屬性反映零件實(shí)例化的調(diào)用關(guān)系。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，幾何元素間的鏈接關(guān)系包含兩種類型：

引用類型：通過(guò)VPM-Session（VPM會(huì)話）建立其幾何元素間的位置關(guān)系為坐標(biāo)位置關(guān)系。是引用與引用間的關(guān)系，不影響裝配（實(shí)例）環(huán)境下的常規(guī)約束定位。

實(shí)例類型：通過(guò)上下文設(shè)計(jì)環(huán)境建立其元素間的位置關(guān)系為相對(duì)位置關(guān)系，生成的元素的位置與所參考的實(shí)例的位置相一致。是實(shí)例與實(shí)例之間的關(guān)系，具有約束定位功能，可改變位置。

3.3.3 骨架模型的使用和分布

關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中上游設(shè)計(jì)對(duì)下游模型的影響主要通過(guò)接口元素進(jìn)行，而骨架模型是具有聯(lián)系的接口及其接口間關(guān)系的集合。骨架描述了設(shè)計(jì)對(duì)象的基本幾何特征和設(shè)計(jì)要求。骨架設(shè)計(jì)思想是先總體規(guī)劃，后細(xì)化設(shè)計(jì)，采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，在總體骨架控制驅(qū)動(dòng)下，各專業(yè)完成本專業(yè)子骨架設(shè)計(jì)，繼續(xù)向下驅(qū)、關(guān)聯(lián)直到由設(shè)計(jì)人員完成具體的零件［8］。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中常使用的骨架有獨(dú)立骨架模型和附屬骨架模型。獨(dú)立骨架模型是僅包含骨架信息的三維模型（PART）；附屬骨架模型既包含骨架信息又包含工程設(shè)計(jì)內(nèi)容的三維模型，如某個(gè)裝配中可以設(shè)立一個(gè)高級(jí)別的零件模型，其他模型引用該零件中所發(fā)布的參數(shù)、幾何元素、公式或?qū)嶓w等元素，當(dāng)這個(gè)附屬骨架模型更改后，引用其接口的模型也隨之更新。不過(guò)一定要注意避免接口的循環(huán)引用，即低級(jí)模型和高級(jí)模型互相引用時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到更新循環(huán)［9］。

骨架在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的分布，一般情況下系統(tǒng)、分系統(tǒng)級(jí)別的骨架要放在代表該系統(tǒng)、分系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)下。分系統(tǒng)以下的骨架放在所在的裝配件或零件中，對(duì)于多個(gè)分系統(tǒng)參考使用的骨架模型，要分布在其上一級(jí)的設(shè)計(jì)總論中［10］。如圖1中所示，骨架模型以統(tǒng)一的命名方式命名，并以PART形式存在于各級(jí)層次之中，RFM_表示獨(dú)立骨架模型。骨架模型理論上是相互關(guān)聯(lián)的，是具有唯一性的數(shù)據(jù)，為方便各個(gè)專業(yè)各個(gè)部件的設(shè)計(jì)要求，可以在總的骨架模型下衍生并細(xì)化出分系統(tǒng)的骨架模型。骨架模型的運(yùn)用可以更好地適應(yīng)版本變化的需求，更符合上游對(duì)下游設(shè)計(jì)的控制和管理，更能體現(xiàn)出智能化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。

3.3.4 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的一般流程

接口的調(diào)用：在上下文環(huán)境中打開(kāi)骨架模型，將已發(fā)布的幾何元素帶鏈接的復(fù)制到新零件模型中［11］，系統(tǒng)自動(dòng)將參考的接口放置在“外部參考”幾何圖形集中。使用時(shí)引用外部參考中的元素就將模型關(guān)聯(lián)至骨架模型上，受著接口的驅(qū)動(dòng)。

接口的發(fā)布：將平臺(tái)切換到零件設(shè)計(jì)模塊，使用命令“工具”——“發(fā)布”，選擇所要發(fā)布的參數(shù)、幾何元素或者實(shí)體，在零件樹(shù)上出現(xiàn)“發(fā)布”集合，即將該元素發(fā)布。

實(shí)例化復(fù)制零件：為使設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本更加經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中常出現(xiàn)完全相同的零件或部件，只是裝配的位置不同，約束不同。這種情況下就需要實(shí)例化零件，實(shí)例化零件就是為文檔增添一個(gè)參考鏈接，將絕對(duì)位置上的零部件移動(dòng)到新位置上，并不改變模型內(nèi)部的基準(zhǔn)定位，改變模型文檔，所有的實(shí)例將一同改變。原始位置上的零件圖標(biāo)第2個(gè)齒輪顯示為綠色，裝配件中記為XX_XXXXX_XXX.1；實(shí)例化零件圖標(biāo)第2個(gè)齒輪顯示為黃色（無(wú)上下文鏈接的）或灰色，裝配件中記為XX_XXXXX_XXX.n，n表示第幾個(gè)實(shí)例零件。

在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)過(guò)程中的加/解鎖：在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)環(huán)境中由于所有設(shè)計(jì)人員在相同的環(huán)境下并行工作，所有數(shù)據(jù)都有被同時(shí)打開(kāi)、查看、引用的可能。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)同步時(shí)的正確性，系統(tǒng)要求在編輯修改數(shù)據(jù)時(shí)，必須對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象加鎖，否則數(shù)據(jù)無(wú)法保存到系統(tǒng)中。當(dāng)數(shù)據(jù)修改完成后可以對(duì)數(shù)據(jù)解鎖，數(shù)據(jù)凍結(jié)前必須解鎖，否則無(wú)法提升數(shù)據(jù)狀態(tài)。

所有權(quán)的傳遞：在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)任務(wù)是自頂向下進(jìn)行分配，分系統(tǒng)或子系統(tǒng)的負(fù)責(zé)人建立分系統(tǒng)或子系統(tǒng)的零組件結(jié)點(diǎn)單元，然后把所有權(quán)傳遞給下游設(shè)計(jì)者，下游進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)布系統(tǒng)所需要的定位元素，系統(tǒng)設(shè)計(jì)員根據(jù)需要，按照結(jié)構(gòu)給出的接口設(shè)計(jì)自己的模型，結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，導(dǎo)致系統(tǒng)定位點(diǎn)變動(dòng)的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員重新發(fā)布定位元素，在一定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)模型隨之更新，不需要更多的協(xié)調(diào)工作。

4 流程管控及數(shù)據(jù)發(fā)放

為了方便平臺(tái)上的其他相關(guān)設(shè)計(jì)員了解模型的設(shè)計(jì)進(jìn)程，模型引入了成熟度這一概念。模型的成熟度標(biāo)識(shí)飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字模型在設(shè)計(jì)過(guò)程中的完善狀態(tài)和詳細(xì)程度。使用成熟度的好處在于，在關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中，使下游設(shè)計(jì)員及時(shí)了解上游狀態(tài)。其中成熟度從MA1（概念狀態(tài)）→→→MA7（發(fā)圖狀態(tài)）體現(xiàn)了模型逐漸細(xì)化完善的過(guò)程。

圖4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)的發(fā)放流程

模型發(fā)放流程如圖4所示，模型升級(jí)為MA7狀態(tài)后檢入到WINDCHILL平臺(tái)進(jìn)行審簽，通過(guò)各專業(yè)的校對(duì)，審核后送交工藝審查后生成對(duì)外發(fā)放模型，發(fā)放至工廠。向工廠發(fā)送頂圖，工廠按頂圖編號(hào)及其版本和架次有效性信息按全機(jī)坐標(biāo)組成大部件，大部件標(biāo)簽可以采用大部件識(shí)別編號(hào)+架次信息編號(hào)［12］。所發(fā)放的模型中包含頂圖的EBOM產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，通常類似于目錄表，產(chǎn)品配套清單；裝配單元，裝配單元包含裝配件EBOM（類似于細(xì)目表）、三維標(biāo)注模型；零件單元，零件單元包括三維實(shí)體模型和三維標(biāo)注信息；工程物料清單，這是為了更好地進(jìn)行工藝分解，并對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行補(bǔ)充。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在國(guó)內(nèi)各型飛機(jī)的研制中取得了廣泛應(yīng)用，該設(shè)計(jì)方法已經(jīng)形成較為成熟的飛機(jī)設(shè)計(jì)體系，這種新模式、新理念更加重視協(xié)同合作，依賴日趨成熟的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，擁有廣闊的發(fā)展前景。