航空發(fā)動機典型量檢具參數(shù)化設(shè)計

馬 奔，安魯陵，衛(wèi) 煒

MA Ben, AN Lu-ling, WEI Wei

（南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

在航空發(fā)動機量檢具的設(shè)計過程中，設(shè)計人員在每次設(shè)計同一類量檢具時會重復(fù)做一些以往設(shè)計中做過的工作，比如同一類量檢具只是尺寸大小和公差不同，每次設(shè)計都要重新畫圖和標(biāo)注，這不僅浪費了設(shè)計時間，還加大了設(shè)計人員的勞動強度，為了達(dá)到知識的重用、提高設(shè)計的效率和縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，結(jié)合某航空發(fā)動機制造公司的實際需求，研究典型量檢具的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，在Unigraphics平臺上，應(yīng)用二次開發(fā)工具UG/Open開發(fā)航空發(fā)動機典型量檢具的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。

參數(shù)化設(shè)計是指參數(shù)化模型的尺寸用相對應(yīng)的關(guān)系表示，而不需要用確定的數(shù)值[1]。參數(shù)化設(shè)計可以有效地提高設(shè)計的自動化水平，很好地促進和支持新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計和快速設(shè)計，并能綜合地解決企業(yè)產(chǎn)品知識在獲取、存儲、積累、管理和再利用等環(huán)節(jié)中存在的問題。該技術(shù)經(jīng)過擴展還可以實現(xiàn)由用戶需求驅(qū)動，快速得到相似產(chǎn)品參數(shù)化模型及其關(guān)鍵參數(shù)，基于關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計出參數(shù)組，再對產(chǎn)品參數(shù)化模型進行參數(shù)化驅(qū)動，即可以得到符合用戶需求的新產(chǎn)品實例的所有設(shè)計資料，從而填補了產(chǎn)品概念設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計之間存在的斷層。在定單及大批量定制生產(chǎn)和要求創(chuàng)新的市場環(huán)境下，該技術(shù)對于企業(yè)的生存、競爭和發(fā)展具有格外重要的意義[2]。

本文在對四種典型量檢具的設(shè)計過程分析的基礎(chǔ)上，進行知識提煉，將不同系列參數(shù)的典型量檢具模型模板化。在工裝模型模板的基礎(chǔ)上通過參數(shù)驅(qū)動該工裝裝配模型，再由裝配模型中的參數(shù)來驅(qū)動其下零件和子裝配模型的更新，相應(yīng)的，與每個零件參數(shù)關(guān)聯(lián)的工程圖，包括符合國標(biāo)、企業(yè)要求的工程圖樣、尺寸標(biāo)注、表面粗糙度標(biāo)注、形位公差標(biāo)注以及A0-A4工程圖標(biāo)題框(欄)和明細(xì)表等內(nèi)容在參數(shù)驅(qū)動下變更，從而實現(xiàn)自上而下的工裝快速設(shè)計過程。

1 四種典型量檢具的參數(shù)化建模

四種典型量檢具包括：普通螺紋塞規(guī)、普通螺紋環(huán)規(guī)、圓柱直齒漸開線花鍵塞規(guī)，圓柱直齒漸開線花鍵環(huán)規(guī)。在參數(shù)化建模的過程中，要遵守以下原則：

1）每個模型的草圖要達(dá)到完全約束，不能過約束也不能欠約束，否則在后期參數(shù)化驅(qū)動過程中會導(dǎo)致模型更新出錯；

2）模型的所有特征達(dá)到參數(shù)化，包括初始建模的草圖以及在草圖上架構(gòu)起來的特征；

3）用自上而下的方法建立裝配體模型及其下子零件的模型，即每個子零件模型的參數(shù)引用自其所在裝配模型的參數(shù)，由裝配模型的參數(shù)驅(qū)動子零件模型參數(shù)，如圖1所示。

1.1 典型量檢具的設(shè)計過程

下面以普通螺紋塞規(guī)為例，介紹量檢具的參數(shù)化設(shè)計過程。

圖1 量檢具模型參數(shù)關(guān)聯(lián)示意圖

普通螺紋塞規(guī)是用來檢驗內(nèi)螺紋是否合格的工藝裝備，工藝人員通過所要生產(chǎn)的內(nèi)螺紋產(chǎn)品的參數(shù)來設(shè)計相應(yīng)的螺紋塞規(guī)，對于不同參數(shù)范圍的內(nèi)螺紋，對應(yīng)不同結(jié)構(gòu)的螺紋塞規(guī)，具體如表1所示。

傳統(tǒng)的設(shè)計方法是：工裝人員根據(jù)所給內(nèi)螺紋工件的螺紋參數(shù)，通過國家標(biāo)準(zhǔn)的螺紋塞規(guī)尺寸的計算方法和查詢螺紋塞規(guī)的國家標(biāo)準(zhǔn)，計算出螺紋塞規(guī)的量頭、手柄的輪廓參數(shù)及螺紋參數(shù)，然后運用二維CAD繪圖軟件，繪制工程圖，通過審核后交由生產(chǎn)部門生產(chǎn)。

上述設(shè)計方法中計算塞規(guī)參數(shù)和繪制工程圖占用設(shè)計周期時間長而且有大部分工作是重復(fù)性的，針對這一設(shè)計問題本文提出了量檢具的參數(shù)化設(shè)計思想，設(shè)計人員通過產(chǎn)品參數(shù)計算工裝參數(shù)，再由參數(shù)驅(qū)動模型模板，通過模板更新獲得想要設(shè)計的工裝產(chǎn)品的模型和二維圖，設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 典型量檢具設(shè)計流程圖

表1 螺紋塞規(guī)外廓尺寸

1.2 典型量檢具的參數(shù)化模型模板的建立

在分析了量檢具的設(shè)計流程后，首先是建立工裝模型模板，由于不同工件參數(shù)對應(yīng)其量規(guī)結(jié)構(gòu)不同，因此按照不同的量規(guī)結(jié)構(gòu)來劃分模板，如表1中普通螺紋塞規(guī)共有五種結(jié)構(gòu)，將每一種結(jié)構(gòu)作為一種模板來建立模型，由輸入的工件參數(shù)驅(qū)動相對應(yīng)的量規(guī)模型模板。

下面以普通螺紋塞規(guī)為例介紹量規(guī)模型模板的建立，如圖3為內(nèi)螺紋公稱直徑在6～48mm的普通螺紋塞規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中標(biāo)簽圓1為通端量頭，標(biāo)簽圓2為止端量頭，標(biāo)簽圓3為通止端一體手柄。

由圖3可知該螺紋塞規(guī)是由三個子零件組成的，首先對三個子零件分別參數(shù)化建模，本文所運用的建模CAD軟件為Unigraphics（簡稱UG），該軟件是全球主流的CAD系統(tǒng)，是計算機輔助設(shè)計、輔助制造、輔助工程和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（CAD /CAM / CAE / PDM）一體化的軟件系統(tǒng)之一[3]。

圖3 螺紋塞規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖

UG的參數(shù)化模型主要是通過其表達(dá)式來驅(qū)動圖形特征實現(xiàn)的，表達(dá)式實際就是圖形中的參數(shù)，UG將所有的參數(shù)集成到工具欄中的表達(dá)式模塊下，用戶可以直接使用該模塊，在模塊中修改表達(dá)式的值來實現(xiàn)模型圖形的參數(shù)化驅(qū)動。

螺紋塞規(guī)的參數(shù)化建模中，主要是通止端量頭上螺紋牙型的參數(shù)化建模，通端塞規(guī)上螺紋部分是截短的外螺紋牙型，止端塞規(guī)螺紋部分是完整的外螺紋牙型，具體如表2所示，而每一種螺紋牙型在不同的螺距范圍內(nèi)牙型也有兩種，具體如圖4所示，圖4為完整的外螺紋牙型在螺距P大于0.5mm和其他螺距值的兩種牙型。

圖4 完整的外螺紋牙型

表2 螺紋塞規(guī)結(jié)構(gòu)特征表

對于螺紋塞規(guī)在不同螺距下的兩種牙型，在參數(shù)化建模中通過不同的螺距值來驅(qū)動不同的圖形特征實現(xiàn)，即在參數(shù)化建模時，一個圖形模型中建立兩種牙型的圖形特征，通過表達(dá)式中螺距的值，來決定當(dāng)前模型要顯示相應(yīng)螺距值的牙型，另一個牙型特征隱藏，在UG中稱為表達(dá)式抑制圖形特征。首先，建立兩種牙型的完全約束草圖，之后運用螺紋曲線的數(shù)學(xué)公式定義參數(shù)化螺紋曲線的表達(dá)式，如圖5，最后在螺紋曲線的基礎(chǔ)上通過拉伸掃掠等建模操作實現(xiàn)量規(guī)螺紋部分的完全參數(shù)化建模，即通過螺距，螺紋公稱直徑、螺紋中徑等螺紋基本參數(shù)來驅(qū)動螺紋曲線和牙型草圖的變化從而驅(qū)動螺紋模型的變更，圖6為完全參數(shù)化驅(qū)動的螺紋塞規(guī)通端量頭，圖左側(cè)的部件導(dǎo)航器顯示所有參數(shù)化圖形特征，包括被表達(dá)式抑制的螺紋牙型特征。

圖5 參數(shù)化螺紋曲線的表達(dá)式

按照上述參數(shù)化建模方法建立螺紋塞規(guī)、螺紋環(huán)規(guī)、花鍵塞規(guī)和花鍵環(huán)規(guī)的參數(shù)化模型模板。

圖6 螺紋塞規(guī)參數(shù)化模型

2 量檢具設(shè)計模板庫的建立

上述的四類量檢具中，螺紋量規(guī)包括美制螺紋量規(guī)和公制螺紋量規(guī)，四類量檢具總共有四十七種尺寸結(jié)構(gòu)形式，建立的參數(shù)化模型模板較多，因此提出了構(gòu)建量檢具設(shè)計模板庫，建庫可以使設(shè)計者更方便的管理查詢模型模板，便于后續(xù)添加更多要設(shè)計的工裝產(chǎn)品。

本文建庫所使用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM Products Data Management）軟件是 UGS Teamcenter 2007，Teamcenter是西門子公司開發(fā)的一款產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件，它可以為各類針對專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用軟件提供基本數(shù)據(jù)管理平臺，為產(chǎn)品提供從研發(fā)到維護的全程管理[4]。

2.1 量檢具模型模板庫的分類

圖7 模型模板的分類

分類原則按照某企業(yè)工裝分類規(guī)則，如圖7所示， 首先按照工裝大類分為夾具、模具、量具、刃具，在這四大類下各有機匣、鈑焊、盤軸、葉片，每一子類下又有量規(guī)等具體工裝分類，每一種量檢具下應(yīng)存放相應(yīng)的模型模板。

2.2 量檢具模型模板的導(dǎo)入

在建立好模板庫的總體框架后，導(dǎo)入已建好的模型模板，在Teamcenter中導(dǎo)入時，只需導(dǎo)入裝配體文件，其下的子零件會自動導(dǎo)入，并默認(rèn)按照模板的文件名作為ID號儲存在Teamcenter的數(shù)據(jù)庫中，在Teamcenter中，每個文件的ID號是唯一的，所以ID號也是本文參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中用來查詢的關(guān)鍵字。

3 量檢具快速設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 量檢具結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)庫的建立

在量檢具的傳統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計人員要往往要通過查詢國家標(biāo)準(zhǔn)獲得量檢具的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，本文將量檢具的國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表錄入到數(shù)據(jù)庫中，通過設(shè)計人員輸入的工件參數(shù)來計算判斷所要查詢的數(shù)據(jù)，將獲得的參數(shù)輸入到裝快速設(shè)計系統(tǒng)中，簡化了設(shè)計人員的操作和設(shè)計思路，提高了設(shè)計效率。

3.2 量檢具參數(shù)化設(shè)計流程

量檢具參數(shù)化設(shè)計程序流程圖如圖8所示，設(shè)計人員只需通過輸入工件的參數(shù)，通過程序，最終獲得所要設(shè)計的相應(yīng)的工裝。

3.3 量檢具參數(shù)化設(shè)計實例

如圖9所示，為漸開線圓柱直齒花鍵塞規(guī)的參數(shù)化設(shè)計實例，設(shè)計人員通過輸入內(nèi)花鍵的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等參數(shù)，完成花鍵塞規(guī)的設(shè)計。

4 結(jié)論

本文在分析了航空發(fā)動機量檢具傳統(tǒng)設(shè)計過程基礎(chǔ)上，提出了量檢具的參數(shù)化設(shè)計方法，通過參數(shù)化建模、構(gòu)建模型模板庫實現(xiàn)了設(shè)計人員通過工件參數(shù)來快速實現(xiàn)量檢具的設(shè)計。相比傳統(tǒng)的工裝設(shè)計過程，省去了設(shè)計人員查詢工裝數(shù)據(jù)，繪制二維工程圖等重復(fù)性較大的設(shè)計過程，有效提高了設(shè)計的自動化水平，降低了設(shè)計人員的勞動強度，縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期，對某航空企業(yè)的發(fā)展起到了積極的作用。

圖8 量檢具參數(shù)化設(shè)計程序流程圖

圖9 花鍵塞規(guī)參數(shù)化設(shè)計實例

[1]Y.M.Deng,Y.C.Lam,S.B.Tor.A CAD/CAE Integrated Injection Molding Design System [J]. Engineering With Computer, 2002, (18)： 95-100.

[2]張富官. 復(fù)合材料構(gòu)件成型模具的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)研究[D]. 南京航空航天大學(xué), 2008.

[3]黃翔, 李迎光. UG應(yīng)用開發(fā)教程與實例精解[M]. 北京：清華大學(xué)出版社, 2005： 102.

[4]Unigraphics Solutions Inc, UG WAVE, UGS Inc., 2000.