飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配技術(shù)研究

杜寶江，鄒曉萍，趙正濤，周和星

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配技術(shù)研究

杜寶江，鄒曉萍，趙正濤，周和星

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

在飛機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)件的裝配設(shè)計(jì)是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)裝配特征進(jìn)行分析，并運(yùn)用CATIA的發(fā)布功能發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)件的裝配特征，通過(guò)基體模型特征信息的提取技術(shù)完成了對(duì)基體模型裝配基準(zhǔn)的創(chuàng)建，利用裝配特征的信息匹配算法，并結(jié)合二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件的快速裝配。以螺栓螺母的虛擬裝配為例，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件的裝配特征的調(diào)用以及快速裝配，大幅提高了裝配設(shè)計(jì)效率。

快速裝配；裝配特征；標(biāo)準(zhǔn)件；特征提取

在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，裝配是個(gè)重要的環(huán)節(jié)，裝配的工作效率和工作質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品的制造周期和最終質(zhì)量有著重大的影響。因此，提高裝配的工作效率和工作質(zhì)量，降低裝配成本，提高裝配的規(guī)范化程度刻不容緩[1]。在大型裝配體中，如飛機(jī)、船舶、汽車等，其零件數(shù)目不計(jì)其數(shù)，其中通用的標(biāo)準(zhǔn)件占了相當(dāng)大的比重。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)件，提高了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。所以，如何使標(biāo)準(zhǔn)件充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，減少大量的重復(fù)性勞動(dòng)有著重要意義。本文以基于CATIA的標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配技術(shù)為例進(jìn)行闡述。通過(guò)對(duì)目前裝配特征的分析，得出快速裝配特征的創(chuàng)建方法，進(jìn)一步分析基體模型特征的提取方法、模型裝配基準(zhǔn)的創(chuàng)建等，最后實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件的成套快速裝配。

1 飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件裝配特征的研究

1.1 裝配特征分析

裝配特征是表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)件之間裝配關(guān)系的一種載體，從裝配設(shè)計(jì)的角度來(lái)看，裝配特征是一種相比于幾何元素具有更高層次更直觀的信息[2]；參與裝配的標(biāo)準(zhǔn)件是具有若干裝配特征的組合體，而一個(gè)完整的裝配體則可看成是標(biāo)準(zhǔn)件按照各種裝配特征關(guān)系連接到一起組成的組合體；裝配特征的引入使得裝配設(shè)計(jì)操作的對(duì)象不再是底層元素，而是裝配特征，其將標(biāo)準(zhǔn)件中與裝配有關(guān)的屬性和對(duì)這些屬性的操作封裝在一起，并在后續(xù)的裝配設(shè)計(jì)中將其分配到各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件，使設(shè)計(jì)人員能在裝配層次上進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)[3]。

綜合以上定義并結(jié)合快速裝配的需求，本文將裝配特征定義為：具有一定的工程意義并且相互之間可以發(fā)生裝配約束關(guān)系的拓?fù)潢P(guān)聯(lián)和幾何元素的集合，并以幾何特征為載體傳達(dá)零件的裝配約束關(guān)系。一般將裝配特征分為面特征、線特征和點(diǎn)特征等[4]。如圖1所示，其中面特征主要指零件幾何模型的表面、進(jìn)行裝配時(shí)用到的基準(zhǔn)面等；線特征指零件裝配時(shí)用的基準(zhǔn)軸線、幾何模型的棱角線、圓柱面的軸線等；點(diǎn)特征則主要指標(biāo)準(zhǔn)件裝配時(shí)設(shè)置的基準(zhǔn)點(diǎn)等。

圖1 裝配特征分類

根據(jù)以上對(duì)裝配特征的定義及分類，結(jié)合本文所研究的主要內(nèi)容，上述3種裝配特征在標(biāo)準(zhǔn)件中具體的表現(xiàn)形式如圖2所示。

圖2 裝配特征3種表現(xiàn)形式

1.2 標(biāo)準(zhǔn)件裝配特征的提取

由于機(jī)械類標(biāo)準(zhǔn)件與普通零部件結(jié)構(gòu)上有一定的差別，其裝配特征與普通零部件的裝配特征必然存在差別，且由于標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)化，其裝配特征通常表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件及其裝配特征進(jìn)行分析，便可將標(biāo)準(zhǔn)件的裝配特征進(jìn)行簡(jiǎn)化歸類，方便快速裝配的實(shí)現(xiàn)。

常用的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件大部分可看成回轉(zhuǎn)體，均擁有軸線，在裝配過(guò)程中，只要使標(biāo)準(zhǔn)件的軸線與裝配位置的軸線相重合就能實(shí)現(xiàn)徑向定位[5]。此外，由于標(biāo)準(zhǔn)件通常都是起到緊固或者定位作用，這就要求標(biāo)準(zhǔn)件上必然會(huì)有個(gè)位置進(jìn)行軸向定位，將這個(gè)特殊位置與裝配基體上的基準(zhǔn)面進(jìn)行約束即可實(shí)現(xiàn)軸向定位。同時(shí)實(shí)現(xiàn)與裝配基體相配合的徑向定位與軸向定位便完成了標(biāo)準(zhǔn)件的裝配。標(biāo)準(zhǔn)件的回轉(zhuǎn)特性，以及裝配過(guò)程中兩個(gè)定位規(guī)律都為裝配特征的創(chuàng)建與提取創(chuàng)造了良好的條件。

以螺栓為例，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的裝配特征進(jìn)行分析，螺栓可看作由螺栓頭與螺栓軸組成的標(biāo)準(zhǔn)件，如圖3所示。僅從幾何特征來(lái)講，對(duì)于一個(gè)完整的螺栓，螺栓頭包含了上端面、下端面、正六面體等特征；螺柱包含了上端面、下端面、圓柱體、軸線、螺紋面等特征。這些特征在螺栓制造時(shí)均是必須考慮的，但對(duì)于裝配過(guò)程來(lái)講，這些幾何特征并不是都要考慮的，在裝配時(shí)，只需要根據(jù)裝配基體的孔徑確定螺柱的徑向尺寸，根據(jù)夾層厚度確定螺柱長(zhǎng)度，根據(jù)這兩個(gè)信息便可確定裝配所需螺栓的幾何尺寸，在標(biāo)準(zhǔn)件插入裝配環(huán)境時(shí)，由于配合通常均是過(guò)盈配合或者間隙配合，因此也不用柱面尺寸作為裝配約束關(guān)系創(chuàng)建的參考。結(jié)合以上的分析可知，在CATIA裝配設(shè)計(jì)中，對(duì)螺栓的完全定位需要兩個(gè)約束關(guān)系，分別對(duì)螺栓頭部的下端面與裝配體的某個(gè)面貼合約束以及螺栓的中心軸線與裝配體上的某個(gè)孔的軸線同軸約束即可。

圖3 螺栓幾何特征圖

通常情況下，在裝配設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中需要設(shè)計(jì)人員在三維模型上選擇裝配的元素，即使設(shè)計(jì)人員知道某一類零件特定的裝配約束，也要重復(fù)不斷地進(jìn)行裝配元素的選取工作，對(duì)于由同一零件參數(shù)化模型實(shí)例化出的所有零件，其的裝配特征都是相同類型的，因此可將某個(gè)零件或零件上的某些裝配特征公開(kāi)發(fā)布[6]，作為快速裝配的參考元素。這些參考元素將由快速裝配模塊自動(dòng)識(shí)別，而無(wú)需用戶進(jìn)行選取。在裝配設(shè)計(jì)環(huán)境中，使用已發(fā)布的元素做定位，可實(shí)現(xiàn)不同零部件之間的替換，并能保持裝配關(guān)系不變，方便這些幾何信息需要被其他模型引用時(shí)的信息共享。

裝配特征對(duì)應(yīng)元素的發(fā)布對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件模型裝配特征的提取有很大的幫助。由于線與面這兩種元素可對(duì)應(yīng)多種不同的裝配類型，所以將不同類型的裝配特征用不同的名稱發(fā)布出來(lái)，然后根據(jù)這個(gè)名稱來(lái)判斷裝配特征的約束類型，建立標(biāo)準(zhǔn)件模型發(fā)布特征與約束類型之間的關(guān)系表，如表1所示。

表1 發(fā)布特征與約束類型關(guān)系

以螺栓為例，標(biāo)準(zhǔn)件的裝配特征發(fā)布過(guò)程及效果如圖4所示。

在螺栓上發(fā)布出來(lái)的面特征適用于面與面的接觸約束，發(fā)布出來(lái)的軸特征適用于線與線的共線約束，其他類型的如軸承、機(jī)體構(gòu)件、以及其它機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件，由于其裝配過(guò)程中與螺栓類似僅僅需要自身軸線與裝配基體模型軸線共線，且其自身某個(gè)面與裝配基體的參考面共面即可實(shí)現(xiàn)定位，因此在標(biāo)準(zhǔn)件模型創(chuàng)建時(shí)按照螺栓發(fā)布裝配特征的方法將其對(duì)應(yīng)的面與軸、線按照固定的分類發(fā)布出來(lái)即可，如表2所示。

這些按照固定分類發(fā)布出來(lái)的特征方便了裝配特征的編碼設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)不同種類裝配特征信息的編碼，然后通過(guò)讀取裝配特征信息碼，為完成后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)件的快速裝配功能奠定了基礎(chǔ)。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)件裝配特征信息

2 飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件裝配構(gòu)建技術(shù)研究

2.1 基體模型特征檢測(cè)

模型特征可分為顯性特征和隱性特征兩大類，顯性特征是直接顯示在結(jié)構(gòu)樹(shù)中的信息，其通常均是由參數(shù)和具有一定名稱的幾何圖形集組成，隱形信息不在結(jié)構(gòu)樹(shù)中顯示而是隱含在模型之中[7]。通常通過(guò)遍歷結(jié)構(gòu)樹(shù)來(lái)提取這兩類信息。遍歷是指沿著某條搜索路線，依次對(duì)樹(shù)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)均做一次且僅做一次訪問(wèn)以查找所需目標(biāo)[8]。顯性信息可通過(guò)遍歷結(jié)構(gòu)樹(shù)得到，而隱形信息必須在遍歷后再進(jìn)一步處理才能得到。特征檢測(cè)的流程，如圖5所示。

圖5 特征檢測(cè)流程圖

在飛機(jī)的裝配設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)用到大量的緊固件、軸承、機(jī)體構(gòu)件等標(biāo)準(zhǔn)件，其在裝配過(guò)程中主要以基體模型的形狀特征為參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的快速裝配?；w模型的形狀特征屬于隱性信息，提取基體模型的關(guān)鍵尺寸是進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配的必要條件。下面便以機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件配合關(guān)系最為常見(jiàn)的基體模型中的孔特征為例，提取的裝配孔信息如表3所示。

表3 裝配孔形狀特征信息

以孔徑尺寸信息的獲取為例，孔的關(guān)鍵尺寸是通過(guò)對(duì)柱面選擇信息的測(cè)量獲得的[9]。測(cè)量函數(shù)可用CATIA類庫(kù)SPATypeLib.SPAWorkbench下的成員函數(shù)GetMeasurable(ByValiMeasuredItem As INFITF.Reference) As SPAType-Lib.Measurable，該函數(shù)的類型為Measurable，參數(shù)類型為Reference，獲得基體模型參考尺寸的核心語(yǔ)句為：

Dim Measure As Measurable

Dim radius As Double

‘ 判斷選擇信息的類型若為“CylindricalFace”，則對(duì)其進(jìn)行測(cè)量

If StrComp(“CylindricalFace”,selection1.Item(i).Type) = 0 Then

Measrue = oSPAWork-bench.GetMeasurable(selection1.Item(i).Reference)

radius = Measure.Radius

End If

以上函數(shù)提取了裝配基體上孔的直接信息。依照這種方法可得到裝配基體的其他形狀特征，從而為標(biāo)準(zhǔn)件的幾何信息的提取打下了基礎(chǔ)。

2.2 基體模型特征信息的提取

大部分情況下，CATIA不能替設(shè)計(jì)員做判斷和決定，需要設(shè)計(jì)員與系統(tǒng)交互以決定下一步的運(yùn)行參數(shù)，這就需要用到CATIA的交互功能。這些交互操作可通過(guò)編程中的Selection對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)[10]。Selection對(duì)象包含了當(dāng)前狀態(tài)下的選擇特征。這些特征可以是搜索命令的返回值，也可由設(shè)計(jì)人員用鼠標(biāo)選取或是通過(guò)程序添加。每個(gè)文檔僅有一個(gè)Selection對(duì)象，可以用以下代碼獲得CATIA的Selection對(duì)象。

Dim oSelection As Selection

oSelection = oProdDoc.Selection ‘ oProdDoc為當(dāng)前運(yùn)行的product對(duì)象

Selection對(duì)象是一個(gè)集合對(duì)象，通過(guò)Item方法遍歷其中的元素、Add方法添加元素、Clear方法清空元素以及FilterCorrespondence方法和FindObject

方法過(guò)濾指定類型的元素。 FindObject方法的功能是在當(dāng)前選擇集中搜索指定類型的元素，其語(yǔ)法為：

FindObject(ByRefiObjectType As String) As INFITF.AnyObject，其中參數(shù)iObjectType為元素的CATIA前綴。

在設(shè)計(jì)人員進(jìn)行模型的交互選擇過(guò)程中，Selection對(duì)象提供了可進(jìn)行多重選擇的SelectElement3方法。該方法可運(yùn)行交互選擇命令，選擇多個(gè)元素，其語(yǔ)法為：

SelectElement3(ByValiFilterType As System.Array, ByRefiMessage As String,

ByValiObjectSelectionPossibility As Boolean,

ByValiMultiSelectionMode As INFITF.CATMultiSelectionMode,

ByValiTooltip As Boolean) As String

通過(guò)FindObject方法和SelectElement3方法可以進(jìn)行有針對(duì)性的模型特征選擇，進(jìn)而從選擇信息中獲得特定類型的元素，滿足在交互選擇過(guò)程中模型特征提取的要求。

2.3 基體模型裝配基準(zhǔn)的創(chuàng)建

通過(guò)以上論述可知設(shè)計(jì)人員制定了程序遍歷的目標(biāo)范圍，從而提高了特征的獲取效率，但在模型的快速裝配過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)人員對(duì)選擇信息進(jìn)行針對(duì)性的處理，例如提取出用于建立裝配約束關(guān)系的特征并建立相應(yīng)的裝配基準(zhǔn)，忽略與標(biāo)準(zhǔn)件裝配無(wú)關(guān)的特征信息等。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，首先要對(duì)基體模型的選擇信息進(jìn)行判斷，根據(jù)選擇信息的類型來(lái)確定裝配基準(zhǔn)的類型。例如飛機(jī)裝配設(shè)計(jì)中使用最多的“軸-面”裝配基準(zhǔn)創(chuàng)建過(guò)程為：對(duì)模型的選擇信息進(jìn)行判斷，若特征類型為平面，則提取該特征的裝配樹(shù)路徑生成裝配面特征；若特征類型為柱面，則提取該特征的裝配樹(shù)路徑生成裝配軸特征，并將裝配軸方向設(shè)置為與裝配特征面的法向量方向相同，具體流程如圖6所示。

圖6 裝配基準(zhǔn)創(chuàng)建流程

選擇信息的判斷及裝配基準(zhǔn)的創(chuàng)建可以通過(guò)函數(shù)CreateReferenceFromName (ByRefiLabel As String) As INFITF.Reference進(jìn)行，’ 判斷選擇信息的類型若“PlanarFace”，則建立參考面

If StrComp("PlanarFace",selection1.Item(i).Type) = 0 Then

Reference-Face=Product.CreateReferenceFromName(Pro-duct.Name&"/"&Selection.Item(i).LeafProduct.Name & "/!" &Selection.Item(i).Reference.Name

End If

’判斷選擇信息的類型若“CylindricalFace”，則建立參考軸

If StrComp("CylindricalFace",selection1.Item(i).Type) = 0 Then

Reference-Axis=Product.CreateReferenceFromName(Product.Name&"/"&Selection.Item(i).LeafProduct.Name & " /!Axis:( " &Selection.Item(i).Reference.Name& ")"

End If

以上程序完成了裝配基體模型的裝配基準(zhǔn)參考軸與參考面的自動(dòng)創(chuàng)建。飛機(jī)裝配設(shè)計(jì)中常用的緊固件、軸承、滑輪等機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件在裝配過(guò)程中的共同特點(diǎn)就是均需要一個(gè)特征軸和一個(gè)特征面完成約束。因此，均可通過(guò)以上方法實(shí)現(xiàn)裝配基體模型裝配基準(zhǔn)參考軸與參考面的創(chuàng)建。

3 飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)運(yùn)用以上技術(shù)，可大幅簡(jiǎn)化裝配流程，從而節(jié)約大量時(shí)間、人力成本。以常用的螺栓、螺母和墊片標(biāo)準(zhǔn)件組為例，對(duì)上述理論進(jìn)行論證。首先，由設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊成套裝配按鈕，選取目標(biāo)裝配孔直徑。這時(shí)系統(tǒng)會(huì)利用選擇信息提取技術(shù)和裝配基準(zhǔn)創(chuàng)建技術(shù)完成對(duì)所選信息的提取及裝配基準(zhǔn)的創(chuàng)建，系統(tǒng)根據(jù)獲得的裝配孔直徑和深度信息匹配標(biāo)準(zhǔn)件的裝配尺寸及螺栓長(zhǎng)度，同時(shí)自動(dòng)搜索與該螺栓相匹配的螺母和墊片，并顯示在對(duì)話框中。如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)件組類型匹配界面

其次，設(shè)計(jì)人員根據(jù)裝配要求在下拉列表中選擇具體的螺栓、螺母和墊片，系統(tǒng)讀取該套標(biāo)準(zhǔn)件組的位置關(guān)系規(guī)則，完成螺栓、螺母和墊片之間位置關(guān)系和約束關(guān)系的創(chuàng)建。最后在基體模型中選擇相對(duì)應(yīng)的裝配面和裝配軸，點(diǎn)擊確認(rèn)按鈕系統(tǒng)將根據(jù)裝配特征的匹配算法及裝配約束關(guān)系創(chuàng)建技術(shù)載入整套標(biāo)準(zhǔn)件組實(shí)現(xiàn)與基體模型的快速裝配[11]，如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)件組快速裝配

當(dāng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件組中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行更改時(shí)，與之適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，例如當(dāng)螺母的厚度由8 cm變?yōu)?0 cm時(shí)，該套標(biāo)準(zhǔn)件裝配系列中的墊片厚度和螺栓長(zhǎng)度也要重新做出調(diào)整，并重新更改該標(biāo)準(zhǔn)件組的約束關(guān)系，如圖9所示。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)件組更新界面

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件裝配過(guò)程中存在大量重復(fù)性勞動(dòng)的問(wèn)題，提出了一種基于裝配特征的標(biāo)準(zhǔn)件快速裝配技術(shù)，闡述了標(biāo)準(zhǔn)件裝配特征的提取過(guò)程以及裝配基準(zhǔn)的創(chuàng)建過(guò)程，利用CATIA的類庫(kù)函數(shù)及交互功能實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)件組的快速裝配。本文的研究成果已成功運(yùn)用于上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院的標(biāo)準(zhǔn)件管理系統(tǒng)中，解決了標(biāo)準(zhǔn)件裝配設(shè)計(jì)過(guò)程中耗時(shí)長(zhǎng)、過(guò)程繁瑣的問(wèn)題。

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Research on Rapid Assembly Technology of Aircraft Standard Parts

DU Baojiang，ZOU Xiaoping，ZHAO Zhengtao，ZHOU Hexing

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Assembly design of standard parts is a very important link in product design cycle. Analyze assembly features and public standard parts’ assembly feature by using Publication function of CATIA , create model’s assembly reference based on model’s feature, achieve a rapid assembly of standard parts by using the matching algorithm of assembly feature and secondary development technology. Based on the study of virtual assembly of bolt and screw nut, realized the transfer of standard parts’ assembly feature and the rapid assembly, improved the design efficiency of standard parts’ assembly.

rapid assembly; assembly feature; standard parts; feature extraction

2016- 03- 28

杜寶江(1962-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向：虛擬制造技術(shù)等。鄒曉萍(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：虛擬制造技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.03.035

TP391

A

1007-7820(2017)03-125-05