基于MBD的裝配工藝輔助模型快速生成技術(shù)研究

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 韓志仁 賈東海

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 高 紅 秦 月 郭喜鋒

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展及其在飛機(jī)研制過程中的應(yīng)用，MBD（Model-Based Definition，基于模型的定義）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。飛機(jī)MBD 綜合信息的三維模型不僅包括零件的實(shí)體模型，而且包括零件的尺寸、公差、連接定義、膠接定義、工藝信息等設(shè)計(jì)和制造信息[1]，是整個(gè)飛機(jī)產(chǎn)品制造過程中的唯一依據(jù)，使得飛機(jī)制造從以工程圖紙為主要制造依據(jù)、三維模型為輔助制造依據(jù)的傳統(tǒng)方法中解脫出來[2]。

國(guó)內(nèi)航空業(yè)已經(jīng)推廣基于MBD的全三維信息的數(shù)字化設(shè)計(jì)，在軍民機(jī)科研生產(chǎn)中已經(jīng)全面推廣數(shù)字化制造技術(shù)[3-4]。飛機(jī)裝配大綱主要包括管理頁(yè)、說明頁(yè)、草圖和零件配套單組成，包括裝配名稱編號(hào)、制造索引、工程更改申請(qǐng)單號(hào)、發(fā)放次號(hào)、架次控制、版次控制、客戶控制、系列號(hào)、簡(jiǎn)要工作說明、操作內(nèi)容要求、所需工裝設(shè)備、產(chǎn)品圖樣、工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量規(guī)范、檢驗(yàn)要求、工時(shí)定額、零件名稱和編號(hào)等40多項(xiàng)工藝信息、生產(chǎn)信息、質(zhì)量信息、過程信息。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配大綱可以分為文字描述、草圖（二維附圖）兩大部分，而數(shù)字化制造中飛機(jī)裝配分為文字描述、輔助模型（三維附圖）、 三維仿真動(dòng)畫三大部分。其中輔助模型用于指導(dǎo)工人現(xiàn)場(chǎng)裝配操作，提供標(biāo)準(zhǔn)件位置、連接件牌號(hào)、被連接件等工藝信息，輔助模型將作為飛機(jī)裝配的大綱內(nèi)容與文字描述一起進(jìn)行管理。由于國(guó)內(nèi)飛機(jī)MBD綜合信息模型中包括很多隱性信息，輔助模型的設(shè)計(jì)繁瑣且不易保證其規(guī)范性，有必要開發(fā)針對(duì)輔助模型的快速設(shè)計(jì)平臺(tái)。

MBD中連接表示方法

飛機(jī)裝配中定位和連接是兩個(gè)重要的工作。而連接的描述是裝配工藝制定的主要依據(jù)之一。在飛機(jī)全三維綜合信息模型中，標(biāo)準(zhǔn)件位置通過理論外形上的點(diǎn)和法矢表示，連接關(guān)系和連接件牌號(hào)等信息通過A數(shù)模中的連接定義描述，如圖1所示。蒙皮和加強(qiáng)口蓋通過螺栓和托板螺母連接，而托板螺母通過鉚接連接到加強(qiáng)件上，一組連接需要4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，即1個(gè)螺栓、1個(gè)托板螺母和2個(gè)鉚釘，這4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件的位置信息用理論外形上的點(diǎn)和法矢表示，連接標(biāo)準(zhǔn)件牌號(hào)和連接關(guān)系等在A數(shù)模中描述，被連接件為加強(qiáng)件和加強(qiáng)口蓋，連接完成的形式如圖2所示。該表達(dá)方式已經(jīng)完整描述了連接需要的所有信息。

圖1 連接關(guān)系

圖2 完全裝配圖

輔助模型

在實(shí)際飛機(jī)裝配中，經(jīng)常需要在加強(qiáng)口蓋、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件上預(yù)先加工導(dǎo)孔，在裝配過程中這些導(dǎo)孔作為鉆鉚接孔的基準(zhǔn)導(dǎo)孔。在編制三維飛機(jī)裝配大綱時(shí)，需要建立加強(qiáng)口蓋、梁、肋、桁條、加強(qiáng)件等結(jié)構(gòu)件的輔助模型，該輔助模型與裝配大綱文字描述一起用于飛機(jī)裝配。如圖1所示的連接中加強(qiáng)件和托板螺母的鉚接孔位置和螺栓連接的孔位置用理論外形上的點(diǎn)和法矢表示，而實(shí)際中工人需要直接對(duì)加強(qiáng)件進(jìn)行制孔操作，因此需要將理論外形上的標(biāo)準(zhǔn)件位置信息轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)件上，并根據(jù)飛機(jī)裝配大綱的要求設(shè)計(jì)輔助模型，如圖3所示，輔助模型包括導(dǎo)孔位置信息、導(dǎo)孔特征尺寸、基準(zhǔn)孔位置信息、基準(zhǔn)孔特征尺寸、結(jié)構(gòu)樹信息，其中結(jié)構(gòu)樹信息應(yīng)該符合企業(yè)規(guī)范。

圖3 輔助模型

輔助模型快速生成關(guān)鍵技術(shù)

1 標(biāo)準(zhǔn)件位置信息批量轉(zhuǎn)移技術(shù)

在建立加強(qiáng)件、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件的輔助模型時(shí)，需要將標(biāo)準(zhǔn)件位置信息由蒙皮理論外形轉(zhuǎn)移到加強(qiáng)件、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件上，再添加必要的導(dǎo)孔特征尺寸、基準(zhǔn)孔位置信息、基準(zhǔn)孔特征尺寸以及結(jié)構(gòu)樹信息等[5]。手工操作建立輔助模型非常繁瑣和耗時(shí)，而且容易出現(xiàn)人為差錯(cuò)和不規(guī)范問題。通過軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)輔助模型的快速規(guī)范設(shè)計(jì)，其中標(biāo)準(zhǔn)件位置信息批量轉(zhuǎn)移和工藝信息批量添加是關(guān)鍵技術(shù)之一。

由于輔助模型中標(biāo)準(zhǔn)件位置信息需要由蒙皮的理論外形轉(zhuǎn)移，涉及兩個(gè)以上零件，因此輔助模型設(shè)計(jì)在“Product”環(huán)境下進(jìn)行，環(huán)境中至少包括相關(guān)的蒙皮和加強(qiáng)件、梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)件。在CATIA環(huán)境下打開這個(gè)裝配體，進(jìn)入理論外形的“PART”環(huán)境，然后在結(jié)構(gòu)樹或者幾何圖形中拾取表示標(biāo)準(zhǔn)件位置信息的點(diǎn)[6]。判斷選取的點(diǎn)是否在“緊固件參考幾何”圖形集中，如果不在，提示錯(cuò)誤并退出；如果在圖形集中，繼續(xù)根據(jù)結(jié)構(gòu)樹信息，篩選出標(biāo)準(zhǔn)件信息，存放在字符串?dāng)?shù)組“ListOfHardware”中，相關(guān)聯(lián)的各個(gè)連接零件存放在字符串?dāng)?shù)組“ListOfPartnote”中。

獲取整個(gè)裝配體最上級(jí)的根目錄“RootFather”，從 RootFather->GetProduct()得到的各個(gè)子類產(chǎn)品組件存放在數(shù)組“spListPartNote”中，將“ListOfPartnote”數(shù)組中存放的信息和“spListPartNote”中的進(jìn)行比對(duì)，得到相關(guān)聯(lián)的組件“iPart”在結(jié)構(gòu)樹中的位置，存放在數(shù)組“iListPart”中，最后，將“緊固件參考幾何”中的點(diǎn)和法矢信息按照結(jié)構(gòu)樹規(guī)范性以粘貼的方式轉(zhuǎn)移到“iPart”中，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件位置信息的批量轉(zhuǎn)移，流程框圖如圖4所示。

2 工藝信息批量添加技術(shù)

在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件位置信息轉(zhuǎn)移后，生成輔助模型需要添加必要的工藝信息，包括導(dǎo)孔位置信息、導(dǎo)孔特征尺寸、基準(zhǔn)孔位置信息、基準(zhǔn)孔特征尺寸、結(jié)構(gòu)樹信息等。根據(jù)轉(zhuǎn)移后的點(diǎn)和對(duì)應(yīng)的法矢和導(dǎo)孔半徑批量生成導(dǎo)孔，導(dǎo)孔半徑采用規(guī)范的尺寸由程序自動(dòng)給出。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件信息“ListOfHardware”中的牌號(hào)對(duì)照公司牌號(hào)文件數(shù)據(jù)查詢得到尺寸信息，并將相應(yīng)的尺寸信息添加到數(shù)模中并在幾何模型中予以顯示。算法詳細(xì)流程如圖5所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)件位置信息轉(zhuǎn)移流程

3 結(jié)構(gòu)樹規(guī)范性添加

根據(jù)MBD設(shè)計(jì)單位以及使用單位結(jié)構(gòu)樹規(guī)范文件要求，標(biāo)準(zhǔn)件位置信息批量轉(zhuǎn)移后應(yīng)滿足以下要求：信息的正確性，保證轉(zhuǎn)移后信息的真實(shí)可靠，與轉(zhuǎn)移前是完全匹配的；信息的完整性，轉(zhuǎn)移后位置信息應(yīng)與轉(zhuǎn)移之前相同，并且不能出現(xiàn)原來沒有的多余信息，不能缺少或者遺漏部分信息；信息要確保在結(jié)構(gòu)樹中存放的節(jié)點(diǎn)級(jí)別和位置與要求相符等。輔助模型結(jié)構(gòu)樹信息除了標(biāo)準(zhǔn)位置信息外，還包括標(biāo)準(zhǔn)件位置尺寸標(biāo)注、基準(zhǔn)孔和導(dǎo)孔作圖過程等。輔助模型結(jié)構(gòu)樹格式如圖6所示。

圖5 工藝信息批量生成流程

4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)本文提出的算法，建立了基于CAA/CATIA輔助模型快速設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖7）。圖7中口蓋蒙皮與加強(qiáng)件裝配中需要建立加強(qiáng)件輔助模型，采用輔助模型快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，拾取需要轉(zhuǎn)移的標(biāo)準(zhǔn)件位置點(diǎn)，設(shè)計(jì)的輔助模型如圖8所示。

結(jié)論

圖6 結(jié)構(gòu)樹信息

圖7 輔助模型快速設(shè)計(jì)窗口

圖8 加強(qiáng)件輔助模型

通過對(duì)基于MBD的裝配工藝模型快速生成技術(shù)研究，解決了實(shí)際生產(chǎn)過程中工藝設(shè)計(jì)部門、生產(chǎn)部門在MBD使用中標(biāo)準(zhǔn)件位置信息批量轉(zhuǎn)移到其他相關(guān)裝配件上遇到的問題。以CAA/CATIA為平臺(tái)，建立了裝配工藝輔助模型快速生成平臺(tái)軟件。通過提高工藝設(shè)計(jì)效率，減少工藝人員不必要的勞動(dòng)，降低人為出錯(cuò)率，提高數(shù)字化制造的水平，降低研制成本，為工藝設(shè)計(jì)數(shù)字化奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] 王境宇,鄧立營(yíng). 基于CATIA的產(chǎn)品定義信息三維表達(dá)及組織方法. 制造業(yè)自動(dòng)化 ,2011,33(11)：130-133.

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