航天類工裝的模塊化設(shè)計方法

□ 馮鵬升 □ 楊愛萍 □ 任開興 □ 王麗鵬 □ 李文鋆 □ 趙 飛

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046012

1 模塊化設(shè)計方法概述

長期以來,業(yè)內(nèi)對航天產(chǎn)品工裝設(shè)備的研究相對較少,導(dǎo)致設(shè)計圖紙上部分外購件表示符號不一致,并且存在通用零部件重復(fù)設(shè)計、設(shè)計效率低等問題。對此,筆者提出航天類工裝的模塊化設(shè)計方法,在滿足可靠性和通用性的前提下,大幅提高航天類工裝的設(shè)計效率。

郝云鵬[1]基于Teamcenter數(shù)字化設(shè)計工藝協(xié)同平臺對汽車覆蓋件模具設(shè)計系統(tǒng)進行研究與開發(fā),熊偉軍[2]基于新材料、新結(jié)構(gòu)對車身進行模塊化研究,向占輝等[3]在Teamcenter平臺中實現(xiàn)與Siemens NX軟件數(shù)據(jù)的交換,都取得了一定的研究成果。但是,對航天類工裝進行快速、高效設(shè)計的研究并不多?；赥eamcenter平臺對航天類工裝進行模塊化設(shè)計,具有重要意義[4]。

采用航天類工裝模塊化設(shè)計方法,對航天類工裝零部件進行模塊劃分,以Teamcenter平臺強大的數(shù)據(jù)創(chuàng)建功能為載體,建立航天類工裝通用零部件模塊庫。通過創(chuàng)建工裝快速設(shè)計流程,對某加載試驗航天類工裝進行設(shè)計,設(shè)計時大量借鑒通用零部件模塊庫和Siemens NX軟件標準庫中的模型,省去通用零部件重復(fù)設(shè)計的時間,在保證質(zhì)量的前提下,達到提高航天類工裝設(shè)計效率的目的。

2 航天類工裝分類

航天類產(chǎn)品種類繁多,每一種產(chǎn)品都對應(yīng)一系列工裝。要對大量航天類工裝進行模塊化劃分,必須全面、熟練掌握現(xiàn)有航天類工裝的分類,包括吊具類、夾具類、裝配類、模具類、加載試驗類等。根據(jù)工藝裝備分類方法,繪制航天類工裝分類圖,如圖1所示。

圖1 航天類工裝分類

由圖1可以看出,航天類工裝分類非常便于工裝圖紙的分類整理,但是并不利于工裝常用零部件的模塊劃分。

3 子功能件分解

雖然各種航天類產(chǎn)品的型號不同,對應(yīng)的規(guī)格和尺寸也不相同,但是基于產(chǎn)品的傳承性和創(chuàng)新性,使各種航天類工裝具有較大的相似性。筆者將作用相同、外形相似的航天類工裝零部件作為模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)。

一套航天類工裝,根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)從整體到局部進行分解,由整體分解為部件,部件是整體的子功能件,部件進一步劃分為零件,零件是部件的子功能件,最終分解為獨立的并且能夠單獨實現(xiàn)使用功能的零件結(jié)構(gòu)。航天類工裝子功能件分解如圖2所示。

4 子功能件合并

航天類工裝在進行模塊劃分后,出現(xiàn)眾多子功能件,對每一個子功能件都建立模塊庫顯然不合適,因此,需要對子功能件進行適當?shù)暮喜5-6]。合并時要綜合考慮子功能件之間的結(jié)構(gòu)相似度和結(jié)構(gòu)相關(guān)度,通常情況下,結(jié)構(gòu)相似度大的子功能件優(yōu)先進行合并,這樣容易得到令人滿意的航天類工裝模塊劃分結(jié)果。

圖2 航天類工裝子功能件分解

設(shè)一共有n個實例,其中第a個實例和第b個實例的結(jié)構(gòu)相似度S(a,b)為:

(1)

式中:k為子功能件結(jié)構(gòu)的特征數(shù);Ti為第i個特征對結(jié)構(gòu)的影響權(quán)重因子;Pi為第a個實例和第b個實例所擁有的共同結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)相似度值,一般為經(jīng)驗值。

由此,第a個實例子功能件和第b個實例子功能件的結(jié)構(gòu)相似度S為:

(2)

根據(jù)航天類工裝子功能件的分解圖,參考文獻[7],任意兩個子功能件Gi和Gj的結(jié)構(gòu)相關(guān)度rij為:

(3)

式中:ωk(k=1,2,3)為第k種相關(guān)類型對結(jié)構(gòu)相關(guān)度的影響因子。

相關(guān)類型一般包括裝配相關(guān)、功能相關(guān)、力傳導(dǎo)相關(guān)。

5 模塊劃分

采用上述模塊劃分方法對加載試驗類航天類工裝進行模塊劃分,先將結(jié)構(gòu)相似度高并且符合結(jié)構(gòu)相關(guān)度要求的地基、標準梁、加載油缸等優(yōu)先劃分為模塊,再將結(jié)構(gòu)相似度低的配重、附件等劃分為模塊。實踐證明,模塊劃分結(jié)果合理。

6 參數(shù)化設(shè)計

Siemens NX是一種集計算機輔助設(shè)計、制造、工程于一體的三維參數(shù)化設(shè)計軟件。Teamcenter平臺中擁有Siemens NX軟件的Manager應(yīng)用模塊,可以將Siemens NX軟件卓越的建模功能和Teamcenter平臺強大的數(shù)據(jù)信息集成在一起,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的無縫鏈接。Manager應(yīng)用模塊可以直接訪問Teamcenter后臺完整數(shù)據(jù)庫,為參數(shù)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

在Siemens NX軟件中利用表達式進行參數(shù)化建模,建立所需零部件的三維模型,如圖3所示。若后續(xù)使用相同零部件,則通過Teamcenter平臺直接調(diào)用提取。若使用其它類似軟件,則通過參數(shù)化驅(qū)動,直接修改尺寸,即可得到所需的模型。

Siemens NX軟件還具有標準件庫調(diào)用功能,使航天類工裝的設(shè)計效率大為提高。標準件庫調(diào)用界面如圖4所示。

7 零部件模塊庫

產(chǎn)品生命周期管理是一種信息驅(qū)動技術(shù),涉及產(chǎn)品從設(shè)計到銷售的各個環(huán)節(jié)。產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理是產(chǎn)品生命周期管理的重要組成部分,既可以對信息進行創(chuàng)建和編輯,又可以用作信息的載體。

在Teamcenter平臺中通過“文件”菜單下“新建”功能,建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所需要的應(yīng)用文件夾、零部件、數(shù)據(jù)集等實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)組織。

圖4 標準件庫調(diào)用界面

建立文件夾,主要用于對上下層次的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分類組織。零部件對象是Teamcenter平臺的基本數(shù)據(jù)模型,可以是工裝、自制件、外購件等,是產(chǎn)品的組成部分。零部件版本對象通過升級版本的方式來維護、管理數(shù)據(jù)對象,一個零部件對象可以對應(yīng)多個零部件版本對象。數(shù)據(jù)集是存儲數(shù)據(jù)文件的集合,以通用格式存儲于零組件版本對象下,然后才可以使用。通過通用航天類工裝的模塊劃分,結(jié)合Teamcenter平臺的零部件模塊建立功能,建立通用航天類工裝零部件模塊庫,如圖5所示。

8 設(shè)計流程

對于航天類工裝,首先根據(jù)設(shè)計任務(wù)書分析其使用目的和設(shè)計需求,然后結(jié)合基于Teamcenter平臺建立的通用航天類工裝零部件模塊庫和Siemens NX軟件強大的標準庫,對航天類工裝零部件進行最大可能的調(diào)取使用,最后進行快速設(shè)計[8-9]和分析計算。航天類工裝模塊化設(shè)計流程如圖6所示。

9 設(shè)計驗證

采用所提出的航天類工裝模塊化設(shè)計方法,對某加載試驗航天類工裝進行設(shè)計驗證[10],所建立的加載試驗航天類工裝模型如圖7所示。

圖5 通用航天類工裝零部件模塊庫界面

圖6 航天類工裝模塊化設(shè)計流程

結(jié)合圖7和圖5可以看出,地基、標準梁、加載油缸都可以直接從通用航天類工裝零部件模塊庫中直接調(diào)用,標準件可從Siemens NX軟件標準庫中直接提取,加載座、支座可以通過修改通用航天類工裝零部件模塊庫中相似件的參數(shù)得到,只有支腿屬于新建模型,這樣極大縮減了工裝的設(shè)計時間,省去了通用零部件重復(fù)設(shè)計的成本,提高了設(shè)計效率。

圖7 加載試驗航天類工裝模型

加載試驗航天類工裝設(shè)計完成后,根據(jù)廠標規(guī)定的工裝分類方法,將其發(fā)送至Teamcenter平臺分類庫中,如圖8所示。設(shè)計人員可以通過身份標志號或工裝號對所有航天類工裝進行檢索,工藝人員亦可以基于分類庫中的航天類工裝進行工藝編制,進而提高工作效率。

10 結(jié)束語

筆者提出了航天類工裝模塊化設(shè)計方法,對通用航天類工裝零部件進行分類,結(jié)合Teamcenter平臺的強大數(shù)據(jù)創(chuàng)建功能,建立通用航天類工裝零部件模塊庫,由此實現(xiàn)航天類工裝的快速設(shè)計。通過某加載試驗航天類工裝進行設(shè)計驗證,確認通用零部件可以從通用航天類工裝零部件模塊庫中直接調(diào)用,省去了重復(fù)設(shè)計成本,提高了設(shè)計效率。

航天類工裝設(shè)計時,均采用通用航天類工裝零部件模塊庫中的模型,保證了圖紙中外購件符號的一致性。隨著后期通用航天類工裝零部件模塊庫的不斷充實完善,在保證航天類工裝質(zhì)量的前提下,不斷提高航天類工裝的設(shè)計效率,并且可以為企業(yè)節(jié)約更多的設(shè)計成本。