飛機裝配型架快速設計技術研究與實現

谷永

摘要：飛機裝配型架是飛機裝配中重要的工藝裝備，研究其快速設計技術，對于保證型架的設計質量，提高設計效率，具有重要的意義。本文緊密結合航空企業生產需求，對飛機裝配型架骨架、卡板的快速建模技術及支座參數化設計技術進行了研究。

關鍵詞：飛機裝配型架；快速設計；研究

引言

構成飛機產品的零部件數量眾多、形狀復雜、剛度差、加工精度要求高。這些特性導致無法僅靠零件的加工準確度裝配得到合格的部件，必須采用專用的裝配工藝裝備。飛機產品在部件裝配和總裝配中，都用這些生產裝備進行定位夾緊，控制產品的形狀幾何參數。裝配型架是其中主要一類，主要功用是保證裝配件的準確度及互換性、提高生產效率。在飛機制造中，裝配型架的制造占全機工裝制造量的50%，實現裝配型架快速設計，將大大提高裝配型架設計效率。

1、產品快速設計技術

快速設計也稱為快速響應設計，運用計算機技術，實現產品的高效設計，減少設計人員的工作量。產品快速設計則是在計算機輔助設計與制造技術基礎上發展而來，主要有以下幾種：模塊化產品設計技術：針對產品的結構和功能特點，將產品劃分為若干設計模塊獨立設計，再組合模塊構成產品，具有可組合性和可互換性兩個特征。模塊之間功能不同或者性能、規格不同，具有標準接口。模塊化產品設計具有柔性制造的特點，通過組合和匹配不同模塊，就可以快速獲得性能、功能、結構上具有差異化的產品，是飛機工裝設計與制造的發展方向之一。當前航空市場份額最大的兩家公司波音、空客的生產工藝裝備已采用模塊化設計。基于實例推理技術：查找實例庫中先前成功解決類似問題的辦法來解決當前問題。人工智能充分利用了人類以往處理某類問題的知識和經驗，然而傳統人工智能在知識獲取上存在瓶頸，而實例推理幾乎不需要提取專家知識，從而避開了該瓶頸。實例推理技術應用廣泛，東芝公司在電機設計上運用了實例推理技術，通過多個已有電機的信息來設計新的電機。洛克希德·馬丁公司和喬治亞理工學院開發了MIDAS系統，該系統包含飛機液壓系統的實例庫，協助設計人員對飛機液壓系統進行概念設計。

2、飛機裝配型架快速設計系統實現

2.1、系統開發平臺介紹

CATIA是法國達索（D assault）公司與IBM共同開發的集成了CAD、CAM、CAE和PDM的一體化軟件，在眾多領域均有應用，尤其在航空領域具有無可爭議的領導地位[51]。目前達索公司推出的最新版本為CATIAV6版本，由于版本更新成本高，國內大部分主機廠仍然廣泛使用CATIAV5版本。V5版本不僅使CATIA的運行環境從工作站擴展到個人PC，而且采用了軟件組件結構作為體系架構，實現了二進制層次的代碼重用。基于組件的體系結構和面向對象的設計原則，使得CATIA具有良好的專用應用開發基礎，目前主要有兩種CATIA二次開發的方式：自動化應用接口（Automation API）和組件應用架構（Component Application Architecture），簡稱CAA。自動化應用接口容易上手，但是功能有限，因此本文采用了CAA進行CATIA二次開發。CAA是基于組件的定制開發，采用了標準接口技術和對象連接與嵌入技術，對組件對象進行組合和擴展。這種可拓展的、開放的、模塊化開發架構，方便第三方供應商定制應用解決方案滿足用戶需求。達索公司為CAA開發人員提供了一整套C++函數庫，架構。以Microsoft Visual Studio.NET為載體，安裝RADE（Rapid Application Development Environment）模塊，在.NET環境中增加CAA編程工具組，之后用戶便可以通過編寫C++程序與CATIA進行通信，從而對CATIA進行二次開發。

2.2、飛機裝配型架快速設計系統框架

目前國內外主流的商用CAD/CAM軟件均為通用的CAD/CAM平臺，例如CATIA、UG、PRO/E、CAXA、Solid works等，沒有針對飛機工裝設計開發的平臺。本文結合國內某主機廠的生產需求，全面研究在數字化設計環境下飛機裝配型架的快速設計技術，并在CATIA平臺上開發了裝配型架快速設計系統。飛機裝配型架快速設計系統的系統框架如圖1所示，基于CATIAV5R18的CAA二次開發平臺和.NETS tudio Visual Microsoft集成開發環境進行開發，由平臺層、基礎庫層、應用層組成。CATIA軟件作為本系統的支撐，本系統所有的解決方案均以工具條的形式嵌入到CATIA的框架中；基礎庫層為系統提供調用的資源，包括支座模型庫、型材截面庫；應用層面向用戶，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、骨架型材創建、型材相貫處理、卡板快速建模、支座參數化設計、支座快速修改等解決方案。

2.3、系統應用實例

根據不同的設計對象，飛機裝配型架快速設計系統分為三部分，分別為骨架快速建模、卡板快速建模和支座參數化設計，本節將舉例闡述各部分的功能。

2.3.1、骨架快速建模應用實例

本模塊由兩個工具條組成，一個是在裝配設計中的骨架設計工具條，包含線框生成、型材掃掠、相貫處理，另一個是零件設計中的線框輔助編輯工具條。

點擊工具條上的骨架線框生成命令圖標。選擇產品數模、基準平面，設定判別平面結構和立體結構型架的閥值尺寸、立體結構平行線框的間距和骨架結構與裝配件間用于定位的間隙。

2.3.2、卡板快速建模應用實例

本模塊集成在CATIA裝配環境中，工具條僅有一個命令，用以實現卡板夾緊部分的快速創建。點擊工具條上創建卡板命令圖標彈出對話框。

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。如果需要確認選擇了哪個蒙皮曲面或卡板平面，用鼠標點擊蒙皮曲面文本框或卡板平面文本框，此時所選蒙皮曲面或卡板平面將高亮顯示。通過后臺輸入校驗后，創建卡板外形按鈕可用，單擊創建卡板外形按鈕，生成所示卡板外形輪廓。

結束語

飛機裝配型架的骨架存在很多常見的結構，這些結構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行表示，骨架實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計基準面的投影，提取投影的點集并生成點集的凸包，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計基準面得到裝配型架AABB包圍盒的坐標系。通過待裝產品的包圍盒得到其空間位置信息，結合設計人員輸入的參數生成骨架線框。建立可擴充的骨架型材截面庫，提供型材截面用于掃掠骨架線框創建裝配型架骨架，并對骨架相交部分進行相貫處理。

（作者單位：沈陽飛機工業（集團）有限公司）