程 浩，高云霞，韓 笑，花 劍（上海航天控制技術(shù)研究所，上海市閔行區(qū)201109）

數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)У拈_發(fā)與應(yīng)用研究

程 浩，高云霞，韓 笑，花 劍（上海航天控制技術(shù)研究所，上海市閔行區(qū)201109）

裝配作為制造過程中形成產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)之一，其質(zhì)量直接影響了產(chǎn)品性能，大量資料表明，工業(yè)化國(guó)家產(chǎn)品生產(chǎn)過程中有超過30%的人力在從事與裝配有關(guān)的活動(dòng)，可見裝配問題是產(chǎn)品成本居高不下的重要原因。數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)技術(shù)是虛擬設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，當(dāng)前已成為研究的熱點(diǎn)。鑒于此，本文從不同角度針對(duì)數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)У拈_發(fā)與應(yīng)用展開分析。

數(shù)字化；裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)?；開發(fā)

數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)技術(shù)是虛擬設(shè)計(jì)、敏感設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，近年來受到了學(xué)術(shù)與工業(yè)界人士的極大關(guān)注。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)過程中非常關(guān)鍵的一環(huán)，目前已經(jīng)成為人們研究及關(guān)注的焦點(diǎn)。但是在數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通用平臺(tái)中的數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，其應(yīng)用過于分散，無法將經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)合理應(yīng)用到設(shè)計(jì)工作中，因此產(chǎn)品開發(fā)與改進(jìn)速度非常慢。

1 數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)流程

數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的活動(dòng)，涉及到功能、性能分析及概念設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)之一，是一個(gè)從抽象裝配方案發(fā)展到具體化的過程。常用的數(shù)字化裝配設(shè)計(jì)方法有兩種，分別為自底向上和自頂向下設(shè)計(jì)方法。

1.1 自底向上設(shè)計(jì)方法

這種設(shè)計(jì)方法是傳統(tǒng)CAD軟件中常用的一種方法，其主要思路在于先對(duì)不同零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后通過對(duì)約束條件的利用將需要配合的零部件進(jìn)行裝配，所以在模型裝配的過程中應(yīng)該對(duì)零件進(jìn)行干涉檢查，并及時(shí)消除最初設(shè)計(jì)中存在的不匹配問題。例如：零件與零件之間產(chǎn)生干涉、零件不能裝配等問題（如圖1所示）。從圖中可以看出，這種設(shè)計(jì)方法缺乏對(duì)全局的考慮，設(shè)計(jì)過程中有很多重復(fù)工作，從零件設(shè)計(jì)一直到總體裝配設(shè)計(jì)，并不支持由概念到全局的詳細(xì)設(shè)計(jì)，過程中信息傳遞不通暢，尤其是部件之間裝配關(guān)系很難實(shí)現(xiàn)完整的描述。但是其優(yōu)點(diǎn)主要在于操作方便，目前CAD系統(tǒng)普遍支持。

圖1 自底向上設(shè)計(jì)流程圖

1.2 自頂向下設(shè)計(jì)方法

這種設(shè)計(jì)方法的出發(fā)點(diǎn)在產(chǎn)品的功能要求上，結(jié)合產(chǎn)品的性能要求確定產(chǎn)品整體布局及裝配方案，然后展開零部件的裝配設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行干涉檢查分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)（流程圖如圖2）。①應(yīng)明確設(shè)計(jì)要求，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能、結(jié)構(gòu)等加以分析，理解產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)思路；②產(chǎn)品配置與結(jié)構(gòu)定義，查找可以借鑒的平臺(tái)，定義新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，明確零部件庫(kù)中哪些零部件可以直接使用，哪些需要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)；③產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)；④產(chǎn)品裝配序列及路徑規(guī)劃；⑤產(chǎn)品裝配坐標(biāo)系定義；⑥裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；⑦產(chǎn)品裝配設(shè)計(jì)檢查；⑧產(chǎn)品性能仿真分析；⑨產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸出。

圖2 自頂向下設(shè)計(jì)流程圖

2 數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)Э傮w設(shè)計(jì)

本次開發(fā)的數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)В瑥目傮w上可以分成交互式用戶界面層、應(yīng)用模塊層及支撐環(huán)境層三個(gè)層次。在這個(gè)框架中，交互式用戶界面位于最頂端，用戶通過交互式用戶界面實(shí)現(xiàn)與向?qū)У慕换?，并完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用模塊位于中間，是為了完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)出來的功能模塊；支撐環(huán)境層位于最底層，是為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足設(shè)計(jì)需要的支撐模塊，其中還包括靜態(tài)干涉檢查、UG軟件裝配等模塊。

2.2 數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)У膶?shí)現(xiàn)

數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)钱a(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的子模塊，主要利用VC++6.0系統(tǒng)工具來實(shí)現(xiàn)對(duì)話框的調(diào)用，同時(shí)利用專用數(shù)據(jù)庫(kù)接口技術(shù)開發(fā)出一條完全集成于UG的子模塊。向?qū)г趯?shí)現(xiàn)過程中，利用VC++6.0系統(tǒng)空間設(shè)計(jì)對(duì)話框，并利用UG/Open API和C++函數(shù)來說實(shí)現(xiàn)對(duì)話框中不同空間的功能，經(jīng)過鏈接編譯以后生成動(dòng)態(tài)鏈接dll文件，利用Menu Script功能模塊來實(shí)現(xiàn)UC軟件系統(tǒng)菜單的編輯和修改，最后通過菜單中的actions語句，使UG菜單和dll文件的無縫集成得到實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在菜單與對(duì)話框集成實(shí)現(xiàn)過程中，利用菜單激發(fā)應(yīng)用方式，實(shí)現(xiàn)cpp文件中生命激活應(yīng)用的列表結(jié)構(gòu)，程序編譯鏈接以后，只要點(diǎn)擊“裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)А辈藛伟粹o，就可以激發(fā)出對(duì)話框界面。

3 數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)?yīng)用實(shí)例

飛機(jī)制造工作是一項(xiàng)周期性的工作，尤其是對(duì)于裝配工作來說，不僅工作量非常大，運(yùn)轉(zhuǎn)周期也比較長(zhǎng)，操作非常復(fù)雜。為了提高裝配效率，需要對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行優(yōu)化。從當(dāng)前飛機(jī)制造現(xiàn)狀來看，數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)С蔀轱w機(jī)裝配工作的主要發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字化技術(shù)為飛機(jī)裝配工作提供了良好的技術(shù)支持，數(shù)字化裝配不再受到設(shè)計(jì)制造技術(shù)的束縛。

3.1 相關(guān)設(shè)計(jì)要素分析

基于數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的飛機(jī)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)有效選擇裝配位點(diǎn)，針對(duì)裝配位點(diǎn)展開有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，使裝配制造環(huán)節(jié)的工作量得到控制，有效提升零部件的性能，使零部件外形和設(shè)計(jì)目標(biāo)相一致。因?yàn)閿?shù)字化裝配方式和手工方式差異較大，利用數(shù)字化裝配方式進(jìn)行操作時(shí)，需要利用自動(dòng)化方法進(jìn)行，合理校正基準(zhǔn)孔，促進(jìn)飛機(jī)裝配率及精度的提升。因?yàn)轱w機(jī)分離面可以分成設(shè)計(jì)和工藝分離兩部分，所以在裝配過程中應(yīng)充分結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)分離面展開細(xì)致規(guī)劃，這樣分離面操作才能更加規(guī)范、便捷。裝配過程中應(yīng)注意力學(xué)變化的考慮，如果利用不同方式進(jìn)行連接，應(yīng)利用不同的方法測(cè)定基準(zhǔn)，還要合理把握不同制造工具的設(shè)計(jì)要求，保證設(shè)計(jì)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相匹配。

3.2 飛機(jī)轉(zhuǎn)向器的類型

轉(zhuǎn)向器是轉(zhuǎn)向系中最為重要的部件，其作用在于增大轉(zhuǎn)向盤傳到轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的力及轉(zhuǎn)變力的傳遞方向。駕駛員利用轉(zhuǎn)向器可以對(duì)較大的轉(zhuǎn)向力進(jìn)行控制，性能上來看是非?？煽?、安全的。轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，轉(zhuǎn)向器可以結(jié)合方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)比例來輸送油量，轉(zhuǎn)向器在應(yīng)用過程中具有操作靈活、結(jié)構(gòu)輕便、安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以利用很小的力矩進(jìn)行連續(xù)無極控制轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)回路及主機(jī)進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)向器的類型非常多，按照助力形式可以分成液壓動(dòng)力式、氣壓動(dòng)力式、電動(dòng)助力式等種類。

3.3 向?qū)г谵D(zhuǎn)向器數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

從助力式轉(zhuǎn)向器的工作原理中可以看出，轉(zhuǎn)向器在工作中將轉(zhuǎn)閥受油壓轉(zhuǎn)化為活塞的運(yùn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)化過程主要利用齒輪齒條傳動(dòng)來完成。裝配轉(zhuǎn)向器時(shí)，閥芯和齒輪主要利用軸套和銷連接在一起，活塞和齒條利用活塞矩形油封、活塞擋圈連接在一起，在受到油壓所用轉(zhuǎn)動(dòng)力矩以后，閥芯將力矩傳到齒輪上，然后通過齒輪齒條的嚙合，活塞做直線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)向助力，通過這種方式達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的。可見，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)時(shí)，齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了非常關(guān)鍵的作用，其傳動(dòng)性能好壞直接影響了轉(zhuǎn)向器性能的優(yōu)劣。

4 結(jié)語

綜上所述，在裝配設(shè)計(jì)中數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)，本文主要對(duì)裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，然后結(jié)合具體實(shí)例分析了數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)ч_發(fā)與實(shí)現(xiàn)。本項(xiàng)目中結(jié)合飛機(jī)轉(zhuǎn)向器的應(yīng)用，具體闡述了轉(zhuǎn)向器的類型，結(jié)合液壓助力式轉(zhuǎn)向器中齒輪齒條的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)數(shù)字化裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向?qū)У膽?yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的說明，充分驗(yàn)證了向?qū)г谠O(shè)計(jì)工作中的價(jià)值。

[1]周高明，郭連水.導(dǎo)彈總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主模型技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程師，2011（2）：35～38.

[2]王彥超，褚學(xué)寧，儲(chǔ)德新，孫習(xí)武，王聞杰，郭立杰.基于Vis-Mockup的空間對(duì)接機(jī)構(gòu)數(shù)字化裝配系統(tǒng)開發(fā)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（10）：184～186.

[3]董 亮，余劍峰，李 原，王延平，張 杰.3D環(huán)境下飛機(jī)裝配工藝規(guī)劃與仿真一體化模型[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012（6）：1158～1167.

[4]周錦佳，陳 旭，張 斌，楊 誠(chéng).面向數(shù)字樣機(jī)的知識(shí)獲取技術(shù)及知識(shí)工程系統(tǒng)的研究[J].現(xiàn)代制造工程，2009（7）：103～106+134.

[5]南風(fēng)強(qiáng)，劉婷婷，張友良，汪惠芬，張林林.網(wǎng)絡(luò)協(xié)同數(shù)字化預(yù)裝配系統(tǒng)中的協(xié)同技術(shù)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008（23）：6418～6423.

TH163

A

2095-2066（2016）05-0222-02

2016-2-1

程 浩（1988-），男，助理工程師，碩士，主要從事工藝工作。