基于CATIA 的裝配工裝數(shù)字化設(shè)計制造

◎宋海楠

一、基于CATIA 的裝配工裝設(shè)計要點

1.數(shù)據(jù)集規(guī)模的控制。

基于CATIA 系統(tǒng)進行數(shù)字化設(shè)計，最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)就是要盡可能全面的收集各類裝配工裝的參數(shù)信息，包括尺寸、結(jié)構(gòu)、形狀等，然后將這些數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)集的形式，存儲到計算機數(shù)據(jù)庫中。但是數(shù)據(jù)集規(guī)模過大，會導(dǎo)致CATIA 系統(tǒng)出現(xiàn)反饋延時的情況。通常來說，當(dāng)數(shù)據(jù)集的規(guī)模達(dá)到了最大容量的50%后，延時問題就比較明顯，此時需要將數(shù)據(jù)集一分為二，保證數(shù)據(jù)檢索、調(diào)用的效率，提高CATIA 系統(tǒng)響應(yīng)速度。需要注意的是，同一裝配工裝的數(shù)據(jù)，不得分配到兩個數(shù)據(jù)集中，避免出現(xiàn)工裝數(shù)據(jù)不完整的情況。

2.數(shù)據(jù)集的分類。

除了要控制數(shù)據(jù)集的規(guī)模外，還要在數(shù)據(jù)集內(nèi)部進行細(xì)化分類。根據(jù)數(shù)據(jù)集中包含信息的不同，至少可以分成三類，分別是：（1）DRAW 數(shù)據(jù)集。主要是工裝圖紙信息，包括形狀、尺寸等。為了保證工裝圖紙信息的完整性、清晰度，在現(xiàn)有的DRAWE數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，還要使用SPACE 數(shù)據(jù)集進行層疊，通過數(shù)據(jù)補充得到更加全面和細(xì)致的工裝數(shù)據(jù)。（2）SPACE 數(shù)據(jù)集。包括各類工裝組件的全尺寸數(shù)據(jù)和三維坐標(biāo)，但是利用該數(shù)據(jù)集中的各類參數(shù)，并不能直接得到工裝圖紙，多數(shù)情況下需要配合DRAW 數(shù)據(jù)集才能發(fā)揮作用。（3）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集。包含了較多結(jié)構(gòu)比較簡單的裝配工裝圖紙，不需要層疊，能夠獨立生成各類工裝組件的圖紙。

3.坐標(biāo)系的設(shè)置。

可以支持二維坐標(biāo)系和三維坐標(biāo)系。對于一些簡易的、規(guī)則的工裝組件，可以使用二維坐標(biāo)系；但是對于復(fù)雜的、精度要求較高的工裝組件，為了保證設(shè)計和制作精度，需要獲取三維坐標(biāo)然后制作立體模型。另外，根據(jù)工裝組件坐標(biāo)用途的不同，坐標(biāo)系也可以分成兩種類型，一種是標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。也稱為主坐標(biāo)系，指以坐標(biāo)軸*AXS1表示的標(biāo)準(zhǔn)飛機坐標(biāo)系。還有一種是輔助坐標(biāo)系，所有輔助坐標(biāo)系都應(yīng)有相應(yīng)的標(biāo)記符，在正式發(fā)放的工裝數(shù)據(jù)集中不應(yīng)出現(xiàn)不必要的輔助坐標(biāo)系。

4.三維模型的創(chuàng)建。

在獲取了目標(biāo)工裝組件的三維坐標(biāo)后，可以基于CATIA 系統(tǒng)創(chuàng)建三維模型。首次創(chuàng)建三維模型時，可以先勾勒出大體的外部輪廓，然后通過調(diào)用相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)，逐漸補充工裝模型的細(xì)節(jié)。尤其要注意螺栓、銷釘?shù)裙碳?，以及模型過渡區(qū)位置，必須要保證模型設(shè)計的精度。采用CATIA 系統(tǒng)自帶的一些輔助檢測工具，例如利用圓角測量儀對工裝組件圓角的角度進行精確測量，確保三維模型的圓角角度與使用要求一致。得到工裝組件的三維模型后，保留一份備份文件。

5.數(shù)字預(yù)裝配。

以三維模型為參照，進行數(shù)字預(yù)裝配，可以初步得到工裝組件的試件。利用各類儀器、工具等，對試件的各項參數(shù)進行檢測，確保試件完全符合裝配工裝的使用要求。如果試件存在一些不足，則需要重新優(yōu)化設(shè)計，直到不存在問題。數(shù)字預(yù)裝配環(huán)節(jié)需要關(guān)注的兩個要點是：（1）利用層疊功能進行裝配工裝零部件或裝配工裝與工程零件的模擬裝配；（2）利用干涉分析功能進行裝配工裝零、部件自身及裝配工裝與飛機零件之間的干涉分析，解決干涉及不協(xié)調(diào)問題。

二、裝配工裝數(shù)字化制造技術(shù)

1.數(shù)字化安裝原理。

物體在三維空間內(nèi)的運動可以分解為：沿Z 軸方向位移、沿X 軸方向位移、沿Y 軸方向位移、繞Z 軸旋轉(zhuǎn)、繞X 軸旋轉(zhuǎn)以及繞Y 軸旋轉(zhuǎn)，這就是物體在三維空間的6 個自由度。控制了被測物體的這6 個自由度，就可以確定該被測物體在空間的位置。光學(xué)工具點（OTP）是由工裝設(shè)計員給定的用于確定裝配工裝型面關(guān)鍵特性的控制點，工人利用跟蹤儀通過測量OTP 的坐標(biāo)值來確定裝配工裝型面的關(guān)鍵特性，達(dá)到制造、安裝和檢測裝配工裝的目的，實現(xiàn)無實物標(biāo)準(zhǔn)工裝的裝配工裝安裝。

2.數(shù)字化安全流程。

（1）確定定位面。在需要定位的平面上設(shè)置3 個OTP。OTP 中心到平面的距離為0.31 英寸，OTP 目標(biāo)間的最小距離為1.5英寸。

（2）確定定位孔。用于確定小于2 英寸見方的定位面及其上的定位孔的位置，具體做法是：首先在定位面的對稱中心點處制出定位孔，然后在定位孔的軸線上設(shè)置2 個OTP。OTP1 與定位面的垂直距離為0.31 英寸，OTP2 與定位面的垂直距離為1英寸。

（3）交點孔軸線。用于確定交點孔的軸線及端面位置。具體做法是：在交點孔軸線上設(shè)置2 個OTP，即OTP1 與OTP2。交點孔直徑大于0.50 英寸時，OTP1 與OTP2 的距離最好為12 英寸；直徑小于0.50 英寸時，OTP1 與OTP2 的距離最好為6 英寸。

三、基于CATIA 裝配工裝數(shù)字化設(shè)計制造的應(yīng)用效果

相比于傳統(tǒng)的工裝設(shè)計與制造，在運用了CATIA 系統(tǒng)后，體現(xiàn)出了以下優(yōu)勢：（1）工裝數(shù)字化設(shè)計極大的簡化了設(shè)計與制造流程，實現(xiàn)了設(shè)計-制造的一體化。從前期采集工裝組件的各項參數(shù)，再到最終得到產(chǎn)品，整個周期被極大的縮短，體現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟效益。（2）工裝組件的精確度明顯提到，返修率大幅度較低。其一是因為數(shù)字化設(shè)計可以保證參數(shù)更加精準(zhǔn)，其二是CATIA 系統(tǒng)具有三維模型的參數(shù)自檢功能。形成了雙重保障，最大程度上解決了因為精度不足而返修的問題。（3）功能被極大的擴展?；贑ATIA 系統(tǒng)的強大功能，除了在工裝組件的設(shè)計與制造環(huán)節(jié)發(fā)揮應(yīng)有的作用外，在模擬運行、后期維護等方面，也展現(xiàn)出了較為強大的功能優(yōu)勢。

結(jié)語：CATIA 是一款可以支持通過建立數(shù)字模型來設(shè)計和模擬工業(yè)產(chǎn)品的軟件，為下一步產(chǎn)品的制作、安裝、維護提供了參考。近年來，CATIA 在數(shù)字化工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計與制造中應(yīng)用廣泛，除了可以支持設(shè)計人員靈活調(diào)節(jié)設(shè)計參數(shù)、直觀掌握設(shè)計成果外，還能夠自動完成仿真實驗。技術(shù)人員可以根據(jù)仿真結(jié)果，找到裝配工裝數(shù)字化設(shè)計中存在的問題，進而在不斷的修改、優(yōu)化中，使設(shè)計方案趨于完善。最后借助于該數(shù)字化設(shè)計方案，完成產(chǎn)品的加工、制造，從而用較低的成本、較快的速度，得到了高精度的產(chǎn)品。