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飞机装配工装快速变更设计方法研究

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飞机研制是-个典型的多阶段复杂过程,需要众多单位协同才能高效完成任务,形成了逻辑上统-、物理上分布的并行协同研制环境。飞机并行协同研制是对飞机产品及其相关过程 (包括制造过程和保障支持)进行并行、集成化处理的系统方法和综合技术 J。它作为-种新型的研制方式能够提高产品质量、降低成本、缩短研制周期。它要求飞机产品设计与工艺设计、生产准备、采购、生产等种种活动并行交叉进行。

飞机装配工装是飞机及其部件和锻件在铆接、焊接、胶接、检验和精加工等过程中,控制其形状几何参数所使用的起定位作用的专用工艺装备 J,在飞机生产准备 中占有很大 比重,具有零件数量多、结构复杂、体积庞大、装配位置准确度要求高等特点。飞机研制过程要求工装设计与产品设计并行,但飞机产品从初始设计到定型修改频繁,为了适应飞机产品的变更,工装必须变更,从而导致工装内部零部件的变更传播 j。文献[4]提出了约束结构树的概念和构建方法来对变更传播进行推理,但约束结构树构建复杂,需要投人大量的人力。

文献[5]针对数字标工位置和尺寸的修改,提出了装配工装变形设计方法。但是大多数协调部位是不需要另外设计出数字标工 J,并且这种方法对特征删除、增加或结构改变的情况没有提出有效的解决措施。

本文在以上研究的基础上,利用自顶向下关联设计方法设计飞机装配工装,并在此基础上对装配工装零件变更传播展开深入研究。

1 工装变更情况描述飞机制造大型工装主要由骨架、定位器和辅助装置组成,前两者构成工装的主体。骨架是工装的基体,主要用于定位器的固定和支撑,同时确保这些元件空间位置的准确性和稳定性。定位器是用于固定和压紧工件,以保证产品几何参数或尺寸要素的元件,包括工作件和支撑件。辅助装置包括产品支撑调整装置、产品进出架吊运装置、工作架和工作梯等 。为了保证工装的定位精确度和开敞性等,骨架和定位器的设计均需要以飞机产品数模为参考依据。

工装设计人员根据产品数模并结合工装订货单的订货要求,确定用于工装定位器设计的定位特征以及用于骨架设计的布局特征 ,通常情况下定位特征都是产品数模中的定位基准,这样可以避免尺寸链计算等工作。布局特征根据工装设计的开敞性以及人机工程等因素选择。下面把定位特征和布局特征统称为协调特征。协调特征与装配工装零部件直接发生约束关系,所以飞机产品数模中协收稿日期 :2012-12-25基金项目:江苏省产学研前瞻项目(sBY20l220ll6);国家自然科学基金资助项目(5ll75262);江苏受出青年基金资助项目(sBl(20l210l1)作者简介:周红(1988-),女,江苏苏州人,南京航空航天大学硕士研究生,主要研究方向为现代集成制造。

· 8·2013年第 4期 周 红:飞机装配工装快速变更设计方法研究调特征的变更很大程度上决定了装配工装的变更,因而在研究装配工装变更之前亟需对产品数模协调特征的变更类型进行研究。

本文将产品数模协调特征和布局特征的变更分为以下两类:(1)产品协调特征发生-定程度的形状或位置的变化,如产品外形曲面参数变更和占位面位置偏移等,导致工装相应结构的位置和尺寸变更;(2)产品协调特征删除、增加或结构变化,如圆孔变为方孔等,导致工装局部结构的重新设计。

针对第-种情况,引入自顶向下的关联设计方法,能够实现自动变更;针对第二种情况,引人设计结构矩阵来对由产品数模的变更引起的工装零件变更传播做出预测。总体方案流程图如图1所示。

旧版产品I l1日版工装I l新版产品I l新版工装数模 lI订货单 I l 数模 lI订货单提取协Ii圈特征 提取协陶特征lEt版工装数模I I提取关嵌信息- - - - JI----设计结构矩 。

阵数据库 参划比较增加、减少、结构I I几何尺寸、位置变更的协调特征 I I变更的协调特征需要变更的工装零件二二[二手动变更日版协调特征二二[ 日版工装数模自动变更I堑墼 蕉塑堡l图 1 总体方案流程图源控制层衍生控制层工装零部件2 自顶向下关联设计2.1 自顶向下关联设计方法原理关联设计技术是在产品数据管理技术和 CAD设计技术支持下,建立上下游设计输入输出间驱动和约束关系的技术。关联设计是-种特殊形式的参数设计方法,表现上游设计对下游设计的影响,其驱动参数为上游设计的几何特征(如点、线、面、坐标系等)。关联设计可以抽象为公式:Y ),其中 为上游设计给下游设计的输入,Y为建立在上游设计输入基础上的下游设计输出 为上下游设计之间的关联关系 。

自顶向下的关联设计方法作为关联设计的-种,在运用它时需引入 2个概念:接I:1和骨架 J。

将需要重用的几何特征(点、线、面)都提取到-个零件模型中,这些几何特征就相当于是接口”,而这个零件模型就是骨架”,为了避免与起支撑作用的骨架相混淆,本文将该零件称为协调零件。几何特征信息只能从协调零件传递给工装零部件,而工装零部件中的设计信息不能传递到该零件模型中,以保证该零件模型的柔韧性和健壮性。

2.2 关联运级传递方法为实现产品协调特征对工装零部件的几何映射,在文献[5]中提出的逐级关联拷贝算法的基础上,提出了-种基于飞机产品数模的关联逐级传递方法,如图2所示。

图中 表示产品装配工艺对产品数模协调特征的选取,通常在CAD模型中有定义或凭借工装图 2 关联逐级传 递设计者经验判断;A为提取操作,提取是对上级几何的带链接的复制粘贴 ,且其上级几何只能为点、线、面; 为关联拷贝操作,关联拷贝是下级几何对上级几何的引用,并实时保持下级几何的拓扑结构和位置姿态与上级几何-致;下为基准驱动; 为约束驱动。

首先工装设计者在工装三维模型的根目录下插入-个协调零件,然后将选定的产品数模的协调特征提取到协调零件中,形成关键几何。部分关键几何需要从协调零件关联拷贝到工装的设计零件中形成衍生关键几何,作为工装零件特征建模基准,-个关键几何可能被多个工装零部件引用。形· 9·2013年第4期 周 红:飞机装配工装快速变更设计方法研究DSM,得到可能受变更传播影响的零件,再将零件之间的约束关系细化到特征来确定该零件是否受变更传播影响,先模糊判断然后再精确判定。这样可以避免构建关联特征 DSM,只针对特定的情况做出分析。对于关键几何增加的情况,向工装设计者做出有效的提示。

3.3 变更预测的实施某工装总装的组成结构及零件之间的关联关系如图6所示,单向箭头的曲线表示协调零件中关键几何与工装零件存在关联关系,表示只有关键几何变更能对工装零件产生影响,反之不成立;双向箭头的曲线表示工装零件之间存在关联关系,表示相关联的工装零件之间是相互影响的。首先提取出工装零件与协调零件中关键几何的关联关系:F1-÷P5,F2P10,F3-P9,F4÷P15。然后构建工装零件之间的设计结构矩阵,如图7所示。

图6 工装零部件结构关联树Pl P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 PC) P10 Pl1 PI2 Pl3 P14 Pl5Pl X X1'2 X XP3 X XP4 X X P5 X XP6 X XP7 X XP8 X XP9 X X Pl0 X XPll X XPl2 X XPl3 X X X XPl4 X XP15 X X 图7 工装零件 DSM当关键几何 F2的结构发生改变时,变更预测方法,如图8所示,由于变更零件数量太多,所以做了部分省略。上面-行表示的是从工装零件设计结构矩阵中获得的零件之间的关联关系,下面-行是把零件之间的关联关系细化到零件的特征,如PIO与 P3的关联被细化到了PIO中特征 F。 与 P3中特征 F 。相关联,在对特征的关联关系分析中使用了类开关网络模型u9j。每两个特征之间的连线对应着变量 置作为该边的权,置 可以看成该边上的接触开关,当开关接通时取 l,否则取 0。例如,F 是 PartlO中与关键几何 F2产生关联的特征,所以F2与F埘的连线的权为 l。如果 m为 1则表示 P10的特征 F删与 F,位之间存在关联关系,由于F ∞与F3 之间连线的权值为1,则变更影响会被传递到F 即 Part3需要变更;反之则变更影响只是传递到P10为止。依次对可能受变更传播影响的零件内部分别与前后零件相关联的特征的关联关系进行分析,如果关联则变更传播继续,反之则变更传播就到该零件为止。变更传播中会存在很多分支,需要对每个分支进行分析,直至所有分支的变更传播停止。

图8 变更传播分析的类开关网络图4 开发工具介绍与实例分析4.1 开发工具介绍本文使用组件应用架构 (Component Applica-tion Architecture,CAA)C技术,在 CATIA中开发飞机装配工装快速变更工具集,包括协调零件关键几何快速发布、关键几何对比、变更传播预测等工具。CAA C是 CATIA的-整套 C函数库,该 函数库在 CATIA运行 时加载,通过安装2013年第 4期 周 红 :飞机装配工装快速变更设计方法研究[3][4][5][6]版社 ,2001:102-106。

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Research on Rapid Design Change of Aircraft Assembly ToolingZHOU Hong ,TANG Dunbin ,KANG Yuyun ,WANG Qiang3(1.Nanjing University of Aeronautics&Astronautics,Jiangsu Nanjing,210016,China)(2.Linyi University,Shandong Linyi,276000,China)(3.Chengdu Aircraft Industrial(Group)Co.,LTD,Siehuan Chengdu,610092,China)Abstract:In the course of aircraft development,frequent design changes result in design changes of assemblytooling.Based on the analysis of diferent change types of aircraft products,it proposes diferent solutions to achieve rapid change of tooling design.It applies top-down correlation design to assembly tooling design ,reali-zes rapid response and modifcation in tooling design to product changes.On this basis,Design Structure Matrix(DSM)is employed to make change propagation predictions of assembly toling design which can t response toproduct changes.The application of this method shows that it can achieve the increasing speed of the assemblytooling design change,improve the change efficiency of assembly tooling design 。

Key words:Assembly Tooling;Design Change;Top-down Corelation Design ;Chan ge Propagation· l3 ·

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