在飛機(jī)機(jī)體裝配設(shè)計(jì)/制造過程中，需要定義及使用大量的與緊固件相關(guān)的幾何信息和非幾何信息。進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)除了需要生成三維幾何模型外還需要把緊固件的屬性信息、連接信息等內(nèi)容附加到三維幾何模型上，生成完整的三維數(shù)字化產(chǎn)品定義，然后交付制造車間。傳統(tǒng)上使用通用軟件，工程師們需要手工定義及獲取數(shù)以萬計(jì)的緊固件信息，包括緊固件牌號(hào)、緊固件的安裝位置等。這是一項(xiàng)繁重、易錯(cuò)和費(fèi)時(shí)的工作，在很多情況下這些工作并不是自動(dòng)的，或者不能很好地為三維CAD系統(tǒng)所支持。同時(shí)工程師要準(zhǔn)確地使用規(guī)范，高效地定義制造過程的不同階段狀態(tài)，確保最終產(chǎn)品滿足工程要求。這種復(fù)雜性，以及日益增加的市場(chǎng)需求和快速將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的壓力，對(duì)工程師和他們所使用的軟件工具提出了巨大挑戰(zhàn)。

    隨著我國(guó)大型客機(jī)項(xiàng)目研制的深入推進(jìn)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)全三維設(shè)計(jì)技術(shù)取得了革命性發(fā)展和應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已全面進(jìn)入了全三維時(shí)代，取代了傳統(tǒng)二維圖紙，實(shí)現(xiàn)了全流程無紙化設(shè)計(jì)。以MBD數(shù)據(jù)集為設(shè)計(jì)、制造的唯一依據(jù)，對(duì)傳統(tǒng)的制造手段和方法提出新的挑戰(zhàn)。基于MBD技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)機(jī)體裝配設(shè)計(jì)相關(guān)的幾何及非幾何信息定義，并結(jié)合緊固件在線關(guān)聯(lián)全信息表達(dá)的新思路，開發(fā)全三維的緊固件輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)。使緊固件安裝從原來困擾設(shè)計(jì)、制造部門的難題變成驅(qū)動(dòng)裝配設(shè)計(jì)的動(dòng)力和樞紐，提高各個(gè)環(huán)節(jié)的效率及質(zhì)量。基于以上的應(yīng)用背景，本課題主要實(shí)現(xiàn)了基于全三維設(shè)計(jì)的緊固件輔助系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究和軟件系統(tǒng)開發(fā)。

關(guān)鍵技術(shù)研究

    1.基于全三維的緊固件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及建模規(guī)范研究

    通過研究確定了從緊固件選擇、調(diào)入、安裝、計(jì)算分析及檢查等一系列設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；突破傳統(tǒng)的裝配設(shè)計(jì)中緊固件實(shí)例化表達(dá)方式，采用全信息的骨架特征線來表達(dá)緊固件的方法。

    2.基于MBD技術(shù)的緊固件方法研究

    研究了基于MBD技術(shù)的緊固件相關(guān)幾何及非幾何信息在CATIA模型中存儲(chǔ)的格式和位置，確定了基于MBD技術(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，為后期的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

    3.基于知識(shí)的緊固件關(guān)聯(lián)組合方法研究

    對(duì)常用的緊固件之間的匹配及關(guān)聯(lián)組合關(guān)系進(jìn)行了研究，整理明確了緊固件關(guān)聯(lián)組合技術(shù)規(guī)范，如不同牌號(hào)的螺栓、螺母、墊圈、保險(xiǎn)銷的匹配關(guān)系、使用環(huán)境及工藝規(guī)范等，并將確定的規(guī)則內(nèi)嵌到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中以便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)的查表方式，實(shí)現(xiàn)了緊固件關(guān)聯(lián)組合的自動(dòng)匹配和濾選。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    在關(guān)鍵技術(shù)研究的成果基礎(chǔ)上，開發(fā)了以大型客機(jī)研制為依托背景的基于全三維設(shè)計(jì)的緊固件輔助系統(tǒng)CAFE。系統(tǒng)采用基于知識(shí)工程技術(shù)，提煉和固化飛機(jī)機(jī)體裝配設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員和生產(chǎn)制造人員提供統(tǒng)一的工作環(huán)境。采用MBD規(guī)范及相關(guān)技術(shù)智能化地進(jìn)行裝配信息的快速定義，生成全三維數(shù)字化產(chǎn)品模型，傳至生產(chǎn)制造單位，基于統(tǒng)一全三維數(shù)字化產(chǎn)品模型進(jìn)行生產(chǎn)制造信息的提取，取消二維圖紙發(fā)放，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造的無縫銜接和高效的協(xié)同。

    CAFE系統(tǒng)為一套基于B/S和C/S相結(jié)合的快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以緊固件數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在CATIA設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行飛機(jī)緊固件的快速選擇、自動(dòng)安裝、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并附加非幾何裝配信息，生成三維數(shù)字化產(chǎn)品模型來代替二維工程圖，自動(dòng)生成緊固件的物料清單，最終實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配的快速設(shè)計(jì)和定義，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)質(zhì)量。

    1.緊固件選擇

    緊固件選擇是采用知識(shí)推理的機(jī)制，按照緊固件的關(guān)聯(lián)組合，自動(dòng)進(jìn)行緊固件的匹配選擇，為適用于不同的使用場(chǎng)景需要，可提供個(gè)人知識(shí)庫、共享知識(shí)庫、自由選擇3種選擇方式,同時(shí)系統(tǒng)支持自定義緊固件的選擇。

    2.緊固件安裝

    緊固件選擇確定后，系統(tǒng)根據(jù)疊層厚度自動(dòng)計(jì)算緊固件規(guī)格，并自動(dòng)進(jìn)行長(zhǎng)度有效性檢查，將緊固件安裝到相應(yīng)的位置。系統(tǒng)提供了多種便捷的向?qū)О惭b方式，包括魔術(shù)棒、對(duì)稱等方式輔助工程師快速完成緊固件的安裝。

    3.緊固件檢查

    系統(tǒng)依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，自動(dòng)對(duì)所安裝的緊固件進(jìn)行符合規(guī)范及要求的計(jì)算和檢查，從而確認(rèn)是否滿足規(guī)范要求。主要包括設(shè)計(jì)更改、間距、邊距、干涉、安裝空間檢查及強(qiáng)度校核，圖1為間距檢查。通過計(jì)算和檢查，在設(shè)計(jì)階段早期識(shí)別不符合條件的緊固件，從而修改設(shè)計(jì)。

圖1 間距檢查

    4.BOM統(tǒng)計(jì)

    自動(dòng)實(shí)現(xiàn)緊固件計(jì)算及統(tǒng)計(jì)，并按照需要輸出BOM表。主要包括緊固件用量、重量、重心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算；緊固件夾持厚度計(jì)算；零組件清單等。

    5.緊固件數(shù)據(jù)庫

    系統(tǒng)提供了與CATIA緊密集成的緊固件數(shù)據(jù)庫，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)對(duì)緊固件數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)規(guī)范、關(guān)聯(lián)組合知識(shí)等進(jìn)行集中分類管理。采用服務(wù)器和客戶端分布式部署，服務(wù)器端集中存儲(chǔ)及管理所有緊固件信息和緊固件關(guān)聯(lián)匹配定義。客戶端數(shù)據(jù)庫從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫自動(dòng)更新數(shù)據(jù)。

圖2 緊固件數(shù)據(jù)庫

結(jié)束語

    在中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的大型客機(jī)研制工作中，已經(jīng)全面采用CAFE系統(tǒng)進(jìn)行基于全三維的緊固件設(shè)計(jì)工作。在大客機(jī)頭工程樣機(jī)數(shù)字化裝配和制造過程中，采用該系統(tǒng)進(jìn)行了基于全三維的數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)和制造，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造的無縫銜接，從緊固件輔助選擇、快速調(diào)入并進(jìn)行設(shè)計(jì)檢查、統(tǒng)計(jì)輸出幾方面提高了工作效率，取消二維圖紙發(fā)放，節(jié)省了設(shè)計(jì)人員工作量，縮短了研制周期，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，原本需要幾個(gè)月的緊固件二維圖表達(dá)時(shí)間縮短到2周。充分證明CAFE系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)智能化、統(tǒng)計(jì)自動(dòng)化、更改快捷化等優(yōu)點(diǎn)，體現(xiàn)了創(chuàng)新的緊固件關(guān)聯(lián)定義思路，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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本文標(biāo)題：基于全三維設(shè)計(jì)的緊固件輔助系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

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