面向航空发动机工装快速设计系统的信息模型研究

胡家喜，周来水，卫 炜，贾忠宁

HU Jia-xi, ZHOU Lai-shui, WEI Wei, JIA Zhong-ning

（南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

0 引言

在目前激烈的市场竞争环境下，加快产品更新换代的步伐，快速响应市场需求，提高产品的市场竞争力，是所有企业研究和探索的关键问题。

在航空制造企业，需要大量的工艺装备（简称工装）以支持产品的制造生产，而这些工装的开发周期在产品研制或生产准备周期中占有相当大的比重，因此，开发航空工装快速设计软件，提高工装设计效率，对缩短工装开发周期，进而缩短产品研制和生产准备周期具有重要意义。

本文结合企业的具体情况和要求，根据开发航空发动机工装快速设计系统的需要，收集相关信息，如工装对象的全部信息，零部件约束信息、几何拓扑信息、零件载荷信息及产品各类知识等。对信息进行分析，建立面向航空发动机工装快速设计系统开发的信息模型，为航空发动机工装的快速设计提供支撑。

1 面向工装快速设计系统的信息模型

航空发动机快速设计系统是基于UG/open二次开发平台的产品数据管理系统。所以，本文研究的面向航空发动机快速工装设计系统的信息模型，主要是基于UG软件平台。

1.1 信息模型的设计原则

1）信息完备性：工程信息包含各种几何信息和非几何信息，用户在工装设计各阶段完全脱离手册就可以完成设计。几何信息包括精度、公差等，是与零件规格有关的。非几何信息包括名称、代号、材料、技术条件等，与零件规格无关，同一零件模板实例化的所有零件的非几何信息都是相同的。

2）信息标准性：工程信息的设计要符合国家标准和企业标准的要求。国家标准和企业标准都是会随着科学技术的发展而更新变化的，因此当标准发生改变时，工程信息也要可以由设计人员随时更新。

3）信息有效性：不存在冗余的工程信息，设计人员可以根据需要增加、修改和删除模型的工程信息。

1.2 信息的组织结构

本文在信息的组织结构上，采用相关信息模块化的方式，通过对零部件的类别分析，建立了合理的信息组织结构。结合航空发动机工装设计中涉及到的零部件（包括标准件和非标准件）信息，包括零部件几何特征信息和一系列工程信息以及一些相关说明文件信息等进行模块化设计。由于信息的内容丰富，数量庞大，对其进行适当的分类，将会大大提高用户的使用效率。为了方便快速工装设计系统的实现，本文提出了工装信息模块化的想法，即将工装信息按其类型分类，划分出几大模块，将信息归类放入各个模块，再对各大模块中包含的零部件划分出国标件和航标件，总结出各自类别中零部件的共性，将共性信息共享调用，节省存储空间，差别信息分别管理，针对性强，形成了大类别模块，共性和个性信息为其分支的多个管理小模块，整套信息模型条理清晰，管理方便。结合需求分析，将信息组织如图1所示。

图1 信息的组织结构

1.3 信息模型的建立

信息模型的大框架，如上述，已经建立完成，接下来的任务是完善信息模型的内容，充实信息量。主要分为两部分来进行：1）信息模型中，零部件几何模型的建立；2）完善零部件工程信息。

1.3.1 零部件几何模型的建立

零件几何模型采用参数化设计的方法。参数化设计是指参数化模型的尺寸用相对应的关系表示，而不需要用确定的数值[1]，变化一个参数值，将会改变所有与它相关的尺寸。当零件的形状比较固定时，用一组参数约束该零件的结构尺寸和特征，参数与设计对象的控制尺寸和特征有对应关系。当赋予不同的参数序列值时，就可以驱动原设计对象到新的目标几何形状和特征。参数化设计就是通过尺寸驱动将设计中的某些尺寸，如形状尺寸、定位尺寸或装配尺寸定义为变量，修改这些变量时同时驱动其他相关的尺寸参数，CAD软件根据新的参数值自动更新产品设计。

几何模型建立方法如下：

1）模型尺寸约束与参数设置

在建模过程中，草图设计时，必须进行尺寸约束和定位约束，将其作为特征参数保存，这样做是避免尺寸驱动时出错。同时，在此后的设计中就可以对其进行可视化修改，从而实现了参数化驱动建模。

2）特征建模和关系表达式驱动模型

在建模设计过程中，采用尺寸参数驱动方式，通过对模型特征尺寸即主尺寸的选择，可以完整的表达设计意图，并且在调用和编辑时，可以节省大量的工作时间。通过表达式来确定其他非主参数，主参数与表达式之间存在着直接的映射关系，其他非主参数，统称辅助参数，都是通过表达式与主参数建立联系，形成对应关系，即通过主参数控制辅助参数，进而驱动模型。

3）信息模型实例化

对于相同几何特征，不同尺寸的模型，通过更新主参数来实例化模型，得到所需的零件三维实体模型。针对主参数的更新，本文采用通过程序读取用户交互信息，然后对相应模型主参数进行赋值，最后通过UG平台对模型进行可视化实体更新。

1.3.2 零部件工程信息的建立

模型的主参数信息主要记录在电子表格中，电子表格里除了记录主参数值外，还需要存储除规格参数外的几何工程信息，例如ID号、精度、公差等。几何工程信息的建立方法是零件的属性或表达式作为一列表格加入到零件模板的电子表格里。零件内六角圆柱头螺钉的零件属性有很多，其中属性DH是需要建立的几何工程信息，如图2所示。

将DH属性添加到内六角圆柱头螺钉模板的电子表格里，如图3所示。

属性的名称作为电子表格参数列的标题，属性的内容作为参数列的值，如图4所示。这样零件几何工程信息会在实例化零件

模板的时候一起生成。

图2 内六角圆柱头螺钉的零件属性

图3 零件属性添加到零件模板电子表格里

图4 零件模板的电子表格

表1 零件和组合件的工程信息表

非几何工程信息存储在数据库里，有效的避免了零件模板电子表格参数的重复输入，并且使零件模版电子表格更加简化，零部件的工程信息表如表1所示。

装配特征是指在装配模型中用来描述定位和约束关系的信息内容，以几何特征为载体表达零件的装配约束关系。装配特征主要包括面特征、点特征和线特征等。面特征主要指几何模型的表面、装配用的基准平面等；线特征包括几何模型的棱角线、装配用的基准轴线、圆柱面的轴线等；点特征包括装配用的基准点等。

装配特征的建立是对几何模型上形状特征的选择和发布。对于由同一零件模板实例化出的所有零件，它们的装配特征都是相同类型的。CAD系统中的装配是一种虚拟装配，即一个零件模型引入到装配中时，并不是将该模型的所有数据完整地拷贝过来，而只是建立装配模型与被引用零件模型之间的引用关系，即存在指针从装配模型指向被引用的每一个零件，因此不允许在装配模型里对子零件模型上形状特征进行发布。

零件装配特征的选择是跟零件的几何结构、零件在组合件中的作用和零件的工作自由度有关的。比如螺母的作用是通过螺纹孔与螺钉配合，并且螺母下表面与其他零件的平面贴合起到压紧固定作用，那么装配特征就是螺母下表面和螺纹孔附着的圆柱面，见图5。螺母有一个绕自身螺纹孔中心轴线旋转的自由度，而所选的表面和圆柱面的自由度限制也是使零件有一个相同的旋转自由度。

图5 六角头螺母的装配特征

2 参数化信息模型编码原则

零件装配特征的发布是对零件模板上装配特征的特征名赋值。对装配特征名进行分类编码，能使特征名很好反映装配特征的属性和装配作用，方便程序对装配特征的搜索调用。

零件的装配方式多数是平面配合和轴孔配合，前者包括贴合、对齐和偏移3种形式。因此，对每个零件最可能出现的装配方式和用于该装配方式的面进行属性设置，通过程序驱动自动搜索对应的装配面，可以大大简化装配，缩短装配时间。

1）平面与平面配合的面的属性设定。一般情况下， 一个装配零件需要3个约束才能将其位置确定下来。模板类零件通常有一个面是主装配面，而其他两个约束是辅助面， 即这类零件装配面分为主装配面与辅装配面。

2）轴、孔类零件装配面的属性设定。轴类零件在装配中一般不约束其旋转，因此，一般情况下只需两个约束：一是中心对齐，该约束类型是确定的；二是偏移关系， 即端面与另一平面的距离关系。

本文分析了目前主流的编码系统，结合工装快速设计系统的实际需求，提出了复合码编码技术，即由字母和数字组成，码段间用“#”隔开。编码系统介绍如下：

码段I：属性码，由两位字母组成。取零件单词的前两位字母或词组中前两个单词的第一位，用来说明零件针对装配设计的几何属性，例如螺母的码段I为cy。如表2所示。

表2 码段I零件装配属性

码段II：特征功能码，该码段描述了零件在装配设计中的约束关系，约束无先后顺序，每两位码段表示一种约束。例如，螺母的约束形式为螺纹孔与圆柱面（55）和面面约束（33），则螺母的码段II为5533。码段II解决了在装配设计系统中检索并区别装配特征的难题。

3 结束语

本文针对企业的实际需求，面向航空发动机快速工装设计系统的开发，研究并建立了面向航空发动机快速工装设计系统的信息模型，目前已经成功的应用到了航空发动机快速工装设计系统中，并取得了预期的效果。

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