主模型驅(qū)動(dòng)的模型槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)

余瑩，陳煥，陳垚鋒，程起有

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所直升機(jī)旋翼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西景德鎮(zhèn) 333001）

0 引言

模型槳葉主要是用在直升機(jī)縮比模型試驗(yàn)中驗(yàn)證全尺寸槳葉氣動(dòng)特性的。試驗(yàn)前，需要對(duì)模型槳葉上貼的應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定，以便在試驗(yàn)中準(zhǔn)確地監(jiān)控槳葉剖面載荷。標(biāo)定夾具的主要作用是在模型槳葉標(biāo)定時(shí)，對(duì)槳葉進(jìn)行固定、夾緊及加載。如今直升機(jī)向著高速化、無(wú)人化、智能化方向發(fā)展，模型槳葉尺寸結(jié)構(gòu)更改頻繁、一副槳葉不同翼型段加載夾具也不同，這就對(duì)模型槳葉標(biāo)定夾具設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量有了更高要求[1-3]。

當(dāng)前模型槳葉標(biāo)定夾具的手工設(shè)計(jì)模式效率低、繁雜、易出錯(cuò)，不能有效重復(fù)利用已有的槳葉標(biāo)定夾具。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在夾具快速變型設(shè)計(jì)方面有不少研究：伍偉[4]在自動(dòng)開(kāi)封蓋的變型設(shè)計(jì)中，建立了一套尺寸約束處理方法，較好地知道產(chǎn)品尺寸約束傳遞路徑，但尺寸約束處理準(zhǔn)則還需完善；卜慶奎等[5]和黃斌達(dá)等[6]建立一種夾具模板的方式，以裝夾特征為依據(jù)，一定程度提高了夾具設(shè)計(jì)效率，但在復(fù)雜夾具情況下，需要手動(dòng)修改部分參數(shù)，且未考慮二維圖的生成；在提高夾具設(shè)計(jì)效率方面，陳明生等[7]針對(duì)航空夾具設(shè)計(jì)時(shí)，提出了不同層次的知識(shí)重用，包括零部件重用、裝配關(guān)系重用等，為夾具的高效率設(shè)計(jì)提供了思路。

基于此，本文提出一種主模型驅(qū)動(dòng)的模型槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)的方法。該方法基于主模型的思想，通過(guò)構(gòu)建槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)主模型，并將模型槳葉的三維裝夾特征與夾具變型設(shè)計(jì)主模型的關(guān)鍵尺寸映射關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的參數(shù)驅(qū)動(dòng)，從而擯棄手動(dòng)量取尺寸建模，可大幅簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)操作，減少人為誤差，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)原理

主模型可以作為具有特征相似性產(chǎn)品的原始三維模型，描述了產(chǎn)品的主要特征，像模板一樣通過(guò)對(duì)一些關(guān)鍵參數(shù)的修改來(lái)控制產(chǎn)品變型[8-9]。

變型設(shè)計(jì)是以不改變?cè)a(chǎn)品的基本原理、功能和結(jié)構(gòu)等為前提，對(duì)組成產(chǎn)品相關(guān)元組件的尺寸進(jìn)行重新賦值，或改變部分元件的結(jié)構(gòu)位置，以適應(yīng)新產(chǎn)品的功能需求[10-11]。

主模型驅(qū)動(dòng)的模型槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)原理如圖1所示。首先通過(guò)分析模型槳葉和標(biāo)定夾具間的裝配關(guān)系，得到裝夾特征（定位、夾緊、加載的點(diǎn)線面），基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論用這些點(diǎn)線面的關(guān)鍵尺寸繪制尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖，得到標(biāo)定夾具內(nèi)部尺寸間、夾具與槳葉尺寸間的關(guān)聯(lián)，并建立映射關(guān)系。接著，用夾具與槳葉的映射關(guān)系和裝配約束關(guān)系即可建立標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)主模型。若要為新模型槳葉設(shè)計(jì)標(biāo)定夾具，只需拾取模型槳葉的裝夾特征，便可自動(dòng)驅(qū)動(dòng)夾具變型設(shè)計(jì)主模型快速變型，完成夾具設(shè)計(jì)，并快速繪出標(biāo)定夾具的二維圖。

圖1 槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)原理圖

2 夾具變型設(shè)計(jì)主模型構(gòu)建

2.1 標(biāo)定夾具尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建

槳葉標(biāo)定夾具包括槳葉根部固定夾具和槳葉型面段加載夾具。這里以槳葉根部夾具設(shè)計(jì)為例。槳葉根部夾具主要用來(lái)固定夾緊槳葉根部的上下平面和安裝孔，槳葉根部夾具的裝夾特征面主要是平直面和圓柱面，如圖2（a）所示，平直面對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵尺寸為長(zhǎng)L和寬W，圓柱面對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵尺寸為高H和直徑D。

圖2 槳葉根部夾具裝夾面及尺寸參數(shù)

根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論可建立槳葉根部夾具的尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示。在尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖中，每一個(gè)畫(huà)圈尺寸參數(shù)視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用有向箭頭線進(jìn)行連接，箭頭上的關(guān)系式代表兩兩節(jié)點(diǎn)參數(shù)間的換算關(guān)系，例如H2=d+15，X代表有向邊的源頭節(jié)點(diǎn)尺寸。節(jié)點(diǎn)中有向邊離開(kāi)和指向的邊的和記為出度和入度，例如參數(shù)L1出度為1，入度為2，其中將只有出度，入度為零的節(jié)點(diǎn)或既沒(méi)有出度也沒(méi)有入度的孤立節(jié)點(diǎn)參數(shù)作為裝夾特征主尺寸參數(shù)，分別為L(zhǎng)2、d、W和H1。

圖3 槳葉標(biāo)定夾具尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖

模型槳葉根部安裝的裝夾特征主尺寸主要包括安裝孔的直徑尺寸參數(shù)dr1、兩安裝孔位置尺寸參數(shù)Lr2、安裝孔到模型槳葉根部端面尺寸參數(shù)Hr1、模型槳葉厚度尺寸參數(shù)Wr1，也是安裝柱面高度尺寸，這4個(gè)尺寸參數(shù)可由3個(gè)裝夾特征面確定，即2個(gè)安裝孔柱面和模型槳葉左端面。

由此，可根據(jù)槳葉根部夾具和槳葉裝夾關(guān)系，繪制模型槳葉和槳葉根部夾具間的尺寸參數(shù)約束網(wǎng)絡(luò)圖，如圖5所示，即槳葉根部夾具可由模型槳葉的dr1、Lr2、Hr1、Wr1等4個(gè)參數(shù)驅(qū)動(dòng)變型，黑箱代表模型槳葉和標(biāo)定夾具之間的參數(shù)關(guān)系。

圖5 模型槳葉與槳葉根部夾具約束網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 建立尺寸參數(shù)間映射關(guān)系

根據(jù)尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖，即可構(gòu)建槳葉根部夾具尺寸參數(shù)間和槳葉根部裝夾夾具與模型槳葉之間的尺寸參數(shù)映射關(guān)系。

1）槳葉夾具尺寸參數(shù)間的映射關(guān)系。按照有向邊上的換算關(guān)系式建立，例如H2=d+15。

2）槳葉根部裝夾夾具與模型槳葉之間的尺寸參數(shù)映射關(guān)系。

在常用CAD軟件中，不同部件之間以“：：”域的方式進(jìn)行映射關(guān)聯(lián)，例如L2=R：：Lr2，這里R指模型槳葉。

2.3 裝配約束關(guān)系建立

裝配約束關(guān)系的建立主要用于后續(xù)驗(yàn)證變型生成的新標(biāo)定夾具和新模型槳葉裝配是否符合要求，以及是否存在干涉問(wèn)題時(shí)能夠自動(dòng)裝配。

槳葉根部夾具與模型槳葉的裝配約束包含以下2個(gè)（如圖6）：1個(gè)安裝柱面孔外徑的同心約束、槳葉根部夾具槽底平面與模型槳葉根部左端平面的面面接觸約束。

圖6 槳葉根部夾具與模型槳葉裝配約束

這里采用一種裝配幾何元素屬性值標(biāo)記方法，為槳葉根部夾具參與裝配的幾何面添加面裝配約束關(guān)系屬性值，標(biāo)記為：AC#01#Typeconcentric, AC#02#TypeTouch。其中“AE”是“Assembly Constraint”縮寫(xiě)；“01”為參與裝配的第一個(gè)幾何面；“Typeconcentric”表示同心約束；“TypeTouch”表示面面接觸約束，以便通過(guò)讀取夾具三維模型的幾何面的屬性值，獲取裝配約束的順序及約束類型，完成與槳葉三維模型自動(dòng)裝配。

圖4 槳葉根部部分裝夾特征尺寸

2.4 構(gòu)建夾具變型設(shè)計(jì)主模型

依據(jù)尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖，在參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，構(gòu)建槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)主模型，將其記為FM，F(xiàn)M是夾具主模型的唯一標(biāo)志，如式（1）所示：

式中：FM表示夾具主模型，F(xiàn)M3D表示夾具主模型的三維模型，F(xiàn)MPi表示夾具主模型的第i屬性，MPRi表示主模型屬性中的第i個(gè)參數(shù)關(guān)系式，MPDi表示主模型屬性值中的第i個(gè)裝夾特征主尺寸參數(shù)，AEi表示槳葉根部夾具參與裝配的第i幾何元素標(biāo)志。

如圖7所示，F(xiàn)MPi和AEi作為模型自身的屬性值保存在夾具三維模型的屬性中。

圖7 夾具主模型屬性保存

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于上述槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)主模型構(gòu)建的原理及關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合NX二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了如圖8所示的模型槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能包括3個(gè)部分：變型設(shè)計(jì)、快速裝配及快速出圖。變型設(shè)計(jì)時(shí)，只需要選擇模型槳葉三維模型的2個(gè)安裝柱面（步驟1）和左端面（步驟2）即可；需要快速裝配時(shí)，選擇一條柱面外徑邊（步驟3），結(jié)合變型設(shè)計(jì)中選擇的左端面（步驟2）即可完成快速裝配；快速出圖，選擇好圖樣保存路徑，點(diǎn)擊快速出圖（步驟4），即可快速導(dǎo)出PDF格式圖樣。

圖8 模型槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)

4 實(shí)例驗(yàn)證

以某型號(hào)模型槳葉根部夾具設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員手工設(shè)計(jì)和用變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)間對(duì)比，如表1所示。設(shè)計(jì)時(shí)間從45 min減少到5 min左右，顯著提高了設(shè)計(jì)效率，且避免了設(shè)計(jì)過(guò)程中一些人為手工測(cè)量的誤差。

表1 手工設(shè)計(jì)與變型設(shè)計(jì)操作時(shí)間對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)模型槳葉標(biāo)定夾具人工設(shè)計(jì)效率低、易出錯(cuò)等問(wèn)題，利用尺寸約束網(wǎng)絡(luò)圖和主模型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)定夾具參數(shù)間、模型槳葉與標(biāo)定夾具裝夾特征面之間的參數(shù)映射；以添加裝配屬性標(biāo)記的方法，建立裝配約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)新標(biāo)定夾具與模型槳葉的快速裝配；最后結(jié)合二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了模型槳葉標(biāo)定夾具變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了具有快速變型設(shè)計(jì)、快速裝配功能外，還有快速出圖的功能，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該變型設(shè)計(jì)方法在夾具設(shè)計(jì)效率和可靠性上的提高。