基于特征的飛機(jī)框肋件參數(shù)化設(shè)計與裝配

朱健，閆玲，趙鵬德，閆棟

摘 ?要： 針對飛機(jī)框肋件設(shè)計中存在的重復(fù)工作量大、設(shè)計模型柔性差、缺乏對后續(xù)CAPP所需信息的銜接等問題，提出采用基于特征的參數(shù)化建模方法，利用visual Basic6.0對三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，建立飛機(jī)框肋件的交互式設(shè)計與裝配系統(tǒng)。通過某殲擊機(jī)典型框肋件實例說明具體設(shè)計方法，最終實現(xiàn)模型的尺寸驅(qū)動以及零件間的智能裝配，達(dá)到縮短設(shè)計周期，提高零件生產(chǎn)效率，提升設(shè)計柔性目的。

關(guān)鍵詞： 飛機(jī)框肋件;參數(shù)化設(shè)計;二次開發(fā);智能裝配

中圖分類號： TH166 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.12.004

本文著錄格式：朱健，閆玲，趙鵬德，等. 基于特征的飛機(jī)框肋件參數(shù)化設(shè)計與裝配[J]. 軟件，2019，40（12）：1820+109

Parametric Design of Aircraft Frame Rib Parts and Assembly Based on Feature

ZHU Jian1， YAN Ling2， ZHAO Peng-de1， YAN Dong1

（1. College of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering and Technology， Shanghai 201620， China;

2. Yanzhou Coal Industry Co.， Ltd. Dongtan Coal Mine， Mechanical and electrical department， 273512）

【Abstract】： In connect with large amount of repetitive labor and poorly flexible of designed model and lack of access to the information needed for subsequent capp processes in the design process for aircraft frame ribbed parts， this paper proposes using feature-based parametric modeling method by the way of taking the secondary development of 3D modeling software SolidWorks by using visual Basic6.0， in order to establish a Interactive design and assembly system for aircraft frame rib parts. The specific design method is illustrated by an example of a typical frame rib of a fighter， and realize the size driven of the model and the intelligent assembly between the parts are realized to achieve shortened design cycle， improve parts production efficiency， and enhance design flexibility.

【Key words】： Aircraft frame ribs; Parametric design; Secondary development; Intelligent assembly

0 ?引言

飛機(jī)框肋零件作為飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)件其總量約占一架殲擊機(jī)零件總數(shù)的30%，其結(jié)構(gòu)相對簡單但類型多變，傳統(tǒng)建模方式主要為手工繪制或者通過對三維造型軟件的完全編程式的二次開發(fā)，設(shè)計人員需要進(jìn)行大量的重復(fù)勞動，且模型信息不能有效的傳遞至下游生產(chǎn)加工階段，不僅增大成本更延長生產(chǎn)周期，降低產(chǎn)品生產(chǎn)效率，使企業(yè)競爭力下降不利于現(xiàn)代化企業(yè)轉(zhuǎn)型與發(fā)展[1]。

為解決上述問題，以特征建模為基礎(chǔ)，結(jié)合參數(shù)化尺寸驅(qū)動設(shè)計方法，將尺寸、約束變量化[2]，并利用三維特征建模軟件SolidWorks對某殲擊機(jī)典型框肋件進(jìn)行三維建模，采用VB程序設(shè)計語言搭建可視化人機(jī)交互平臺，最終實現(xiàn)對飛機(jī)框肋零件模型的自動化建模以及零件間的智能裝配。

1 ?關(guān)鍵技術(shù)

1.1 ?特征建模

特征是一系列具有特定關(guān)系的幾何或拓?fù)湓?，飛機(jī)零件特征主要分為：材料特征、功能特征、結(jié)構(gòu)特征、工藝特征。特征造型包括：人機(jī)交互式、特征識別和基于特征的設(shè)計，本文采用基于特征的設(shè)計首先建立特征庫UDFL（User Define Feature Library），零件的建模過程由抽象級別低的點線面造型過程上升為以特征結(jié)構(gòu)單元的實例化過程。以STEP標(biāo)準(zhǔn)位參照對飛機(jī)框肋件特征進(jìn)行分類，如圖1所示為框肋件特征分類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1 ?框肋件特征拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系

Fig.1 ?Frame rib feature topological relationship

1.2 ?參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化造型技術(shù)核心思想在于將零件模型的約束信息參數(shù)化，通過控制參數(shù)數(shù)值變化達(dá)到改變模型大小與形狀的目的[7]，在產(chǎn)品設(shè)計之初就完成了對模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的定義以及初始參數(shù)的標(biāo)注，在滿足約束的條件下實現(xiàn)對零件的參數(shù)驅(qū)動機(jī)制[5]，面對結(jié)構(gòu)類型多變的飛機(jī)框肋零件，這種設(shè)計方法無疑提高設(shè)計效率，增強(qiáng)了模型的可移植性。

目前參數(shù)化建模技術(shù)主要有：基于尺寸驅(qū)動、基于約束驅(qū)動和基于特征模型三種建模方式[4]，第一種方法缺乏對模型的幾何約束關(guān)系的描述使得所構(gòu)建的模型處于無約束狀態(tài)不受控制，第二種方法降解約束時增加了建模難度。

1.3 ?基于特征的參數(shù)化建模

由于飛機(jī)框肋件多帶有復(fù)雜彎邊、曲面等特征，因此本文提出基于特征模型的參數(shù)化設(shè)計方法，將參數(shù)化設(shè)計技術(shù)與特征建模方法相結(jié)合，不僅可以實現(xiàn)對零件模型尺寸、約束的完全控制，并且由于將參數(shù)化信息包含于特征內(nèi)部，使得零件每個特征都單獨且完整的描述飛機(jī)框肋件設(shè)計所需的所有工程信息，體現(xiàn)出優(yōu)秀的封裝性和繼承性，為后續(xù)的CAPP提供可靠的數(shù)據(jù)來源?；谔卣鞯膮?shù)化建模方法，關(guān)鍵在于基于約束的特征描述[6]，如圖2所示為框肋特征結(jié)構(gòu)要素信息層次模型，具體設(shè)計流程如下：

Step 1 零件幾何形狀特征描述;

Step 2 特征解構(gòu)圖元體素解構(gòu);

Step 3 建立定形、定位尺寸并參數(shù)化;

Step 4 分析特征、特征與特征間的尺寸與位置約束與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系;

Step 5 基于約束對特征進(jìn)行參數(shù)化建模。

圖2 ?框肋件特征結(jié)構(gòu)要素層次模型

Fig.2 ?Frame rib feature structure element

hierarchy model

2 ?SolidWorks二次開發(fā)

2.1 ?二次開發(fā)原理

SolidWorks支持全參數(shù)化、特征造型技術(shù)，且基于COM（Component Object Model，組件對象模型），完全支持OLE（Object Linking Embedding）標(biāo)準(zhǔn)為用戶提供大量面向?qū)ο蟮念愺w系A(chǔ)PI接口，形成一個自上而下的多層次樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]如圖3所示。

圖3 ?SolidWorks對象層次關(guān)系

Fig.3 ?SolidWorks object hierarchy

傳統(tǒng)的通過零件設(shè)計表或是定制尺寸驅(qū)動窗體開發(fā)方式不具有普遍性，無法滿足結(jié)構(gòu)多樣的飛機(jī)框肋件建模。本文采用參數(shù)化與編程結(jié)合的方法，通過逐級調(diào)用OLE技術(shù)所暴露的對象屬性與方法，完成對框肋件模型的定制二次開發(fā)。任意支持COM和OLE技術(shù)的編程語言均可以成為SolidWorks開發(fā)工具，如VB、VBA、C、C++、Delphi等[7]。SolidWorks所提供的的對象與方法其語法完全符合使用面向?qū)ο缶幊谭椒ǎ∣OP）的程序設(shè)計語言Visual Basic（VB）[3]，因此本文主要討論基于VB對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)。

2.2 ?開發(fā)思路

當(dāng)零件的參數(shù)化特征模型也已確定，提取模型中設(shè)定的相關(guān)參數(shù)并通過程序設(shè)計將參數(shù)暴露給用戶以作為交互接口，用戶通過對參數(shù)的輸入驅(qū)動模型結(jié)構(gòu)、大小的精準(zhǔn)、快速的重新構(gòu)建，其具體開發(fā)過程如圖4所示。

圖4 ?SolidWorks參數(shù)化二次開發(fā)流程

Fig.4 ?SolidWorks parameterization secondary

development process

3 ?設(shè)計開發(fā)實例

3.1 ?特征參數(shù)化建模

框肋件是飛機(jī)的骨架，大都位于機(jī)體控制截面，擔(dān)負(fù)著支撐飛機(jī)外形和承受氣動載荷的雙重任務(wù)[8]，以某類典型飛機(jī)機(jī)翼為例，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示主要由隔框、翼肋、長桁、腹板、緣條組裝而成。

圖5 ?飛機(jī)機(jī)翼內(nèi)部框肋件裝配圖

Fig.5 ?Aircraft wing internal frame rib assembly drawing

根據(jù)開發(fā)方案，首先應(yīng)基于特征建立框肋件參數(shù)化模型，提取模型中的相關(guān)參數(shù)并在人機(jī)交互界面顯示表達(dá)以供用戶進(jìn)行參數(shù)輸入，如圖6所示為

人機(jī)交互界面示意圖。

圖6 ?飛機(jī)框肋件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

Fig.6 ?Aircraft frame ribs parameterized design system

主程序關(guān)鍵代碼如下：

Dim swApp As Object

Dim Part As Object

Set swApp =CreateObject（“SldWorks.Application”）

'連接solidworks

swApp.Visible = True

Set Part = swApp.ActiveDoc

'新建零件特征

Dim swFeature As SldWorks.Feature

......

Sub Main

{

...//特征建模過程

}

3.2 ?智能裝配

當(dāng)零件建模完成后，傳統(tǒng)的裝配方式一般是設(shè)計人員手動選取點、線、面的配合形式，這種方式無疑將耗費大量時間不利于現(xiàn)代化生產(chǎn)與制造。目前應(yīng)用與自動裝配的方法主要是利用零件空間位姿變換或基于特征的裝配建模法[9]。由于飛機(jī)框肋零件結(jié)構(gòu)相對簡單但結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜多變且多帶有復(fù)雜彎邊特征，因此本文將位姿變換法與基于特征的裝配建模法相結(jié)合[10]，為前文所述參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)增添智能裝配子系統(tǒng)。

由于本文采用的是基于特征的參數(shù)化建模方法，在建模之初零件間各裝配關(guān)系與約束信息已經(jīng)包含于模型中，因此只需要對已經(jīng)建立好的模型針對裝配再次進(jìn)行二次開發(fā)即可達(dá)到智能裝配的效果，主要開發(fā)流程如圖7所示。

4 ?結(jié)論

基于SolidWorks三維造型軟件，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計與特征建模技術(shù)并利用VB程序開發(fā)語言實現(xiàn)對飛機(jī)框肋件的特征參數(shù)化建模和智能裝配，提高零件設(shè)計生產(chǎn)效率及柔性，其優(yōu)秀的封裝與繼承特性提高零件信息知識的重用性便于與CAPP階段銜接。

圖7 ?智能裝配流程

Fig.7 ?Intelligent assembly flow chart

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