西 北 工 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 電 學(xué) 院 楊 海

中航工業(yè)西安航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限公司 王昭陽

南京易之恒軟件技術(shù)有限公司 周益民 楊迎超

航空發(fā)動機(jī)中葉片和機(jī)匣等關(guān)重件的制造工藝極為復(fù)雜，當(dāng)前這些重要零部件的制造精度主要靠工裝定位和裝夾來保證，因此，工裝設(shè)計(jì)是航空發(fā)動機(jī)等高精度、高可靠性產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的重要組成部分。工裝設(shè)計(jì)效率、質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理水平的提高，直接影響著航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量和效益。

近年來，不少學(xué)者對工裝設(shè)計(jì)數(shù)字化方面進(jìn)行了大量的研究，并先后提出了基于PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)的葉片類零件設(shè)計(jì)系統(tǒng)[1]，基于知識工程構(gòu)建工裝CAD模型的知識庫系統(tǒng)[2]和工裝設(shè)計(jì)參數(shù)化與模塊化的思想[3]。但前期的論述分別在工裝設(shè)計(jì)方式的體系化，工裝資源調(diào)用和設(shè)計(jì)方式的提高，工裝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效管理方法，以及集成化應(yīng)用方面還存在不足。

Teamcenter軟件是業(yè)內(nèi)知名的PDM系統(tǒng)，而NX軟件是當(dāng)前主流的CAD三維建模設(shè)計(jì)軟件之一，二者同屬于德國Simens公司的軟件產(chǎn)品，并通過UGMANAGER管理器模塊接口而具有強(qiáng)大的無縫集成功能。當(dāng)前國內(nèi)許多航空、航天、汽車等大型制造企業(yè)都選用NX和Teamcenter分別作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理的軟件平臺，其中，以在Teamcenter平臺下直接啟動NX軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、協(xié)同存儲模型數(shù)據(jù)和調(diào)用PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的集成設(shè)計(jì)方式倍受用戶的青睞，因?yàn)榧?、協(xié)同的數(shù)據(jù)管理和設(shè)計(jì)方式極大地提高了企業(yè)數(shù)據(jù)管理的規(guī)范性和安全性，并且有效避免了企業(yè)傳統(tǒng)方式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理所存在的數(shù)據(jù)冗余度和不便繼承性等方面的缺陷。

本文提出的數(shù)字化工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在Teamcenter和NX軟件平臺上開發(fā)的一種基于知識的工程（Knowledge Based Engineering，KBE）[4-6]的三維參數(shù)化工裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了NX KBE工裝夾具快速建模解決方案，能夠極大地提高工裝設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，降低工裝設(shè)計(jì)成本。

工裝系統(tǒng)集成特性

工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于NX軟件與Teamcenter平臺共同開發(fā)，是工裝建模設(shè)計(jì)與工裝模板數(shù)據(jù)存儲、重用、管理、交互為一體的工裝快速設(shè)計(jì)的集成解決方案（圖1）。工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)由嵌入在NX軟件平臺上的系統(tǒng)層功能模塊和創(chuàng)建在Teamcenter系統(tǒng)中的資源層工裝資源庫組成。系統(tǒng)層的功能模塊和資源層的資源庫通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)值模塊進(jìn)行橋接，實(shí)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)時(shí)資源庫的即時(shí)加載，用戶通過樹形結(jié)構(gòu)選取或條件查詢目標(biāo)工裝模板而快速完成設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)軟件NX平臺中，工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包含導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)[7]、導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)和輔助設(shè)計(jì)等功能模塊。而在數(shù)據(jù)管理軟件Teamcenter平臺中的工裝設(shè)計(jì)模板庫是工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)調(diào)用的目標(biāo)資源庫和設(shè)計(jì)結(jié)果存放目標(biāo)的工裝通用庫的兩種Teamcenter分類庫的集合。

如圖1所示，工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)在NX和Teamcenter兩大系統(tǒng)平臺間的交互原理為：導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)的模板資源主要來源于工裝設(shè)計(jì)模板庫中的典型工裝和現(xiàn)有工裝。導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)的模板資源主要來源于工裝設(shè)計(jì)模板庫中的定位單元、支承單元、夾緊單元和夾具體等按工裝部件功能分類的工裝部件模板庫。導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)加載的典型工裝模板對象和導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)加載的典型部件單元模板對象經(jīng)工裝快速系統(tǒng)的指派編碼功能獲取Teamcenter系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中定制的企業(yè)工裝對象（Item）編碼流水號而完成新制工裝的編碼命名。導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)和導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)完成的新制工裝經(jīng)過業(yè)務(wù)流程審批最終發(fā)送至Teamcenter工裝通用庫中的專用工裝庫或通用工裝庫進(jìn)行分類管理。

圖1 Teamcenter/NX集成環(huán)境工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)圖

KBE工裝模板資源庫

1 工裝模板庫功能劃分

工裝資源庫是工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來源和基礎(chǔ)。工裝系統(tǒng)的快速性也正是基于企業(yè)定制化的工裝模板資源庫，根據(jù)企業(yè)工裝設(shè)計(jì)知識工程的長期積累，建立典型工裝或典型部件的全參數(shù)化工裝三維模板，并利用CAD軟件3D和2D模型相互關(guān)聯(lián)的主模型方式建模基本功能建立三維模板零件對應(yīng)的二維零件模板工程圖，使得工裝模板參數(shù)修改后，3D和2D模型能夠自動同步更新，以實(shí)現(xiàn)工裝變型和組合的快速設(shè)計(jì)。

工裝快速設(shè)計(jì)的思想以總體參數(shù)化驅(qū)動、局部標(biāo)準(zhǔn)化、通用化補(bǔ)充為基礎(chǔ)，因而工裝設(shè)計(jì)模板庫也主要由具有參數(shù)化驅(qū)動特點(diǎn)的KBE工裝模板資源庫和工裝標(biāo)準(zhǔn)通用庫組成。

KBE工裝模板資源庫是工裝快速設(shè)計(jì)的主要組成部分，其由典型工裝庫和典型部件庫組成。典型工裝庫主要存放針對整套工裝建立全參數(shù)化驅(qū)動的典型工裝模板，而典型部件庫主要存放按工裝構(gòu)成劃分的定位單元、支承單元、夾緊單元、連接單元、夾具體等部件參數(shù)化單元模板。

工裝標(biāo)準(zhǔn)通用庫是工裝快速設(shè)計(jì)的輔助部分，主要包括：工件庫、工裝通用件、典型特征庫、工裝標(biāo)準(zhǔn)件庫等。工件庫是機(jī)床設(shè)備待加工零件的存放庫，主要為工裝參數(shù)化變型設(shè)計(jì)和組合設(shè)計(jì)的后期提供工具體切割元件，當(dāng)工件（譬如為航空發(fā)動機(jī)葉片）與工裝正確定位、裝夾時(shí)，工件和工裝模型很可能存在部分干涉，通常工裝對工件的定位、裝夾面與工件的相關(guān)表面特征是吻合或形似的，此時(shí)要得到工裝中這類形狀比較復(fù)雜面特征，難以采用常規(guī)方法進(jìn)行此類工裝局部異型特征面的參數(shù)化設(shè)計(jì)，因而利用工件與工裝的正確裝配關(guān)系，采用布爾運(yùn)算進(jìn)行反求，使得工件類似于刀具的切割部件，將工裝模型中與工件模型相干涉的部分進(jìn)行切除，以便得到工裝中用于工件正確定位或裝夾的異型面特征。工裝通用件庫、典型特征庫和標(biāo)準(zhǔn)件庫分別存放企業(yè)常用的通用化零件、典型UDF特征和國標(biāo)、航標(biāo)或企標(biāo)件。

2 工裝模板搭建原則

KBE工裝模板設(shè)計(jì)的優(yōu)劣程度是工裝快速設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量體現(xiàn)的根本。本文根據(jù)工裝模型的重復(fù)性設(shè)計(jì)程度（即典型程度），將工裝劃分為：典型工裝、半典型工裝和非典型工裝。典型工裝指零件數(shù)量90%以上重用的工裝類型；半典型工裝指模型中存在比較典型的部件（或重要零件）的工裝，零件數(shù)量50%以上重用的工裝類型；非典型工裝指模型本身為新設(shè)計(jì)機(jī)型、不屬于重復(fù)性設(shè)計(jì)，且模型中沒有比較典型的部件（或重要零件）的工裝，零件數(shù)量10%以下重用的工裝類型。因此，工裝模板搭建的首要原則是工裝快速設(shè)計(jì)方式確認(rèn)，即要考慮工裝快速設(shè)計(jì)的變型或組合與否。變型設(shè)計(jì)主要針對典型工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，組合設(shè)計(jì)主要針對半典型工裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。而非典型工裝則根據(jù)實(shí)際需要，自行進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

工裝模板搭建原則還應(yīng)遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一和最大變形范圍等方面的原則?；鶞?zhǔn)統(tǒng)一原則是設(shè)計(jì)、工藝定制，乃至加工制造過程中，應(yīng)該遵循的最基本原則，然而對于典型工裝的模板在采用自頂向下的方式建模時(shí)，基準(zhǔn)統(tǒng)一的原則尤為重要。在裝配的頂層建立基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)坐標(biāo)系以及基準(zhǔn)點(diǎn)等統(tǒng)一基準(zhǔn)，新建零組件后，采用WAVE幾何連接器技術(shù)[8]，鏈接裝配頂層已建好的基準(zhǔn)進(jìn)行參考引用，從而有效避免了循環(huán)鏈出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，最終能夠很好地建立全參數(shù)化驅(qū)動的典型工裝模板。最大變形范圍原則是設(shè)計(jì)出一套質(zhì)量優(yōu)良工裝模板的前提。根據(jù)知識工程的積累，同時(shí)深入制造現(xiàn)場調(diào)研也是必要的，在最終了解工裝的使用場合，工件的加工范圍以及機(jī)床裝備的特點(diǎn)之后，方能按需求考量出一套工裝的最大變形范圍。

導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)

導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)是工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的兩大主功能模塊之一，其主要針對相似度高的整套典型工裝進(jìn)行快速改型設(shè)計(jì)，圖2所示為導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)模塊流程圖。

導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)提供便捷式的導(dǎo)引設(shè)計(jì)方式，主要包括以下幾個(gè)模塊：典型工裝模板選取和查詢、指派編碼、工裝克隆、參數(shù)修改等子功能模塊。該主功能模塊設(shè)計(jì)的過程為：首先通過對典型工裝模板數(shù)據(jù)庫的樹形結(jié)構(gòu)選擇或條件查詢，加載目標(biāo)典型工裝；其次根據(jù)數(shù)據(jù)庫定制的企業(yè)編碼規(guī)則對新工裝進(jìn)行自動指派編碼；之后對已經(jīng)加載的目標(biāo)典型工裝進(jìn)行工裝克隆復(fù)制生成同外形尺寸的新工裝；然后根據(jù)KBE模板定制的參數(shù)按需進(jìn)行參數(shù)修改的尺寸變形，并將結(jié)果與待加工工件尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行比對或直接試裝待加工工件至變形結(jié)果中驗(yàn)證，若新工裝符合設(shè)計(jì)要求，則保存數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的PDM系統(tǒng)自動存儲而完成導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)；若新工裝不符合設(shè)計(jì)要求、需要微小變化，則繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)修改，直至符合設(shè)計(jì)要求而結(jié)束。

圖2 導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)流程圖

如圖3所示，為工裝變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。系統(tǒng)具有新建工裝的路徑存儲、典型工裝檢索和預(yù)覽等功能。在工裝變型設(shè)計(jì)方式中，選擇典型工裝和編碼指派完成之后，系統(tǒng)按目標(biāo)典型工裝克隆一套新的工裝，并同時(shí)進(jìn)入工裝變形設(shè)計(jì)參數(shù)修改界面。如圖4所示，此時(shí)利用參數(shù)編輯列表對這套新工裝，進(jìn)行相似度高的改型設(shè)計(jì)。界面中，二維模型預(yù)覽圖和二維模型放大圖，以及參數(shù)編輯列表選中某一參數(shù)后，NX軟件模型窗口中模型的PMI參數(shù)標(biāo)記將會同步高亮顯示，以便用戶進(jìn)行參數(shù)修改。當(dāng)參數(shù)修改完成并確定之后，工裝模型（主模型方式建立的三維模型和二維工程圖模型）將自動實(shí)現(xiàn)同步尺寸更改，達(dá)到工裝快速變型設(shè)計(jì)的目的。此處需要說明的是，典型工裝的參數(shù)（即參數(shù)修改界面中參數(shù)編輯列表中的參數(shù)）設(shè)計(jì)是企業(yè)長期總結(jié)、積累的成果技術(shù)，是根據(jù)生產(chǎn)需要可以對典型工裝模板的參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)充和修改的，是基于知識的工程原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此上文稱之為KBE工裝模板。

圖3 工裝變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

圖4 工裝變型設(shè)計(jì)參數(shù)修改界面

導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)

導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)是工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的第二大主功能模塊，其主要針對部件單元的半典型工裝進(jìn)行搭積木式的快速拼裝，以完成局部相似的組合式設(shè)計(jì)，圖5所示為導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)模塊流程圖。

圖5 導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)模塊流程圖

導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)亦提供便捷式的導(dǎo)引設(shè)計(jì)方式，依次主要包括以下幾個(gè)模塊：典型部件模板選取和查詢、指派編碼、工裝克隆、單元模塊編輯等子功能模塊。該主功能模塊設(shè)計(jì)的過程與導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)過程類似，與導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)最大的區(qū)別在于：導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)提供了針對部件單元的半典型工裝模板專門參數(shù)化變形的單元模塊編輯器功能，可以實(shí)現(xiàn)部件單元組合拼裝時(shí)的參數(shù)編輯修改、單元模塊添加、替換、刪除等功能。最終組合拼裝完成后，同樣需要與待加工工件外形進(jìn)行比對或試裝，直至符合要求而完成設(shè)計(jì)。

圖6、圖7分別為工裝組合設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面和工裝組合設(shè)計(jì)單元模塊查詢界面。與工裝變型設(shè)計(jì)類似，系統(tǒng)具有新建工裝的路徑存儲、工裝單元查詢和預(yù)覽等功能。不同的是，工裝組合設(shè)計(jì)根據(jù)需要分別針對工裝的支承單元、定位單元、夾緊單元等典型單元庫進(jìn)行查詢，然后組成一套完整工裝，之后系統(tǒng)指派編碼、并克隆生成這套新工裝。接著利用組合設(shè)計(jì)專用的單元模塊編輯功能分別對組成該套工裝的支承單元、定位單元、夾緊單元等目標(biāo)單元模塊進(jìn)行參數(shù)修改。圖8所示為工裝組合設(shè)計(jì)單元模塊參數(shù)修改界面， 此參數(shù)編輯界面與工裝變型設(shè)計(jì)的參數(shù)編輯界面相同，最終經(jīng)過單元間的合理裝配約束后，可快速得到所需的新型組合工裝。

圖6 工裝組合設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

圖7 工裝組合設(shè)計(jì)單元模塊查詢界面

圖8 工裝組合設(shè)計(jì)單元參數(shù)修改界面

輔助設(shè)計(jì)

導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)和導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)可以極大程度地分別解決典型工裝改型設(shè)計(jì)和半典型工裝的柔性拼裝、改型設(shè)計(jì)等需求，但是要想實(shí)現(xiàn)通用單元模塊或工裝的編輯、克隆、特殊打孔以及待加工工件至目標(biāo)工裝中的定位和工具體切割等補(bǔ)充功能的工裝快速設(shè)計(jì)完備解決方案，如圖1所示，仍需要提供輔助設(shè)計(jì)模塊，主要包括：單元模塊編輯、產(chǎn)品克隆、工件定位、工具體切割、智能裝配、智能打孔、典型特征庫接口等子功能模塊。

單元模塊編輯和智能裝配是針對組合設(shè)計(jì)提供的輔助模塊；產(chǎn)品克隆可以對任意工裝進(jìn)行按需編碼修改和標(biāo)準(zhǔn)件克隆與否的復(fù)制克隆功能模塊；工件定位和工具體切割的專用功能針對新設(shè)計(jì)工裝中待加工工件的異型外輪廓定位或裝夾的特殊性個(gè)案，導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)和導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)參數(shù)修改或單元模塊編輯完成新制工裝的主型設(shè)計(jì)后，加載定位待加工工件，將工件作為工具體，進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)反求切割，最終完成新制工裝的變型設(shè)計(jì)或組合設(shè)計(jì)；智能打孔模塊提供工裝設(shè)計(jì)中過孔和螺紋孔等特征的智能高效特征工具；典型特征庫提供工裝設(shè)計(jì)時(shí)需要的用戶UDF特征快速接口。

設(shè)計(jì)效率分析

表1 工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)效能對比

基于本文論述的數(shù)字化工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以航空飛機(jī)發(fā)動機(jī)中葉片或飛機(jī)蒙皮等關(guān)鍵零件制造時(shí)所需的夾具、量具為例，在分別建立了在KBE典型工裝模板或典型部件單元模板的基礎(chǔ)上，完成了工裝快速設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的效能對比（表1）。

不考慮工裝快速設(shè)計(jì)KBE工裝模板的建模耗時(shí)，從表1可以看出，工裝快速設(shè)計(jì)方式較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式效率提高了數(shù)倍。但是由于KBE工裝模板搭建過程中采用基準(zhǔn)統(tǒng)一的自頂向下方式建模，耗時(shí)較長，且后期仍需要KBE工程知識的積累而不斷完善，當(dāng)企業(yè)定制建立起完備的KBE典型工裝模板庫時(shí)，本文綜合考慮估算，得到：數(shù)字化工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)工裝設(shè)計(jì)的效率能夠提高至少30%以上。

結(jié)論

本文在討論了企業(yè)KBE工裝模板庫構(gòu)成和工裝模板建模方式的基礎(chǔ)上，論述了基于Teamcenter和NX兩大系統(tǒng)平臺開發(fā)的數(shù)字化工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的導(dǎo)引式變型設(shè)計(jì)、導(dǎo)引式組合設(shè)計(jì)以及輔助設(shè)計(jì)等模塊的功能特性，從而說明了數(shù)字化工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供了工裝設(shè)計(jì)方面的一套有關(guān)模型設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)存儲、重用、管理、交互為一體的完整解決方案，并得到了數(shù)字化工裝快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)工裝設(shè)計(jì)的效率能夠提高至少30%以上的結(jié)論。

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