數(shù)字化條件下三維數(shù)模在模線樣板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：在數(shù)字化條件下，三維數(shù)模已經(jīng)廣泛應(yīng)用在模線樣板的設(shè)計(jì)中。通過介紹三維數(shù)模在模線樣板設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，針對現(xiàn)階段三維數(shù)模在模線樣板設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題，結(jié)合MBD技術(shù)下三維數(shù)模的特點(diǎn)，進(jìn)一步完善三維數(shù)模。將三維數(shù)模的優(yōu)勢體現(xiàn)在模線樣板的設(shè)計(jì)中，進(jìn)而縮短模線樣板的設(shè)計(jì)與制造周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：MBD技術(shù)；三維數(shù)模；制造數(shù)據(jù)集；模線樣板

在數(shù)字化技術(shù)條件下，飛機(jī)的設(shè)計(jì)及制造等方面都取得了突破性的進(jìn)展，數(shù)字化的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的程度。在一些型號的研制中已全面采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、建立三維數(shù)字樣機(jī)、實(shí)現(xiàn)了工裝數(shù)字化定義和預(yù)裝配、實(shí)現(xiàn)了主要零件的數(shù)控加工，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造過程也開始運(yùn)用相應(yīng)的數(shù)字化技術(shù)手段進(jìn)行管理。目前，模線樣板作為一種經(jīng)濟(jì)、可靠的實(shí)用技術(shù)，還將在較長的一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。如何更好的提高模線樣板的設(shè)計(jì)水平，發(fā)揮三維數(shù)模的優(yōu)勢是需要設(shè)計(jì)員不斷探索的。

1 模線樣板的作用

模線樣板是飛機(jī)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的技術(shù)橋梁，是飛機(jī)幾何尺寸的原始依據(jù)。模線樣板的質(zhì)量直接影響到飛機(jī)制造的質(zhì)量和新機(jī)試制工作的順利進(jìn)行。由于模線樣板生產(chǎn)是飛機(jī)制造的第一步，飛機(jī)的大部分零件和工藝裝備都需要按模線樣板制造，所以，提高模線樣板質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很重要的意義。

2 基于MBD技術(shù)三維數(shù)模的特點(diǎn)

隨著MBD技術(shù)的發(fā)展，三維實(shí)體模型已經(jīng)完整表達(dá)了產(chǎn)品的定義信息，它詳細(xì)規(guī)定了三維實(shí)體模型中產(chǎn)品尺寸、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。MBD解決了產(chǎn)品尺寸、公差和工藝信息在三維實(shí)體模型中的描述問題，使三維數(shù)模成為設(shè)計(jì)、制造過程中的唯一依據(jù)。

3 模線樣板設(shè)計(jì)與制造流程

在傳統(tǒng)的模擬量傳遞的方法中，以二維圖紙為設(shè)計(jì)依據(jù)，模線樣板的設(shè)計(jì)與制造中手工勞動(dòng)量大，生產(chǎn)周期長，制造費(fèi)用高，并且尺寸傳遞過程環(huán)節(jié)多，誤差大。目前，隨著數(shù)字化的大力度發(fā)展，模線樣板的設(shè)計(jì)依據(jù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的二維圖紙轉(zhuǎn)化為基于MBD技術(shù)下的三維數(shù)模所生成的工程數(shù)據(jù)集和制造數(shù)據(jù)集。

4 三維數(shù)模在模線樣板中的應(yīng)用

基于MBD技術(shù)的三維數(shù)模包含了產(chǎn)品尺寸、公差和工藝信息等數(shù)據(jù)，它完全替代了二維工程圖紙和紙質(zhì)工藝指令，成為設(shè)計(jì)員、工藝員以及在生產(chǎn)現(xiàn)場工人工作的技術(shù)依據(jù)。用三維數(shù)模來生成理論模線、結(jié)構(gòu)模線和生產(chǎn)圖樣，大大提高了模線、樣板的設(shè)計(jì)質(zhì)量和繪制效果。

三維數(shù)模的應(yīng)用已經(jīng)在一定程度上改變了模線樣板的自身功能，在框、肋、梁、壁板等機(jī)加零件的加工上，模線樣板以由原來的加工依據(jù)變成了零件數(shù)控加工后的檢驗(yàn)依據(jù)。在蒙皮類、曲度較大的鈑金類零件加工中，利用三維數(shù)模生成模胎的方法大大減少了套切樣板、切鉆樣板、切面樣板的使用率，從而降低了模線樣板的設(shè)計(jì)數(shù)量。

以三維數(shù)模為設(shè)計(jì)、制造的依據(jù)，使設(shè)計(jì)者對零件的整體形態(tài)和結(jié)構(gòu)尺寸上有了全方位的認(rèn)識(shí)。設(shè)計(jì)員可以直接在三維數(shù)模的結(jié)構(gòu)樹中提取產(chǎn)品在研制過程中相關(guān)的各項(xiàng)屬性和功能等零件信息，實(shí)現(xiàn)了過程的簡化。目前，三維數(shù)模在模線樣板設(shè)計(jì)制造中已經(jīng)應(yīng)用一段時(shí)間了，但是在應(yīng)用上還存在一些有待解決的問題。

（1）三維數(shù)模中的零件尺寸的標(biāo)注方式不規(guī)范。在三維數(shù)模中對零件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行標(biāo)注，給數(shù)模使用者直觀的認(rèn)識(shí)，但是標(biāo)注方式的不統(tǒng)一也給設(shè)計(jì)員帶來不便。例如，機(jī)加零件中通孔數(shù)量較多，孔徑不一致，如果只針對同一孔徑的一個(gè)孔進(jìn)行標(biāo)注，那么設(shè)計(jì)員就要逐一查孔數(shù)，區(qū)分孔徑，給設(shè)計(jì)帶來難度。

（2）在零件建模中，軟件模塊使用不正確。CATIA軟件作為三維零件實(shí)體建模軟件之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)建模中。CATIA軟件所涉及的模塊相當(dāng)多。在現(xiàn)階段的三維數(shù)模中，不同類型的零件使用建模的模塊不正規(guī)。例如，對于鈑金零件如果應(yīng)用鈑金模塊建模，三維數(shù)模設(shè)計(jì)比較規(guī)范，生產(chǎn)展開數(shù)據(jù)也十分方便，但是現(xiàn)在建模者只注重零件最后的形態(tài)和忽略建模過程，常常用實(shí)體模塊完成建模步驟，導(dǎo)致零件后續(xù)的設(shè)計(jì)、加工比較困難。

（3）三維數(shù)模形狀與零件實(shí)際加工形狀存在差異。三維數(shù)模體現(xiàn)的是零件最后的形狀，而利用三維數(shù)模生成的數(shù)據(jù)在進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，加工過程中會(huì)產(chǎn)生工藝差異，像零件回彈等因素，使最終加工的零件無法滿足需要。例如，如圖2所示鈑金零件，用其三維展開數(shù)模，如圖3所示，進(jìn)行下料生成的零件與三維數(shù)模不符。

5 基于MBD技術(shù)三維數(shù)模的改進(jìn)

三維數(shù)模作為模線樣板設(shè)計(jì)、制造的依據(jù)已經(jīng)完全改變了模線樣板設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)模式。數(shù)字化條件下，三維數(shù)模已經(jīng)具備數(shù)控加工所需要的有關(guān)形狀、尺寸和工藝參數(shù)等幾何數(shù)據(jù)，可以利用三維數(shù)模對零件、模胎等進(jìn)行直接加工，在一定程度上減少了模線樣板的使用數(shù)量和種類，同時(shí)也加快了模線樣板的設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量。如果將下述的內(nèi)容融入到現(xiàn)有的三維數(shù)模中，那么在模線樣板的設(shè)計(jì)制造過程中將有更大的進(jìn)展。

（1）利用制造數(shù)據(jù)集進(jìn)行模線樣板設(shè)計(jì)。將模線樣板所需的工藝孔，裝配孔，定位孔，定位耳片，工藝余量，化銑余量等信息加入到三維數(shù)模中形成可直接用于工裝設(shè)計(jì)與制造、零件的加工和檢驗(yàn)的制造數(shù)據(jù)集。利用制造數(shù)據(jù)集設(shè)計(jì)模線樣板，保證了零件與模胎，零件與零件之間的協(xié)調(diào)。

（2）將二維展開圖形在三維數(shù)模中體現(xiàn)。在設(shè)計(jì)鈑金類、蒙皮類零件時(shí)，最常用到展開樣板和二維展開數(shù)據(jù)集。二維展開數(shù)據(jù)集是以三維數(shù)模為依據(jù)，將腹板面為平面的帶彎邊的鈑金零件、帶曲度的蒙皮類零件在CATIA或CAD軟件中生成的二維展開數(shù)據(jù)，它同展開樣板一樣用作零件的下料。展開數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響零件的質(zhì)量，而展開樣板和二維展開數(shù)據(jù)集的設(shè)計(jì)速度直接影響生產(chǎn)廠零件的開工速度。因此，改變?nèi)S數(shù)模原有形態(tài)，將二維展開數(shù)據(jù)在三維數(shù)模中直接體現(xiàn)，則很大程度上提高了展開樣板的設(shè)計(jì)速度。以C系列現(xiàn)有三維數(shù)模為例，在設(shè)計(jì)三維數(shù)模時(shí)將二維展開數(shù)據(jù)以幾何圖形集的形式添加在數(shù)模結(jié)構(gòu)樹上，展開圖形與三維實(shí)體協(xié)調(diào)，這樣在設(shè)計(jì)展開樣板時(shí)就不用對三維實(shí)體進(jìn)行操作而將二維數(shù)據(jù)直接投影出來即可。提高了模線、樣板的設(shè)計(jì)速度。

（3）將零件狀態(tài)表和孔信息等技術(shù)信息融入到三維數(shù)模中。在模線樣板的設(shè)計(jì)中，不可忽視零件狀態(tài)表的孔信息。工藝孔的大小和數(shù)量直接影響零件、組件、部件的裝配，目前，在使用三維數(shù)模的同時(shí)還要查找狀態(tài)表，影響模線樣板的設(shè)計(jì)速度，孔的位置和數(shù)量也相對容易發(fā)生錯(cuò)誤。如果將零件狀態(tài)表和孔信息等技術(shù)信息融入到三維數(shù)模中，就可以避免上述問題，直接進(jìn)行模線樣板的設(shè)計(jì)，加快設(shè)計(jì)速度，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（4）將三維數(shù)模與零件實(shí)際加工過程相結(jié)合。在三維數(shù)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮加工工藝的要求和特點(diǎn)，涉及刀具的圓角、成型工藝等問題要考慮周全，既使零件加工容易，又能節(jié)約材料，保證強(qiáng)度。例如圖2所示鈑金零件，利用軟件展開的尺寸無法滿足零件成型，那么在三維數(shù)模中設(shè)計(jì)二維展開時(shí)就要對展開尺寸進(jìn)行修改、完善，達(dá)到工藝成型要求。

6 結(jié)束語

數(shù)字化條件下，三維數(shù)模的應(yīng)用已經(jīng)使模線樣板設(shè)計(jì)的方式發(fā)生了改變，并從根本上提高模線樣板設(shè)計(jì)的效率，大大縮短了模線樣板的設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。雖然以三維數(shù)模在樣板的設(shè)計(jì)中會(huì)遇到一些問題，但相信隨著產(chǎn)品三維模型管理和設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)與規(guī)范，三維數(shù)模的應(yīng)用將會(huì)更加完善。

參考文獻(xiàn)

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