某型發動機標準件數字化設計方法研究與應用

季江寧 司榮寧 王桂華

（中航工業沈陽發動機設計研究所，遼寧 沈陽 110015）

某型發動機標準件數字化設計方法研究與應用

季江寧 司榮寧 王桂華

（中航工業沈陽發動機設計研究所，遼寧 沈陽 110015）

結合在基于某型發動機標準件全三維數字化設計方法應用與研究方面所作的有益嘗試，從需求分析入手，介紹了發動機標準件全三維數字化設計體系的基本框架，著重說明在建立過程中所遵守的原則，強調了標準件全三維數字化設計體系的建立及意義，介紹了發動機標準件全三維數字化設計體系的使用及維護。

發動機；標準件；全三維；數字化設計

現代信息技術的迅猛發展，使航空發動機產品設計進入了一個從二維平面設計走向以三維模型設計為主流的數字化時代。利用高檔CAD軟件建立產品的三維參數化模型在航空產品設計過程中，已被廣泛推廣應用。根據型號數字化研制要求，某型發動機統一采用基于NX和TeamCenter的集成平臺進行全三維數字化設計和協調，采取異地協同項目管理。小零件是發動機裝配的聯結紐帶，某型發動機首次實現了小零件由“設計出圖”向“設計選用”的轉變，即完成小零件向標準件的轉變。因此，標準件全三維數字化設計必須先行。那么如何在UG NX和TeamCenter系統的協同環境里建立規范化的標準件三維模型，如何在其中快速找到自己想要的模型，進而快速加載；如何統一和管理數據源，使其適用不同廠所等，是擺在我們面前亟待處理和解決的重大問題。本文著重介紹了我所在這方面的成功實踐。

1 背景

1.1 某型發動機設計工作的需要

由于某型發動機要求全三維設計，而且其研制需要多廠、所協同工作，在現有的設計模式下，單一場所內的PDM內的模型數據雖然成系列，但是無法有效轉移到其他協作的應用場所。到最終制造部門時，因為引用不同來源標準件帶來的建模可能存在的問題才會顯現。某型發動機專用標準件庫要求可在幾個廠所統一使用，而且各廠所建模時數據始終要保持一致，以避免不完備的設計和建模操作引發的問題。為滿足協同設計制造工作的需要，促進標準化管理，基于Teamcenter2007和UGNX7.5平臺建立標準件庫，并可以在廠所間同步標準件數據，以輔助工程技術人員完成產品的全三維設計的標準件模型管理軟件是型號設計工作中必須單獨開展的工作。

1.2 行業發展的需要

行業的發展要求適時地建立發動機標準件數據庫。“運用信息技術改造傳統產業，以信息化帶動工業化，實現技術跨越式發展”是國務院提出的一項重大發展戰略。在信息技術應用中，數字化設計越來越受到重視，應用也越來越廣泛，尤其在航空、航天等領域。特別是隨著型號深入開展，行業內的協同設計工作會越來越多。因此，要改變傳統的設計方式，適應行業發展的需要，客觀上要求必須建立發動機標準件全三維數字化設計體系。另外，由于航空發動機用標準件與民用的不同，有其自身的特殊性，使得我們站在行業的高度、綜合考究而建立的統一數據源的發動機標準件庫更能突出其行業性。

1.3 我所小零件設計工作未來發展的需要

發動機標準件數據庫是應某型發動機全三維設計工作的需要而建立的，隨著型號研制工作的不斷深入，它也將得到繼續完善和擴展，可在簡單的擴展和維護之后應用到模型數據管理的更多領域，以適應我所小零件工作未來發展的需要。因此，發動機標準件庫的建立不僅要滿足當前型號研制的需要，更要著眼于未來滿足其他機種的選用，這是由標準件通用性和互換性的特點所決定的。

2 發動機標準件數字化設計體系

2.1 發動機標準件全三維數字化設計體系的基本框架

發動機標準件全三維數字化設計體系是根據某型發動機全三維設計對標準件的選用范圍，按型號研制所需的標準件類型進行分類，其基本框架見圖1所示。

圖1 發動機標準件全三維數字化設計體系的構成

發動機標準件全三維數字化設計體系囊括了某型發動機所選用的各種標準件。標準件庫中的每個對象的信息（包括ID號、圖號、名稱、版本等）都是唯一的，因此它不僅便于查詢和統計，也利于庫的管理和擴充。

上述結構是為了適應當前型號工作的需要，結合傳統的小零件的分類習慣而建立的，必將隨著小零件應用的需要而作進一步的完善。

2.2 發動機標準件數字化設計體系的建立原則

2.2.1 規范化設計

由于全三維設計的標準化與傳統的設計標準化不同，具有其特殊性，具有超前性或同步性。基于此我們在建立發動機標準件庫之前，制定了一系列相關標準來規范，從而在技術上和管理上保證了體系的順利建成，實現庫的完整性和統一性。

建庫過程中嚴格執行了《基于UG建模通用要求》、《基于UG模型裝配要求》等建模和裝配標準及文件。這些標準和文件規定了標準件建模和裝配的通用要求、建模的流程等等，既有效地規范了建模過程，便于模型的檢查與校核，保證了模型的質量；又促進了標準化管理，提高了管理效率。

2.2.2 參數化設計

除了嚴格執行上述建模和裝配標準及文件外，標準件設計有著比其它零件更為嚴格的要求，即必須實行參數化設計。參數化設計是指系統通過尺寸驅動的方式，以獨立的幾何約束條件按既定的幾何參數生成一系列具有相同幾何特征的三維模型。完全的參數化建模和裝配不僅滿足了當前的工作需要，也為將來標準件模型數據的編輯提供了方便。

圖2為某一標準件的參數表達式。這些參數所控制的模型特征有一個共同的基點，而且其相對位置是固定的，通過改變參數的數值來完成一系列不同規格的標準件模型的構造。

圖2 參數表達式

參數化設計的模型是完全受約束的，它與非參數化設計相比，不僅使用靈活、方便，而且容易編輯，使用面廣，還可為用戶提供高質量、高水平的CAD數據模型。

2.2.3 相關性設計

標準件庫由始至終貫徹UG主模型原理，它在系統中是唯一以電子介質存在的UG零件三維模型數據文件，除主模型文件外，其余所有Part文件的建立均按UG主模型原理進行，以完整一致地描述產品信息。系統通過應用主模型原理，保證了各個設計階段的數據全相關，在組件裝配（零件變化時，組件中該零件也相應變化）中，體現得尤為明顯。

我們在建立標準件庫時，還利用零件簇對小零件進行數字化設計，使模型與其生產的成員文件保持完全相關，非常便于數據的統一編輯和修改，大大提高了工作效率。所謂零件簇是指已經設計的具有類似幾何形狀（如圓、橢圓和多邊形等），但物理尺寸不同（如長、寬和高等）的零件集合。

圖3和圖4分別為某一構型的螺栓的主模型及其零件簇。在數字化設計體系中，標準件的設計經常用到零件簇，它也可以用來處理傳統的表格圖。

圖3 某一構型的螺栓的主模型

圖4 零件簇表格

零件簇的優勢主要表現在以下兩個方面。

● 實現了模型幾何數據和主要設計變量的分離控制；

● 減少了系統管理的難度，按需要生成所需的模型文件。

2.2.4 集成性設計

發動機標準件庫強調數據的可管理性，它與PDM系統軟件緊密配合使用，集成性好，為網絡基礎上的全三維標準件的選用提供了可能。其集成性見圖5，主要體現在以下幾個方面。

圖5 系統架構圖

● 借助資源管理系統應用平臺實現了標準件庫資源的全所共享；

● 充分利用了機械設計軟件UG NX 7.5和PDM軟件Team Center 2007緊密集成的特點，實現了管理和建模的無縫連接；

● 標準件庫與TC集成，實現對TC中文件的查找和讀取，以滿足用戶的需求；

● 標準件庫與UG集成，實現對標準件的加載。

2.2.5 實用性原則

建立標準件庫旨在滿足某型發動機全三維設計工作中標準件的選用。對一些標準件進行了適當地簡化。例如螺紋緊固件的螺紋部分、不影響裝配的倒角、倒圓和退刀槽等，這樣大大減少了使用時對模型的修改工作量，也簡化了建庫工作，縮短了建庫周期，增強了庫的實用性。

2.2.6 可擴展性原則

堅持以“邊建立、邊應用、邊完善、邊提升”的方針構建的發動機標準件數字化設計體系具有開放性，可以很容易地得到補充和擴展來滿足設計的需要；也可在簡單的擴展和維護之后，應用到模型數據管理的更多領域。庫的建立過程緊扣型號全三維設計工作的需要，分期分批建立，并可以在先期的標準件應用中及時發現不足，取得有益經驗。

2.2.7 靈活性原則

為了安全和具有更大的靈活性，使用資源庫中“型號視圖”模塊來管理外界所能看到的數據形式見圖6，以避免用戶訪問到還不成熟或者正在商榷準備的數據。由于標準件庫中的模型數據既可以來自TC，也可以來自資源庫，也增加了模型使用的靈活性。

2.2.8 一致性原則

圖6 用戶所見的數據形式

當一個場所內使用的標準件庫想轉移到其他研究所或生產機構中的時候，資源庫可以作為一個媒介將模型文件有序地轉移到其他場所的TC中。標準件庫中的模型與TC中進行同步就是為了滿足這種數據一致性而采取的措施。

2.2.9 數據唯一性原則

在標準件庫建立過程中，按照集團公司信息編碼管理中心有關物品碼的應用和管理要求，首次對標準件模型統一賦予8位物品碼，用以表示每一種模型只有一個物品碼，每一個物品碼只表示一種模型。物品碼作為模型數據的ID，不僅有利于數據的管理和使用，更為工廠的后續使用和管理提供方便。

3 某型發動機標準件數據庫的建立及意義

3.1 某型發動機標準件數據庫的建立

我所的發動機標準件數據庫基于UGNX7.5軟件，包括標準件的建模、裝配，與Teamcenter2007軟件配合使用，并通過制定一系列相關標準加以規范而形成的。它完全按照相關的建模流程和規范進行創建和編輯。它既可以適用于Teamcenter的更高版本，也可以支持UG更高版本閱覽和修改。

以實用性和可擴展性為基本原則而建立的發動機標準件數據庫，是基于某型發動機全三維數字化設計工作所必需和急需的。以滿足實用、急需為前提，目前，已建立各類標準件模型近3 700個，其中某型號標準件2 693件、國標標準件100余件、國軍標標準件300余件、航標標準件500余件和其它標準件近100件。

3.2 某型發動機標準件數據庫建立的意義

3.2.1 標準件全三維數字化設計是發動機裝配、計算、強度分析等工作的前提條件

在傳統的設計過程中，標準件和外購件不需要單獨出圖，但在PDM系統中，標準件的全三維數字化設計成了必不可少的環節。如組件模型裝配，強度計算和校核，重量、重心及轉動慣量的計算及各種報表的生成等都離不開它。

3.2.2 標準件數據庫的建立提高了設計效率，保證質量，節約成本

標準件數據庫的建立主要解決了技術人員在產品設計過程中，在重用已存在的標準件模型時，手工查找所需的標準件模型速度慢、易出錯的問題，從而使設計人員把更多的精力用于具有創造性的工作中去，減少設計人員的設計錯誤，可以大幅度提高設計效率，穩定標準件模型的設計水平，提高標準件重用率，縮短新產品的設計周期，從而達到降低成本的目的。

3.2.3 標準件數據庫為設計人員選用標準件提供便利

標準件數據庫具有超強的顯示功能，用戶可直觀地看到每個標準號層次結構下所有的標準件列表信息，包括標準件的結構型式和尺寸規格，極大地方便了用戶對標準件的選用，實現了面向對象即調即用的快捷服務。

3.2.4 標準件數據庫為異地協同項目管理提供技術支持

某型發動機的研制采用異地協同項目管理, 即由分散在異地的主研制單位和分研制單位，以現代信息技術為支撐手段，通過既有分工又相互協作的組織模式，充分發揮各單位的優勢與能力共同參與的活動。研制過程中，主、分研制單位相互嵌套、相互影響，在技術、管理等方面進行大量的數據、信息的交流與支持。所以，各階段的數據統一采用基于NX和TeamCenter的協同環境系統，既滿足了以EBOM工程物料清單（Engineering bill of material）形式發放數據的需要，也提高了型號發動機協同設計制造的工作效率。

4 發動機標準件數據庫的使用

4.1 標準件的搜索查詢

不論是單獨啟動UG NX，還是在TeamCenter中啟動UG NX，都能實現對標準件模型的快速搜索和加載。標準件庫應提供兩種形式的搜索功能（見圖6）：一種是普通的，根據標準件的名稱進行搜索的功能；另一種是用戶需要根據某些約束條件（比

圖6 搜索查詢

如材料、直徑小于XX，長度大于XX的螺栓件）下的高級搜索功能。

普通搜索：在主界面的左上方的錄入框內填入“十二角頭螺栓”，然后點擊“搜索”按鈕，系統就會遍歷樹結構找到一個包含“十二角頭螺栓”字樣的節點名稱，并展開。

高級搜索：必須先在結構樹上選擇節點，而且這個節點下的數據必須具有同樣的模板（具有相同的結構、尺寸參數等）。

3.2 標準件的調用

標準件的調用方法見圖7。在UG環境下，打開標準件數據庫，進入標準件庫界面，進行搜索查詢所需要的標準件，然后打開零件數據界面，選取調用所需標準件的某一系列尺寸的全三維的標準件模型即可。用戶通過界面選擇調用的標準件模型，既可以是某一單個標準件零件模型，也可以是附加了正確裝配約束的標準件組件模型。

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1003-6660（2015）01-0012-05

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.003

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