飛機(jī)裝配型架快速設(shè)計(jì)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

谷永

摘要：飛機(jī)裝配型架是飛機(jī)裝配中重要的工藝裝備，研究其快速設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)于保證型架的設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率，具有重要的意義。本文緊密結(jié)合航空企業(yè)生產(chǎn)需求，對(duì)飛機(jī)裝配型架骨架、卡板的快速建模技術(shù)及支座參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)裝配型架；快速設(shè)計(jì)；研究

引言

構(gòu)成飛機(jī)產(chǎn)品的零部件數(shù)量眾多、形狀復(fù)雜、剛度差、加工精度要求高。這些特性導(dǎo)致無法僅靠零件的加工準(zhǔn)確度裝配得到合格的部件，必須采用專用的裝配工藝裝備。飛機(jī)產(chǎn)品在部件裝配和總裝配中，都用這些生產(chǎn)裝備進(jìn)行定位夾緊，控制產(chǎn)品的形狀幾何參數(shù)。裝配型架是其中主要一類，主要功用是保證裝配件的準(zhǔn)確度及互換性、提高生產(chǎn)效率。在飛機(jī)制造中，裝配型架的制造占全機(jī)工裝制造量的50%，實(shí)現(xiàn)裝配型架快速設(shè)計(jì)，將大大提高裝配型架設(shè)計(jì)效率。

1、產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)技術(shù)

快速設(shè)計(jì)也稱為快速響應(yīng)設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高效設(shè)計(jì)，減少設(shè)計(jì)人員的工作量。產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)則是在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要有以下幾種：模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)：針對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，將產(chǎn)品劃分為若干設(shè)計(jì)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，再組合模塊構(gòu)成產(chǎn)品，具有可組合性和可互換性兩個(gè)特征。模塊之間功能不同或者性能、規(guī)格不同，具有標(biāo)準(zhǔn)接口。模塊化產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有柔性制造的特點(diǎn)，通過組合和匹配不同模塊，就可以快速獲得性能、功能、結(jié)構(gòu)上具有差異化的產(chǎn)品，是飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)與制造的發(fā)展方向之一。當(dāng)前航空市場(chǎng)份額最大的兩家公司波音、空客的生產(chǎn)工藝裝備已采用模塊化設(shè)計(jì)?；趯?shí)例推理技術(shù)：查找實(shí)例庫(kù)中先前成功解決類似問題的辦法來解決當(dāng)前問題。人工智能充分利用了人類以往處理某類問題的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，然而傳統(tǒng)人工智能在知識(shí)獲取上存在瓶頸，而實(shí)例推理幾乎不需要提取專家知識(shí)，從而避開了該瓶頸。實(shí)例推理技術(shù)應(yīng)用廣泛，東芝公司在電機(jī)設(shè)計(jì)上運(yùn)用了實(shí)例推理技術(shù)，通過多個(gè)已有電機(jī)的信息來設(shè)計(jì)新的電機(jī)。洛克希德·馬丁公司和喬治亞理工學(xué)院開發(fā)了MIDAS系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含飛機(jī)液壓系統(tǒng)的實(shí)例庫(kù)，協(xié)助設(shè)計(jì)人員對(duì)飛機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

2、飛機(jī)裝配型架快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1、系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)介紹

CATIA是法國(guó)達(dá)索（D assault）公司與IBM共同開發(fā)的集成了CAD、CAM、CAE和PDM的一體化軟件，在眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用，尤其在航空領(lǐng)域具有無可爭(zhēng)議的領(lǐng)導(dǎo)地位[51]。目前達(dá)索公司推出的最新版本為CATIAV6版本，由于版本更新成本高，國(guó)內(nèi)大部分主機(jī)廠仍然廣泛使用CATIAV5版本。V5版本不僅使CATIA的運(yùn)行環(huán)境從工作站擴(kuò)展到個(gè)人PC，而且采用了軟件組件結(jié)構(gòu)作為體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了二進(jìn)制層次的代碼重用?；诮M件的體系結(jié)構(gòu)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)原則，使得CATIA具有良好的專用應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)，目前主要有兩種CATIA二次開發(fā)的方式：自動(dòng)化應(yīng)用接口（Automation API）和組件應(yīng)用架構(gòu)（Component Application Architecture），簡(jiǎn)稱CAA。自動(dòng)化應(yīng)用接口容易上手，但是功能有限，因此本文采用了CAA進(jìn)行CATIA二次開發(fā)。CAA是基于組件的定制開發(fā)，采用了標(biāo)準(zhǔn)接口技術(shù)和對(duì)象連接與嵌入技術(shù)，對(duì)組件對(duì)象進(jìn)行組合和擴(kuò)展。這種可拓展的、開放的、模塊化開發(fā)架構(gòu)，方便第三方供應(yīng)商定制應(yīng)用解決方案滿足用戶需求。達(dá)索公司為CAA開發(fā)人員提供了一整套C++函數(shù)庫(kù)，架構(gòu)。以Microsoft Visual Studio.NET為載體，安裝RADE（Rapid Application Development Environment）模塊，在.NET環(huán)境中增加CAA編程工具組，之后用戶便可以通過編寫C++程序與CATIA進(jìn)行通信，從而對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)。

2.2、飛機(jī)裝配型架快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

目前國(guó)內(nèi)外主流的商用CAD/CAM軟件均為通用的CAD/CAM平臺(tái)，例如CATIA、UG、PRO/E、CAXA、Solid works等，沒有針對(duì)飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)開發(fā)的平臺(tái)。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某主機(jī)廠的生產(chǎn)需求，全面研究在數(shù)字化設(shè)計(jì)環(huán)境下飛機(jī)裝配型架的快速設(shè)計(jì)技術(shù)，并在CATIA平臺(tái)上開發(fā)了裝配型架快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。飛機(jī)裝配型架快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1所示，基于CATIAV5R18的CAA二次開發(fā)平臺(tái)和.NETS tudio Visual Microsoft集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，由平臺(tái)層、基礎(chǔ)庫(kù)層、應(yīng)用層組成。CATIA軟件作為本系統(tǒng)的支撐，本系統(tǒng)所有的解決方案均以工具條的形式嵌入到CATIA的框架中；基礎(chǔ)庫(kù)層為系統(tǒng)提供調(diào)用的資源，包括支座模型庫(kù)、型材截面庫(kù)；應(yīng)用層面向用戶，擁有友好的交互界面，提供裝配型架骨架線框生成、線框編輯、骨架型材創(chuàng)建、型材相貫處理、卡板快速建模、支座參數(shù)化設(shè)計(jì)、支座快速修改等解決方案。

2.3、系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)對(duì)象，飛機(jī)裝配型架快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為三部分，分別為骨架快速建模、卡板快速建模和支座參數(shù)化設(shè)計(jì)，本節(jié)將舉例闡述各部分的功能。

2.3.1、骨架快速建模應(yīng)用實(shí)例

本模塊由兩個(gè)工具條組成，一個(gè)是在裝配設(shè)計(jì)中的骨架設(shè)計(jì)工具條，包含線框生成、型材掃掠、相貫處理，另一個(gè)是零件設(shè)計(jì)中的線框輔助編輯工具條。

點(diǎn)擊工具條上的骨架線框生成命令圖標(biāo)。選擇產(chǎn)品數(shù)模、基準(zhǔn)平面，設(shè)定判別平面結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)型架的閥值尺寸、立體結(jié)構(gòu)平行線框的間距和骨架結(jié)構(gòu)與裝配件間用于定位的間隙。

2.3.2、卡板快速建模應(yīng)用實(shí)例

本模塊集成在CATIA裝配環(huán)境中，工具條僅有一個(gè)命令，用以實(shí)現(xiàn)卡板夾緊部分的快速創(chuàng)建。點(diǎn)擊工具條上創(chuàng)建卡板命令圖標(biāo)彈出對(duì)話框。

在零件名稱文本框中輸入卡板名稱；單擊蒙皮曲面文本框，在三維模型中選擇蒙皮曲面；單擊卡板平面文本框，在三維模型中選擇放置平面；單擊卡板偏移文本框，輸入不小于0的數(shù)。如果需要確認(rèn)選擇了哪個(gè)蒙皮曲面或卡板平面，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊蒙皮曲面文本框或卡板平面文本框，此時(shí)所選蒙皮曲面或卡板平面將高亮顯示。通過后臺(tái)輸入校驗(yàn)后，創(chuàng)建卡板外形按鈕可用，單擊創(chuàng)建卡板外形按鈕，生成所示卡板外形輪廓。

結(jié)束語

飛機(jī)裝配型架的骨架存在很多常見的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)近似于待裝配件的外形，將待裝配件形狀尺寸直接決定的部分骨架用線框進(jìn)行表示，骨架實(shí)體可由型材截面掃掠線框得到。在骨架生成模塊中，利用生成工程圖的方式獲取裝配件在裝配型架設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面的投影，提取投影的點(diǎn)集并生成點(diǎn)集的凸包，之后獲取凸包的最小面積外接矩形。由最小面積外接矩形和裝配型架設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面得到裝配型架AABB包圍盒的坐標(biāo)系。通過待裝產(chǎn)品的包圍盒得到其空間位置信息，結(jié)合設(shè)計(jì)人員輸入的參數(shù)生成骨架線框。建立可擴(kuò)充的骨架型材截面庫(kù)，提供型材截面用于掃掠骨架線框創(chuàng)建裝配型架骨架，并對(duì)骨架相交部分進(jìn)行相貫處理。

（作者單位：沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司）