航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型量檢具參數(shù)化設(shè)計(jì)

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(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)量檢具的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員在每次設(shè)計(jì)同一類量檢具時(shí)會(huì)重復(fù)做一些以往設(shè)計(jì)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(jì)都要重新畫圖和標(biāo)注，這不僅浪費(fèi)了設(shè)計(jì)時(shí)間，還加大了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為了達(dá)到知識(shí)的重用、提高設(shè)計(jì)的效率和縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，結(jié)合某航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司的實(shí)際需求，研究典型量檢具的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，在Unigraphics平臺(tái)上，應(yīng)用二次開發(fā)工具UG/Open開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型量檢具的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是指參數(shù)化模型的尺寸用相對(duì)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(jì)可以有效地提高設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平，很好地促進(jìn)和支持新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和快速設(shè)計(jì)，并能綜合地解決企業(yè)產(chǎn)品知識(shí)在獲取、存儲(chǔ)、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(kuò)展還可以實(shí)現(xiàn)由用戶需求驅(qū)動(dòng)，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(jì)出參數(shù)組，再對(duì)產(chǎn)品參數(shù)化模型進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，即可以得到符合用戶需求的新產(chǎn)品實(shí)例的所有設(shè)計(jì)資料，從而填補(bǔ)了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)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(chǎng)環(huán)境下，該技術(shù)對(duì)于企業(yè)的生存、競(jìng)爭(zhēng)和發(fā)展具有格外重要的意義[2]。

本文在對(duì)四種典型量檢具的設(shè)計(jì)過程分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行知識(shí)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(dòng)該工裝裝配模型，再由裝配模型中的參數(shù)來驅(qū)動(dòng)其下零件和子裝配模型的更新，相應(yīng)的，與每個(gè)零件參數(shù)關(guān)聯(lián)的工程圖，包括符合國(guó)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(dòng)下變更，從而實(shí)現(xiàn)自上而下的工裝快速設(shè)計(jì)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(gè)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(dòng)過程中會(huì)導(dǎo)致模型更新出錯(cuò)；

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(gè)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(dòng)子零件模型參數(shù)，如圖1所示。

1.1 典型量檢具的設(shè)計(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)相應(yīng)的螺紋塞規(guī)，對(duì)于不同參數(shù)范圍的內(nèi)螺紋，對(duì)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(jì)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的螺紋塞規(guī)尺寸的計(jì)算方法和查詢螺紋塞規(guī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)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(yùn)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(jì)方法中計(jì)算塞規(guī)參數(shù)和繪制工程圖占用設(shè)計(jì)周期時(shí)間長(zhǎng)而且有大部分工作是重復(fù)性的，針對(duì)這一設(shè)計(jì)問題本文提出了量檢具的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)人員通過產(chǎn)品參數(shù)計(jì)算工裝參數(shù)，再由參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型模板，通過模板更新獲得想要設(shè)計(jì)的工裝產(chǎn)品的模型和二維圖，設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 典型量檢具設(shè)計(jì)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(jì)流程后，首先是建立工裝模型模板，由于不同工件參數(shù)對(duì)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(dòng)相對(duì)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(gè)子零件組成的，首先對(duì)三個(gè)子零件分別參數(shù)化建模，本文所運(yùn)用的建模CAD軟件為Unigraphics（簡(jiǎn)稱UG），該軟件是全球主流的CAD系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、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(dòng)圖形特征實(shí)現(xiàn)的，表達(dá)式實(shí)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(shí)現(xiàn)模型圖形的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)。

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(duì)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(dòng)不同的圖形特征實(shí)現(xiàn)，即在參數(shù)化建模時(shí)，一個(gè)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(gè)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(yùn)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(shí)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(dòng)螺紋曲線和牙型草圖的變化從而驅(qū)動(dòng)螺紋模型的變更，圖6為完全參數(shù)化驅(qū)動(dòng)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(jì)模板庫(kù)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(jì)模板庫(kù)，建庫(kù)可以使設(shè)計(jì)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(jì)的工裝產(chǎn)品。

本文建庫(kù)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(duì)專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用軟件提供基本數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，為產(chǎn)品提供從研發(fā)到維護(hù)的全程管理[4]。

2.1 量檢具模型模板庫(kù)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(jī)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(kù)的總體框架后，導(dǎo)入已建好的模型模板，在Teamcenter中導(dǎo)入時(shí)，只需導(dǎo)入裝配體文件，其下的子零件會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入，并默認(rèn)按照模板的文件名作為ID號(hào)儲(chǔ)存在Teamcenter的數(shù)據(jù)庫(kù)中，在Teamcenter中，每個(gè)文件的ID號(hào)是唯一的，所以ID號(hào)也是本文參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用來查詢的關(guān)鍵字。

3 量檢具快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 量檢具結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

在量檢具的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員要往往要通過查詢國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)表錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過設(shè)計(jì)人員輸入的工件參數(shù)來計(jì)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(jì)系統(tǒng)中，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的操作和設(shè)計(jì)思路，提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2 量檢具參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

量檢具參數(shù)化設(shè)計(jì)程序流程圖如圖8所示，設(shè)計(jì)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(jì)的相應(yīng)的工裝。

3.3 量檢具參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)實(shí)例，設(shè)計(jì)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(jì)。

4 結(jié)論

本文在分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)量檢具傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程基礎(chǔ)上，提出了量檢具的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過參數(shù)化建模、構(gòu)建模型模板庫(kù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員通過工件參數(shù)來快速實(shí)現(xiàn)量檢具的設(shè)計(jì)。相比傳統(tǒng)的工裝設(shè)計(jì)過程，省去了設(shè)計(jì)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(jì)過程，有效提高了設(shè)計(jì)的自動(dòng)化水平，降低了設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，對(duì)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(jì)程序流程圖

圖9 花鍵塞規(guī)參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)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(jì)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(shí)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.