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飛機部件裝配是飛機制造中的主要環(huán)節(jié)，據統(tǒng)計，部件裝配工作量約占全機工作量的40％。部件裝配工藝設計是部件裝配的重要工作內容，是連接飛機設計和部件裝配過程的紐帶。
傳統(tǒng)的飛機制造以設計的二維圖紙為依據，數據的傳遞以模擬量為主，工藝文件大多以紙質的形式存在，部件裝配所需的信息都存放在工程圖紙和相應的技術文件中，裝配工藝設計所需信息主要依靠工程技術人員閱讀大量的圖紙獲取。
隨著計算機技術的應用和航空制造業(yè)MBD技術的實施，三維產品數模作為單一數據源成為飛機制造的依據，數據的傳遞以數字量為主。在MBD模式下，研究如何從裝配數模中快速而準確獲取部件裝配工藝人員所需要的信息，提高工藝設計效率，降低人為出錯率，縮短工藝設計和工藝準備周期，是一項非常有意義的工作。
1 MBD模式下裝配信息的表達
MBD(Model Based Definition，MBD)，即基于模型的定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法體，它詳細規(guī)定了三維實體模型中產品尺寸、公差標注規(guī)則和工藝信息表達方法。MBD技術使得產品數據以基于三維模型的形式傳遞。因此，裝配信息的表達形式出現了新的特點。
1．1 幾何信息的表達
幾何信息的表達指的是零件裝配位置關系和裝配層次的表達。零件間的裝配位置關系需要在設計零件三維模型時進行協(xié)調，每個零件在整架飛機上都有其裝配位置，在建立零件三維模型時需要將零件在其裝配位置進行建模，所有的零件組裝在一起時就形成了一架飛機的三維模型。這種裝配位置關系使得工程技術人員在不做其他約束的條件下，可以對部件進行任意組合，而不破壞它們的相對位置關系。裝配層次反映的是裝配體和零件之間的關系。一架飛機由不同的部件組合而成，部件有不同的組件或者組件與零件組合而成，組件由不同零件裝配而來。部件一組件一零件，這種層次關系以樹狀結構的形式在設計軟件中呈現，如圖1所示。
圖1 MBD中裝配層次關系的表達
1.2 非幾何信息的表達
非幾何信息主要包括裝配技術要求、裝配件的連接信息和其他注釋。其中，裝配件的連接信息中包含標準件的信息。這些信息在每個組件中以零件為基本組織單元（如圖l所示連接信息），并以參數形式有規(guī)律地出現在CATZA的結構樹中（圖2）。為了模型的輕量化，對于鉚釘、抽釘等連接件用點和直線表示，如圖3所示。
圖2 MBD中非幾何信息的表達
圖3 MBD中標準件的表示
MBD技術的實施，規(guī)范了設計數模，為快速提取編制裝配工藝文件所需的裝配信息奠定了基礎。
2 CATIA與CAA
CATIA提供了多種二次開發(fā)的接口。用CAA對CATlA進行二次開發(fā)是CATIA二次開發(fā)方式中最重要的一種，能實現從簡單到復雜的一系列CATIA功能，且操作界面友好，與CATIA本身無縫集成，是國內高校和軟件公司普遍采用的方式。
CATIA的結構樹與實體模型關聯(lián)，通過結構樹用戶可以利用“幾何居中”命令找到與之相關聯(lián)的實體模型；通過實體模型利用“結構樹居中”命令找到結構樹中實體模型對應的名字。在裝配設計模塊下，CATIA可以通過“在新窗口打開命令”在新開窗口打開小的部件數模，CAA(Component Application Architercture),即組件應用架構。它通過快速開發(fā)環(huán)境RADE(Rapid Application Development Enviroment)和API來實現CATIA的不同功能。RADE以Microsoft Visual StudioVC++,net為載體（VC++.net 2005如圖4所示）。V5是目前CATIA應用的主要版本，與其對應的CAA V5的結構如圖5所示。
圖4 VC++,net 2005
圖5 CAAV5組件架構
3 MBD模式下部件裝配工藝設計的基礎性工作
部件裝配工藝人員在裝配工藝設計時，經常要做以下幾方面的工作。
3.1 部件裝配數模的組合
一個部件裝配體由成百上千個零件組成，這個部件裝配體中，不僅有部（組）件裝配信息，還包括零件的制造信息，信息量龐大。為了更好地查看這些信息，工藝人員通常需要將當前關注的部分組件進行組合。由于這些部件位于不同的裝配體內，無法使用CAITA中的“在新窗口打開命令”將這些組件在一個裝配文件下打開，只有新建一個“Product”文件，把這些部件依次加載或者拷貝，隨著部件數量的增多，這一過程就顯得比較繁瑣，無形中增加了工藝人員的工作量，迫切需要在CATIA中開發(fā)一個功能，通過鼠標的點擊拾取，將這些組件迅速打開并進行組合。
3.2 連接件信息的處理
飛機部件裝配中涉及到大量的鉚釘、抽釘等連接件。裝配工藝人員的一項重要工作就是處理這些連接件的信息。主要有以下內容：
(l)連接件規(guī)格和數量的統(tǒng)計。裝配工藝人員需要統(tǒng)計連接件的規(guī)格（直徑、長度）和數量，一是要統(tǒng)計部件或者整機連接件各個規(guī)格的總量，提交給生產管理部門作為生產定額；二是編制到裝配工藝文件中，以裝配圖號為單元做統(tǒng)計，作為庫房發(fā)放和工人領用，或者是最后分工核對的依據。如前文l.2節(jié)所述，這些信息以參數的形式存在于CATIA中的結構樹中，需要工藝人員把結構樹逐一點開進行查詢連接件的牌號，并手動測量夾層厚度，利用相應的公式計算其長度，最后進行匯總。這需要做大量機械式重復工作，效率和正確性都無法保證，統(tǒng)計結果可能因人而異。如果能通過對CATIA進行二次開發(fā)，讓用戶點擊表示連接件的法矢，軟件能自動測量夾層厚度，并在CATIA中顯示鉚釘長度，且將查詢、匯總這些丁作讓計算機在CATIA軟件環(huán)境下統(tǒng)一處理并快速輸出，對工作效率的提升作用是不言而喻的。
(2)連接件間距和邊距的測量。裝配工藝人員需要對數模中連接件的間距和邊距進行測量，對于不符合要求的反饋給設計者，正確的要予以標注，寫入工藝文件中，并作為工人操作和檢驗部門的依據。這一工作大多是用CATIA中自帶的測量功能，逐一選擇表示連接件的法矢（圖3）進行，且無法直接測量弧線間的距離。
3.3 裝配注釋信息的提取
裝配注釋信息是對部件裝配的技術要求，包括通用裝配注釋和密封、疲勞件、關鍵件等信息。這些信息都需要從數模中提取出來，編制到工藝文件中，用于指導工人操作。但是，通用裝配注釋信息和密封信息位于裝配體結構樹的不同位置（圖3），提取時需要從結構樹中，按照層次關系逐個打開，并復制到裝配工藝文件中，操作繁瑣。而疲勞件、關鍵件的標識在零件的屬性頁，工藝人員容易遺忘。如果能將信息按一定的格式要求快速輸出到Excel表格中，必能大大提高工怍效率和質量。
4 系統(tǒng)的主要功能及運行實例
針對MBD模式下裝配工藝設計的基礎性工作中遇到的問題，本文利用CAA技術對CATlA進行二次開發(fā)，開發(fā)出一套MBD模式下的部件裝配工藝設計輔助系統(tǒng)。該系統(tǒng)可與CATIA V5本身無縫集成，其主要功能如下。
4.1 部分裝配件導入
該功能主要用于快速組合裝配體。通過用戶的簡單交互拾取，即可將不同的裝配體組件快速組合起來，同時又保證了其相對位置的正確性（圖6）。
圖6 部分裝配件導入功能
4.2 標準連接件長度的計算
用戶拾取表示連接件的法矢，系統(tǒng)會遍歷CATIA的結構樹，找出用戶所選的連接件的類型，自動計算出對應的夾層厚度，并將連接件長度和夾層厚度顯示出來（圖7所示）。連接件規(guī)格信息放在后臺的數據庫中，該信息可以有數據庫管理員進行增加或者刪除。系統(tǒng)運行機制如同8所示。
圖7 標準件長度的測量與統(tǒng)計
圖8 連接件長度測量運行機制
4.3 部件裝配信息提取
用戶拾取CATIA中表示裝配件連接信息的零件，選擇需要檢索的內容（也可手動輸入），系統(tǒng)遍歷CATIA的結構樹，即可輸出相應的連接信息。檢索內容選項調用CAA的控件Check Button，使用戶可以選擇一個或者多個檢索項。輸出項用MultiList控件。這些信息可同時導出到Excel文件中，利用Excel自身的統(tǒng)計匯總功能可進一步匯總，如圖9和圖10所示。
圖9 部件裝配信息提取對話框
圖10 部件裝配信息輸出到Excel表格中
4.4 連接件間距和邊距的測量
用戶拾取兩個點及參考平面，并選取標注方式，系統(tǒng)即可將成排的連接件進行標注，標注的文本屬性可通過對話框進行設置（圖11）。通過拾取法矢和邊界，系統(tǒng)可將所選法矢到邊界的距離測出來（圖12）。拾取法矢的方式可以單個拾取，也調用CATIA本身的命令(圖13)框選批量拾取。
5 系統(tǒng)的關鍵技術
系統(tǒng)運行過程實質是對部件裝配工藝設計信息的分析、處理和輸出的過程。信息的輸入形式、檢索方式、輸出形式是系統(tǒng)的3大關鍵技術。
5.1 交互式的信息輸入
輸入方式對系統(tǒng)的運行速度和用戶體驗有直接影響。輸入信息過多，用戶會感覺操作不方便。輸入信息過少，會增加系統(tǒng)的推理時間。系統(tǒng)的輸入兼顧了用戶體驗和系統(tǒng)運行時間，通過用戶的簡單的“交互式”拾取操作即完成信息的輸入，如圖6、圖7和圖8所示。同時對于需要批量操作的，系統(tǒng)后臺調用CATIA內部命令“批量拾取命令”完成（圖13）。
圖11 連接件間距批注
圖12 連接件邊距測量
圖13 批量拾取命令
5.2 基于結構樹的信息檢索
一方面，MBD技術的實施保證了設計數模的規(guī)范性；另一方面，CATIA的結構樹與實體模型關聯(lián)，系統(tǒng)利用輸入信息，通過對CATIA結構樹的遍歷，以關鍵詞為導向即可快速找到所需信息，同時可進行數模測量、標注等操作。
5.3 多形式、多功能的信息輸出
系統(tǒng)可將運算結果按用戶指定格式輸出到Excel形式的文檔中，同時也可以以標注的形式顯示在CATIA中的文件中（圖7）。無論哪種形式用戶都可以通過復制一粘貼將輸出的數據移到CAPP或者其他應用系統(tǒng)中（圖10）�；蛲ㄟ^點擊“取消”或“關閉”按鈕，不保存這些數據，只臨時查看。
6 結束語
本文通過對CATIA V5進行二次開發(fā)，建立了人機交互的設計環(huán)境，構建了基于MBD模式下的部件裝配工藝信息快速提取平臺。該平臺可以快速提取數模中的裝配信息，對提取的數據進行分析、處理、運算，并按照用戶要求以多種形式輸出，用戶可將這些輸出結果拷貝到CAPP等系統(tǒng)中，從而高效、準確地輔助裝配工藝文件的編制。后期可以將系統(tǒng)與CAPP系統(tǒng)進行通信，直接將提取的裝配信息放置在裝配大綱的編制平臺上。
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