基于MBD的三維模型樣板設計研究

◎孟翔鵬 張云鵬 王志宏

隨著數字化技術的不斷發展，飛機零件的制造體系已由傳統的模擬量逐步轉為數字量，模線樣板整體需求數量已逐年下降，但樣板具有使用便捷、成本低等特性，在高效率數字化檢測技術大規模應用前，模線樣板仍然是指導飛機零件生產加工的重要工具。飛機機體結構復雜，各類零件工藝特性差異大、裝配難度高，為此三維工藝仿真技術近年來逐步占據飛機制造的重要比重，通過仿真分析優化工藝技術，而不同零件樣板介入節點完全不同，對于工藝組合件、裝配件使用的樣板來說，實物樣板在現場使用時經常出現尺寸不匹配、無法使用的情況。如果在三維工藝仿真階段加入三維樣板模型，就能夠在后期零件加工時避免浪費和反復。

一、環境設置及編號要求

1.設計原則。

（1）三維模型樣板應是全尺寸（1：1）的數模，基于工程數據集或制造數據集設計，不應改變原數據集的元素；

（2）三維模型樣板應在工程數據集實際使用空間位置建模，對展開樣板、鉆孔樣板等需展開變形的樣板，不應通過坐標變換等手段隨意改變展開基準點位置；

（3）三維模型樣板設計過程應避免出現長度小于0.001mm的線段或曲線（Degenerate Element退化元素）；

（4）設計過程應避免出現冗余元素。

2.名稱與編號。

（1）依據樣板申請單，當只申請樣板時，三維模型樣板文件名稱后綴為“_T”，當申請內容包含三維常規制造數據集時，三維模型樣板文件名稱后綴為“_M_T”；

（2）在正式發放的三維模型樣板中，三維模型樣板文件名應與零件編號相同（含后綴名稱），文件擴展名為“。CATPart”。

二、結構樹與幾何圖形集

1.三維模型樣板特征樹的組成。

三維模型樣板特征樹應表達完整有效的信息和層次關系。

特征樹由以下幾個部分組成：

（1）幾何特征。

三維模型樣板應依據樣板材料厚度，模擬樣板實物幾何形狀（包含鉆套、補加、視口等），在原數據集基礎上建立三維封閉曲面幾何體。對帶孔的三維模型樣板，鑲鉆套情況下，應在數據集孔中心位置建立圓柱體，圓柱截面尺寸按激光文件鉆套尺寸設計，突起高度按照實物樣板鉆套高度設計；不鑲鉆套情況下，直接按數據集尺寸開孔。按樣板用途劃分，用于加工、檢驗和加工檢驗共用的三維模型樣板對應顏色如下圖：

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（2）幾何圖形集。

三維模型樣板結構樹建立“信息作圖過程”、“制造數據集信息”、“樣板信息”一級幾何圖形集；“制造數據集信息”下建立“孔信息”、“余量信息”、“耳片信息”等二級幾何圖形集；“樣板信息”下建立“使用單位”、“樣板類型編號”、“加工檢驗信息”等二級幾何圖形集。

“信息作圖過程”內放置草圖、點線、曲面等作圖過程，其他幾何圖形集內放置最終的線架、實體、參數信息等。對稱件保留“信息作圖過程”、“制造數據集信息”、“樣板信息”，其中“樣板信息”內僅保留“樣板類型編號”中的幾何體信息。

（3）設計制造信息參數集。

在“加工檢驗信息”內，插入樣板設計制造流程參數信息，包括檢驗方式、鉆套、材料等信息。

2.三維模型樣板特征樹的狀態。

（1）保持正確狀態。

所有的幾何特征都應保持已更新（Update）狀態，不應有“失效狀態”、“錯誤狀態”或“待更新狀態”的幾何特征；

（2）設置定義節點。

發放三維模型樣板的定義工作對象應為正確狀態，即將“樣板信息”或“制造數據集信息”的根節點設置為“定義工作中的對象（Define In Work Object）”。

三、添加樣板標記

在CATIA軟件FT&A三維標注模塊下進行設計

1.使用VIEWS/Annotation Planes確定標注面。

點擊命令，選擇樣板所在平面，若為展開樣板應選擇展開后的平面，在標注集內顯示正視圖。

2.使用文本輸入命令添加樣板標記。點擊命令后，再點擊剛才生成的樣板所在正視圖平面，在點擊位置輸入內容。

3.使用TP工具欄，選擇字體和字號。

4.使用PAO工具欄調整內容的輸入角度。

前面三個參數手動拖拽內容文本即可，角度調整通過工具欄較為便捷。

5.完成劃線、開孔、增厚度，保存并在系統內發放。

四、結論

三維模型樣板不同于傳統樣板的設計方式，將三維制造數據集與樣板結合，最大程度發揮出了MBD技術優勢，將原有的多系統樣板設計過程進行優化，提升設計效率，同時具備三維工藝仿真能力，對于由數字化檢測要求的零件，能夠有效避免樣板實物的誤差累積，導致檢驗偏差的問題。本文論述方法提出未來樣板發展的一種趨勢和方向，基于數字孿生技術的產品協同設計研發正在逐步發展，未來的模線樣板也必將朝著這一方向演變。