在飛機機體裝配設(shè)計/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。進行裝配設(shè)計時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)以萬計的緊固件信息，包括緊固件牌號、緊固件的安裝位置等。這是一項繁重、易錯和費時的工作，在很多情況下這些工作并不是自動的，或者不能很好地為三維CAD系統(tǒng)所支持。同時工程師要準(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需求和快速將產(chǎn)品推向市場的壓力，對工程師和他們所使用的軟件工具提出了巨大挑戰(zhàn)。

    隨著我國大型客機項目研制的深入推進，飛機結(jié)構(gòu)全三維設(shè)計技術(shù)取得了革命性發(fā)展和應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計已全面進入了全三維時代，取代了傳統(tǒng)二維圖紙，實現(xiàn)了全流程無紙化設(shè)計。以MBD數(shù)據(jù)集為設(shè)計、制造的唯一依據(jù)，對傳統(tǒng)的制造手段和方法提出新的挑戰(zhàn)�；�于MBD技術(shù)進行飛機機體裝配設(shè)計相關(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)全信息表達的新思路，開發(fā)全三維的緊固件輔助設(shè)計系統(tǒng)。使緊固件安裝從原來困擾設(shè)計、制造部門的難題變成驅(qū)動裝配設(shè)計的動力和樞紐，提高各個環(huán)節(jié)的效率及質(zhì)量。基于以上的應(yīng)用背景，本課題主要實現(xiàn)了基于全三維設(shè)計的緊固件輔助系統(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、計算分析及檢查等一系列設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)；突破傳統(tǒng)的裝配設(shè)計中緊固件實例化表達方式，采用全信息的骨架特征線來表達緊固件的方法。

    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模型中存儲的格式和位置，確定了基于MBD技術(shù)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，為后期的系統(tǒng)實現(xiàn)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

    3.基于知識的緊固件關(guān)聯(lián)組合方法研究

    對常用的緊固件之間的匹配及關(guān)聯(lián)組合關(guān)系進行了研究，整理明確了緊固件關(guān)聯(lián)組合技術(shù)規(guī)范，如不同牌號的螺栓、螺母、墊圈、保險銷的匹配關(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)實現(xiàn)，突破了傳統(tǒng)的查表方式，實現(xiàn)了緊固件關(guān)聯(lián)組合的自動匹配和濾選。

系統(tǒng)實現(xiàn)

    在關(guān)鍵技術(shù)研究的成果基礎(chǔ)上，開發(fā)了以大型客機研制為依托背景的基于全三維設(shè)計的緊固件輔助系統(tǒng)CAFE。系統(tǒng)采用基于知識工程技術(shù)，提煉和固化飛機機體裝配設(shè)計知識和經(jīng)驗，為飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計人員和生產(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)品模型進行生產(chǎn)制造信息的提取，取消二維圖紙發(fā)放，實現(xiàn)設(shè)計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)計系統(tǒng)，以緊固件數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在CATIA設(shè)計環(huán)境下進行飛機緊固件的快速選擇、自動安裝、數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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，自動生成緊固件的物料清單，最終實現(xiàn)飛機裝配的快速設(shè)計和定義，縮短產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)質(zhì)量。

    1.緊固件選擇

    緊固件選擇是采用知識推理的機制，按照緊固件的關(guān)聯(lián)組合，自動進行緊固件的匹配選擇，為適用于不同的使用場景需要，可提供個人知識庫、共享知識庫、自由選擇3種選擇方式,同時系統(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)疊層厚度自動計算緊固件規(guī)格，并自動進行長度有效性檢查，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)計規(guī)范的要求，自動對所安裝的緊固件進行符合規(guī)范及要求的計算和檢查，從而確認是否滿足規(guī)范要求。主要包括設(shè)計更改、間距、邊距、干涉、安裝空間檢查及強度校核，圖1為間距檢查。通過計算和檢查，在設(shè)計階段早期識別不符合條件的緊固件，從而修改設(shè)計。

圖1 間距檢查

    4.BOM統(tǒng)計

    自動實現(xiàn)緊固件計算及統(tǒng)計，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)動慣量計算；緊固件夾持厚度計算；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，實現(xiàn)對緊固件數(shù)據(jù)、設(shè)計規(guī)范、關(guān)聯(lián)組合知識等進行集中分類管理。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)庫自動更新數(shù)據(jù)。

圖2 緊固件數(shù)據(jù)庫

結(jié)束語

    在中國商飛上海飛機設(shè)計研究院承擔(dān)的大型客機研制工作中，已經(jīng)全面采用CAFE系統(tǒng)進行基于全三維的緊固件設(shè)計工作。在大客機頭工程樣機數(shù)字化裝配和制造過程中，采用該系統(tǒng)進行了基于全三維的數(shù)字化裝配設(shè)計和制造，實現(xiàn)了設(shè)計與制造的無縫銜接，從緊固件輔助選擇、快速調(diào)入并進行設(shè)計檢查、統(tǒng)計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)計人員工作量，縮短了研制周期，降低了設(shè)計成本，提高了設(shè)計質(zhì)量，原本需要幾個月的緊固件二維圖表達時間縮短到2周。充分證明CAFE系統(tǒng)具有設(shè)計智能化、統(tǒng)計自動化、更改快捷化等優(yōu)點，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)用價值。

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