基于CATIA 的裝配工裝數字化設計制造

◎宋海楠

一、基于CATIA 的裝配工裝設計要點

1.數據集規模的控制。

基于CATIA 系統進行數字化設計，最基礎的環節就是要盡可能全面的收集各類裝配工裝的參數信息，包括尺寸、結構、形狀等，然后將這些數據以數據集的形式，存儲到計算機數據庫中。但是數據集規模過大，會導致CATIA 系統出現反饋延時的情況。通常來說，當數據集的規模達到了最大容量的50%后，延時問題就比較明顯，此時需要將數據集一分為二，保證數據檢索、調用的效率，提高CATIA 系統響應速度。需要注意的是，同一裝配工裝的數據，不得分配到兩個數據集中，避免出現工裝數據不完整的情況。

2.數據集的分類。

除了要控制數據集的規模外，還要在數據集內部進行細化分類。根據數據集中包含信息的不同，至少可以分成三類，分別是：（1）DRAW 數據集。主要是工裝圖紙信息，包括形狀、尺寸等。為了保證工裝圖紙信息的完整性、清晰度，在現有的DRAWE數據基礎上，還要使用SPACE 數據集進行層疊，通過數據補充得到更加全面和細致的工裝數據。（2）SPACE 數據集。包括各類工裝組件的全尺寸數據和三維坐標，但是利用該數據集中的各類參數，并不能直接得到工裝圖紙，多數情況下需要配合DRAW 數據集才能發揮作用。（3）標準數據集。包含了較多結構比較簡單的裝配工裝圖紙，不需要層疊，能夠獨立生成各類工裝組件的圖紙。

3.坐標系的設置。

可以支持二維坐標系和三維坐標系。對于一些簡易的、規則的工裝組件，可以使用二維坐標系；但是對于復雜的、精度要求較高的工裝組件，為了保證設計和制作精度，需要獲取三維坐標然后制作立體模型。另外，根據工裝組件坐標用途的不同，坐標系也可以分成兩種類型，一種是標準坐標系。也稱為主坐標系，指以坐標軸*AXS1表示的標準飛機坐標系。還有一種是輔助坐標系，所有輔助坐標系都應有相應的標記符，在正式發放的工裝數據集中不應出現不必要的輔助坐標系。

4.三維模型的創建。

在獲取了目標工裝組件的三維坐標后，可以基于CATIA 系統創建三維模型。首次創建三維模型時，可以先勾勒出大體的外部輪廓，然后通過調用相關的數據參數，逐漸補充工裝模型的細節。尤其要注意螺栓、銷釘等固件，以及模型過渡區位置，必須要保證模型設計的精度。采用CATIA 系統自帶的一些輔助檢測工具，例如利用圓角測量儀對工裝組件圓角的角度進行精確測量，確保三維模型的圓角角度與使用要求一致。得到工裝組件的三維模型后，保留一份備份文件。

5.數字預裝配。

以三維模型為參照，進行數字預裝配，可以初步得到工裝組件的試件。利用各類儀器、工具等，對試件的各項參數進行檢測，確保試件完全符合裝配工裝的使用要求。如果試件存在一些不足，則需要重新優化設計，直到不存在問題。數字預裝配環節需要關注的兩個要點是：（1）利用層疊功能進行裝配工裝零部件或裝配工裝與工程零件的模擬裝配；（2）利用干涉分析功能進行裝配工裝零、部件自身及裝配工裝與飛機零件之間的干涉分析，解決干涉及不協調問題。

二、裝配工裝數字化制造技術

1.數字化安裝原理。

物體在三維空間內的運動可以分解為：沿Z 軸方向位移、沿X 軸方向位移、沿Y 軸方向位移、繞Z 軸旋轉、繞X 軸旋轉以及繞Y 軸旋轉，這就是物體在三維空間的6 個自由度。控制了被測物體的這6 個自由度，就可以確定該被測物體在空間的位置。光學工具點（OTP）是由工裝設計員給定的用于確定裝配工裝型面關鍵特性的控制點，工人利用跟蹤儀通過測量OTP 的坐標值來確定裝配工裝型面的關鍵特性，達到制造、安裝和檢測裝配工裝的目的，實現無實物標準工裝的裝配工裝安裝。

2.數字化安全流程。

（1）確定定位面。在需要定位的平面上設置3 個OTP。OTP 中心到平面的距離為0.31 英寸，OTP 目標間的最小距離為1.5英寸。

（2）確定定位孔。用于確定小于2 英寸見方的定位面及其上的定位孔的位置，具體做法是：首先在定位面的對稱中心點處制出定位孔，然后在定位孔的軸線上設置2 個OTP。OTP1 與定位面的垂直距離為0.31 英寸，OTP2 與定位面的垂直距離為1英寸。

（3）交點孔軸線。用于確定交點孔的軸線及端面位置。具體做法是：在交點孔軸線上設置2 個OTP，即OTP1 與OTP2。交點孔直徑大于0.50 英寸時，OTP1 與OTP2 的距離最好為12 英寸；直徑小于0.50 英寸時，OTP1 與OTP2 的距離最好為6 英寸。

三、基于CATIA 裝配工裝數字化設計制造的應用效果

相比于傳統的工裝設計與制造，在運用了CATIA 系統后，體現出了以下優勢：（1）工裝數字化設計極大的簡化了設計與制造流程，實現了設計-制造的一體化。從前期采集工裝組件的各項參數，再到最終得到產品，整個周期被極大的縮短，體現出了較好的經濟效益。（2）工裝組件的精確度明顯提到，返修率大幅度較低。其一是因為數字化設計可以保證參數更加精準，其二是CATIA 系統具有三維模型的參數自檢功能。形成了雙重保障，最大程度上解決了因為精度不足而返修的問題。（3）功能被極大的擴展。基于CATIA 系統的強大功能，除了在工裝組件的設計與制造環節發揮應有的作用外，在模擬運行、后期維護等方面，也展現出了較為強大的功能優勢。

結語：CATIA 是一款可以支持通過建立數字模型來設計和模擬工業產品的軟件，為下一步產品的制作、安裝、維護提供了參考。近年來，CATIA 在數字化工業產品設計與制造中應用廣泛，除了可以支持設計人員靈活調節設計參數、直觀掌握設計成果外，還能夠自動完成仿真實驗。技術人員可以根據仿真結果，找到裝配工裝數字化設計中存在的問題，進而在不斷的修改、優化中，使設計方案趨于完善。最后借助于該數字化設計方案，完成產品的加工、制造，從而用較低的成本、較快的速度，得到了高精度的產品。