面向制造的通用飛機數字化設計方法研究

趙新新 曾 銳 林 琳 /

(中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司，安徽 241000)

面向制造的通用飛機數字化設計方法研究

趙新新 曾 銳 林 琳 /

(中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司，安徽 241000)

為提高裝配圖紙對生產的可指導性，實現總裝物料與圖紙的層級對應，同時減少詳細設計階段各專業的沖突，對面向制造的通用飛機數字化設計方法進行了研究。結合生產工藝流程進行總體方案設計，確定總體參數；以裝配流程為建模結構，在按需求配置的協同設計平臺中搭建總體骨架，進而開展詳細三維建模工作。通過實際機型的三維建模證明，此種建模方式下設計過程中的模型沖突得到了即時解決，各分工位設計實時關聯，設計圖紙可直接指導生產裝配，大幅度縮短了研發周期。

面向制造；結構層級；協同設計；骨架；三維建模；通用飛機

0 引言

現階段多數通用飛機的研制過程是按氣動、結構、航電、液壓、燃油等系統劃分，進行詳細設計工作[1]。各專業負責各自系統的三維建模工作，并生成設計物料清單(Bill of Materials,以下簡稱BOM)及二維設計圖紙。設計圖紙基本不包含裝配工藝相關的信息，與實際裝配工位往往處于多對多映射狀態。而生產制造階段，還要根據設計文件進行生產圖紙、作業指導書、工卡等工藝文件的編制，工藝與設計的沖突協調較多，研制周期相對較長。

研究面向制造的三維建模，使設計圖紙裝配關系與工位組裝信息一致，明細欄物料與對應工位所組裝物料保持一致，一份圖紙只映射一個工位。對于設計，可清楚地了解制造流程，避免了因工藝可行性導致的設計更改。對于生產，可直接導出制造BOM，既提高了工作效率，又可以提高制造BOM的準確率。而且，在無紙化生產中，面向制造的三維數模可直觀地展示工藝流程和裝配關系，可更高效地指導生產，大大縮短研制周期。

通用飛機的設計由于系統結構的復雜性，需要多專業共同完成，但出于飛行性能及安全性等多方面的考慮，重量重心、幾何尺寸有著嚴格的限制，對內部結構的布置、裝載設備的空間等提出了限制需求，導致各系統在設計過程中需要大量的協調工作。如果采用常見的設計——討論協調——修改的設計循環，雖然能達到設計協調的效果，但時間精力的消耗相對較大[2]。采用基于骨架的協同設計技術，從設計之初便考慮整個設計周期中成員之間需要協調交互的內容。過程中，成員相互之間可以對設計進行審閱和溝通，即時評估當前設計的影響，實現全局的融合與優化。各分系統設計過程中位置、尺寸等信息能夠即時協調，有效防止結構設計的沖突，避免了因某一零件修改而導致大量零部件變化的重復設計工作或設計干涉。

1 面向制造的三維模型結構

在通用飛機的總體設計階段綜合考慮制造工藝，根據設計方案，將各分系統作為各級子裝配劃分至相應的裝配工位，制定出基本工位裝配流程。在搭建三維骨架模型結構樹時，依照工位裝配信息插入節點，得到結構樹層級與裝配流程一致的骨架模型，各分系統在此骨架模型下開展詳細設計工作。

詳細設計建模完成后，根據工藝可行性分析及強度分析、系統驗證后，對分系統在各工位的裝配流程進行調整，得到整機的三維模型。由于建模結構的父子級關系是按總裝流程定義的，結構樹上每個裝配體對應的子級都是相應工位或分工位的一級物料；裝配體生成的圖紙即為該工位的裝配圖紙，明細欄對應物料清單、裝配尺寸清晰明確。因此整機模型設計完成后，通過個性配置的設計平臺導出的BOM即為制造BOM，生成的二維圖紙可直接用于指導裝配，此三維模型即實現了面向制造化。

2 骨架模型的應用研究

骨架模型一般由總體創建，包含總體結構樹和骨架零件。結構樹體現總裝裝配流程，而骨架零件包含坐標系、總體設計的幾何信息及參數。

骨架零件分為總體骨架零件和分工序(分系統)骨架零件兩類。總體骨架零件包含機體坐標系、氣動外形、基準平面、機身軸線、輪廓線等幾何信息以及其它的總體參數。各工位及各層級分系統骨架零件定義局部坐標系、對接面或安裝軸線等幾何信息或用戶參數，只針對特定工序或系統，根據建模的實際設計需求選擇是否建立。

骨架零件定義完成后，將其固定約束在各自裝配體下，并將定義的幾何信息和用戶參數通過發布機制進行發布，使之在整個工作域內用戶可見，用來指導詳細設計。設計信息只能從骨架元素向下單向傳遞，從而保證骨架的健壯性。

3 面向制造的骨架協同建模實例

以某機型為例，細節截取機翼部分，以3D Experience為平臺，進行面向制造的骨架協同建模研究展示。案例采用設計流程簡化如圖1所示。

3.1 飛機裝配流程的制定

按照總體方案給出的工藝方案，制定出建模用裝配流程。根據總體規劃，機翼預裝后在F6工位對接，因此將機翼的組裝劃分至F6下，而主油箱在機翼預裝工位安裝至機翼內，因此作為機翼的子級劃分。詳細的裝配流程如圖2所示。因通用飛機實際裝配流程中有些工位是檢測工位，沒有機體物料的組裝，因此在制定建模用裝配流程時不列入流程中，檢測工位的工藝圖紙單獨編制。

3.2 項目域的定義

在平臺中建立安全性為內部私有的項目空間，并將設計人員在該空間的角色權限進行定義，嚴格限制數據的編輯權限。該實例中設計的自制件模型保存在該項目空間內。項目空間配置如圖3所示。

另外，建立用于存儲外購件及標準件的項目空間，并分配相應人員權限。

3.3 骨架模型的搭建

首先根據總體定義的坐標要求，確定機體坐標系。然后按照第一步劃分的裝配層級關系，建立骨架結構樹，結構樹中各級子裝配體按公司命名規范命名。結構樹頂層為整機代號，按裝配的父子級關系依次插入裝配節點，結構樹及裝配對應關系部分示例如圖4所示。

骨架結構樹中，每個工位或分系統裝配體下均建立有一個骨架零件(圖4后綴為MasterGeo的零件)，用于定義各工位分系統的幾何信息和參數。上圖4中總裝配體下第一個零件為總體骨架零件，定義了整機的氣動外形、各工位主要結構或系統的外輪廓、機體坐標系、基準面等信息，如圖5所示。

以下操作過程將取機翼部分展示。機翼部分在裝配流程中處于F6的子級，因此在總體結構樹中位于F6的下一層級(見圖4指示)。其包含的裝配包括小翼、外翼以及整流罩，依次將其作為機翼對接裝配體的子裝配插入結構樹。基于機翼結構的相對復雜性，在該裝配體下創建骨架零件，用于定義機翼的坐標系及對接面、基準軸等幾何信息。機翼結構樹的創建過程及骨架元素如圖6所示。

3.4 權限的轉移

骨架模型確定后，將骨架零件鎖定。D64-0057-20-00裝配體的責任者轉移給0126設計員。

3.5 基于骨架同步建模

0126設計員接收到設計任務后，打開機翼對接的裝配體D64-0057-20-00，根據實際設計需要在相對應的裝配體下插入零件或部件進行三維建模，如外翼的設計建模在D60-5721-00-00裝配體下進行。

機翼部分的建模在總體骨架元素及機翼骨架元素的共同指導及約束下進行。建模過程中可直接在骨架發布的面上繪制草圖，也可鏈接引用發布的元素。引用外部鏈接后，模型與被引用的骨架零件之間將建立鏈接關系，從而保證數據更新的即時準確。外翼建模完成后，將其與小翼的對接搭接面發布，以便小翼建模時引用，如圖9所示。

小翼直接在該發布的曲面基礎上建模。后續若搭接長度及位置等發生更改，可同步更新。

3.6 標準件、外購件庫的建立

標準件由專門設計人員負責數據匯總，參數化建模[3]。利用目錄庫功能建立標準件庫及外購件庫，設計人員建模中遇到組裝此類零部件時，直接從庫里引用模型，保證同一機型下同一代號的標準件/外購件有相同的鏈接。

3.7 三維模型的審查及驗證

所有分工位/分系統的詳細設計建模完成后，將骨架模型進行更新，將顯示整機的三維模型。根據詳細設計階段的評審論證，對調整了工序的零部件在結構樹中的層級作相應變更；對模型進行重量重心測算、載荷校核、系統仿真分析、機構模擬及干涉檢查分析[4]等，根據結果將需要更改的模型的問題反饋給責任設計員進行更改。設計定型后，即可將數字化樣機狀態凍結。

3.8 制造信息的生成

整機數字化樣機設計定型后，從設計平臺中將整機BOM導出，D64-0057-20-00為F6的組裝物料，而D64-0057-20-00下設計的機翼對接零部件與D64-5721-00-00同級，為D64-0057-20-00的組裝物料，該BOM各層級內容與工藝流程中各工位的物料一致，可直接用于總裝PE物料準備工作。同時，D64-0057-20-00裝配體的圖紙即為機翼對接工位安裝圖，明細欄對應安裝物料，方便物料的核對及正確的組裝；對接相關尺寸及位置在一份裝配圖中直

觀表達。對于工序復雜的工位，按該工位的多個系統分別出裝配圖紙，保證圖紙表達清晰的同時，避免同一裝配圖的重復發放。

4 結論

面向制造的建模方式，有效地將設計與工藝相結合，裝配圖紙對應的物料明細清單即為裝配工位的組裝物料，既降低了裝配工人查看圖紙的難度，又可方便快捷地核對總裝物料，相比于傳統的建模方式，模型圖紙對生產的可指導性明顯提高，更為無紙化生產的推廣提供了有力的基礎。而基于骨架的三維協同設計，可實現各專業分系統的實時協調，實現三維模型數據及鏈接的即時更新，有效提高了建模效率。但是，與傳統的建模方式相比，面向制造的骨架協同建模方式對硬件設備及軟件配置的要求較高；由于需要在建模初期制定裝配流程，對總體設計階段的要求提高，若工藝流程設計偏離過多，后期結構樹調整工作將增大。因此，目前該建模方式只有在小型通用飛機且制造工藝相對成熟的情況下，可推廣采用。

[1] 姜維. 飛行器協同設計中的產品結構與配置管理研究與應用[D]. 南京: 南京航空航天大學，2007.

[2] 周安寧.協同設計技術及其在飛行器設計中的應用研究[D]. 南京: 南京航空航天大學，2011.

[3] 王永崗，楊利杰. CATIA三維參數化建模技術及其應用 [J]. 機械工程師， 2014， (5): 200-202.

[4] 楊超云.基于CATIA V5的零件參數化設計及運動仿真[J]. 汽車零部件，2011，(6): 55-58.

Digital Design Method of General-purpose Plane Aimed at Manufacturing

ZHAO Xinxin ZENG Rui LIN Lin

(CETC Wuhu Diamond Aircraft Manufacture Co.,Ltd，Anhui 241000，China)

In order to improve the guidance of the drawing to production and achieve the correspondence between MBOM and the drawings, a method of digital design for general-purpose aircraft aimed at manufacturing has been researched while reducing the conflicts of each professional field during detailed design at the same time. The general scheme was designed combined with production process, and the general parameters were defined at this stage. The structure of 3D model was based on assembly process and the skeleton was created based on the demand-oriented collaborative design platform. Thus the 3D models was designed. The test on a real type of aircraft shows that based on the 3D modeling, the conflicts during design were solved immediately, the designs between several stations were associated immediately, the production was guided by drawings directly and the development period of the aircraft was shortened significantly.

aimed at manufacturing; structure level; collaborative design; skeleton; 3D model; General-purpose plane

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.01.023

V26

A