面向多CAD平台的航空紧固件数据库型式标准研究与实现

2014-03-04蔡金辉

航空标准化与质量 2014年1期

关键词：紧固件型式中性

曹平蔡金辉

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

面向多CAD平台的航空紧固件数据库型式标准研究与实现

曹平蔡金辉

（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

分析了当前零件库的局限性和紧固件数据库型式标准的需求，研究了事物特性表设计、中性零件模型表达和零件簇构造等关键技术，开发了中性模型生成工具、紧固件管理系统、CATIA/UG/STEP接口等软件，实现了“数据即标准”，“一次建模、多次使用”，“所见即所得”，“过程特征完整保留”等应用特点。

数据库型式标准；紧固件；中性格式；多平台

紧固件标准目前主要是以文本的形式存在，标准中的几何/非几何信息必须通过人工的阅读、解释和操作才能被使用。随着航空制造业数字化水平的大幅提升，传统标准的形式、形态和使用模式，受到了全方位的冲击和挑战。未来的趋势是：标准将作为一系列“数据模块”进行发布和管理，而不再是一堆纸型的图表文件。用户（包括人、机器和软件）能够方便地根据自身的需求以恰当的形式使用这些“数据模块”。标准信息无论是送达最终用户还是与其它系统集成，都无需再进行任何人工的阅读、解释和操作，因为数据本身就成为一种“标准”，即数据库型式标准。所谓数据库型式标准（Database Format Standard）是指标准内容以数据集为主，使用元数据或模型描述，标准内容存储在数据库中，发布后在线更改和使用的标准。在数字化研制条件下，将紧固件标准中的信息转化为可供多个CAD平台直接使用的数据库和模型，并形成数据库型式标准，是当前面临的课题。

1 紧固件数据库型式标准与需求

1.1 现状分析

在国内航空制造业中，各主机厂所及相关单位大多自行建立了各种基于CATIA/UG软件平台的零件库，但是这些零件库与“数据库型式标准”相比，还存在较大的局限性，具体表现如下。

1.1.1 不符合标准的通用性特点

现有的零件库都基于某种特定的CAD平台建立的，仅适用于一种CAD平台，平台的依赖性和关联性非常强。

1.1.2 不符合标准的完整性特点

现有的零件库都是以几何模型为主，缺乏非几何信息，如重量、表面处理等。

1.1.3 不符合标准的统一性特点

现有的零件库没有严格按照相应的标准进行建设，导致各单位各企业命名方式、实现结构、数据接口不统一。

1.1.4 不具备标准的权威性特点

现有的零件库中的数据没有经过标准化机构的认证发布，存在不少错误，权威性不够。

1.2 技术需求分析

针对传统零件库的局限性，并通过对标准相关属性进行分析，认为航空紧固件数据库型式标准必须满足以下技术需求：

1.2.1 提供一种平台无关的中性数据模型

支持多CAD平台，并至少提供航空常用平台的应用转换接口，如CAITA、UG平台。

1.2.2 覆盖传统紧固件标准的所有信息

包括尺寸、公差、配合、重量、材料、表面处理、热处理、技术条件、标记示例、夹持厚度、性能安装以及制造等所有相关信息。

1.2.3 提供的数据模型能够被统一重用

模型转换后，草图、特征、属性、色彩、装配等信息均可得以完整保留，以便用户能够统一重用这些标准数据模型。

1.2.4 提供权威性的管理和维护机制

提供方便的标准数据的发布、查询和维护机制，以保证数据库型式标准的权威性和及时性。

2 紧固件中性建模技术研究

在数字化条件下，要实现紧固件文本标准中的信息转化为可供多个CAD平台直接使用的数据库和模型，其核心就是紧固件中性建模技术。中性建模技术涉及的关键环节包括事物特性表设计、零件中性模型表达以及零件簇构造等。

2.1 事物特性表设计

中性建模技术的本质是事物特性表技术。事物特性表是一种面向字符的ASCII文件，是将所描述的事物对象的特性按一定的格式排列起来的图表。事物特性表详细描述产品对象的功能特性、结构特性（形状、材料、精度等）和工艺特性等，支持有效的检索和变型设计，适用于进行尺寸变型的组织产品设计。依据GB/T10091《事物特性表》规定的方法，完成紧固件事物特性表的定义，如表1所示，无论CAD平台如何改变，已建成的数据表不必改动。

表1 某紧固件事物特性表示例

2.2 零件中性模型表达

三维CAD系统创建的实体模型所包含的信息大致可分为几何元素（点、线、曲面等）、拓扑元素（顶点、棱、面、体等）、特征（孔、型腔、拉伸等）、工作坐标系、零件的物理特性（体积、表面积、质量）等。要想实现这些信息的中性表达，必须采用一种能够跨平台的语言进行表达。考虑到XML具有跨平台、可扩展、应用广等优点，本文最终采用XML进行实体模型的精确描述。以拉伸特征为例，其空间造型特征信息表达如图1所示。

图1 零件拉伸特征的XML描述

2.3 零件簇构造

对于紧固件来说，一种紧固件往往包含成千上百个规格，具有典型的零件簇特征。借鉴CATIA和UG等成熟软件平台的经验，选用“主模型+参数表”的结构，建立零件簇，如图2所示。其中，主模型文件除含默认几何尺寸信息外，最关键的是保留有几何造型特征信息，而参数表主要用于驱动模型几何，在参数表的结构设计上，以紧固件事物特性表为依据。

图2 零件簇构造示例

3 紧固件数据库型式标准实现

3.1 总体架构

航空紧固件数据库型式标准分为3个子系统：中性建模子系统、紧固件管理子系统、紧固件模型转换子系统（包括CATIA、UG和STEP接口）（如图3所示）。紧固件中性建模子系统主要实现规则化建模、模型格式转换以及中性模型存储等功能；紧固件管理子系统主要实现模型在线3D浏览、模型查询、参数化驱动、模型及参数管理等功能。紧固件模型转换子系统主要实现目标模型转换、特征和属性还原、模型下载和调用。

图3 紧固件数据库型式标准总体架构

3.2 软件实现

用户通过WEB浏览器登录前台系统后，可通过目录分类浏览或检索功能两种途径来找到所需紧固件标准数据。在确定具体某个紧固件后，可通过参数配置功能来选取具体规格型号，同时可实时预览3D模型，几何、非几何参数及安装信息，2D图形及PDF标准文档等；用户可以对3D模型及PDF标准附件等的下载，也可将3D模型直接插入至CATIA或UG NX软件后进行装配设计。如图4和图5所示。

3.3 应用特点

航空紧固件数据库型式标准覆盖了紧固件传统标准中所有信息（包括几何信息和非几何信息），保证了标准数据的完整性；实现了标准文本向数据库和模型转变，保证了标准数据的通用性；提供了基于网络的发布和维护机制，保证了标准数据的统一性；由专业的标准化机构对航空紧固件数据库型式标准进行管理和维护，保证了标准的权威性。因此，基本符合数据库型式标准的要求，且与一般的零件库相比，具有以下应用特点。

图4 紧固件数据库型式标准主界面

图5 紧固件数据库型式标准详细页面

3.3.1 将文本标准变成标准数据模块，实现“数据即标准”

标准将作为一系列“数据模块”进行发布和管理，而不再是一堆纸型的图表文件。用户（包括人、机器和软件）能够方便地根据自身的需求以恰当的形式使用这些“数据模块”。标准信息无论是送达最终用户还是与其他数据整合，都无需再进行任何人工的阅读、解释和操作，因为数据本身就成为一种“标准”。

3.3.2 基于XML的3D模型中性表达，实现“一次建模，多次使用”

利用XML技术实现了3D模型的中性表达，即与CAD平台不相关，标准维护人员只需一次建模，便可通过接口程序为多个CAD平台提供唯一的权威的紧固件标准数据服务，实现了模型 “一次建模，多次使用”的跨平台服务，满足标准通用性要求。

3.3.3 中性模型无损导入目标CAD系统，实现“过程信息完整保留”

使用者通过运用数据接口可将零部件数据无损导入目标CAD系统，其格式和质量与本地建模无异，草图、特征、色彩、装配等信息均可得以完整保留，解决了STEP等中性格式应用中，模型不可更改和过程信息丢失等问题，满足标准完整性要求。

3.3.4 实时的在线轻量化3D模型显示，实现“所见即所得”

用户在线选择或输入紧固件配置参数，动态驱动生成相应规格的数据模型，然后通过轻量化实时显示对应的三维模型，用户可以在线对模型进行旋转、移动、缩放等3D操作，为用户提供了所见即所得的使用效果，提高标准的使用体验。

4 结束语

本文以航空紧固件标准为对象，解决了紧固件传统文本标准因需人工解释和操作导致应用偏差和低效的问题，并对数据库型式标准的编制、发布和使用产生重要的影响。数据库型式标准一般比较适合于数据集类的标准，如图形符号类、数据元类、标准件类、元器件类、通用材料类、通用制造资源类、典型工艺知识类等，未来可加强这方面数据库型式标准的研究与应用。

[1] G Pierra，E Sardet，J C Potier. Exchange of component data：The PLIB mode，standard，and tools［A］.In：Proceedings of the CALS EUROPE’98 Conference，pairs，1998. 16-18.

[2] ISO 13584-10-1996 Industrial automation systems and integration Parts library：Conceptual model of parts library［S］.

[3] ISO 13584-42-1996 Industrial automation systems and integration Parts library：Methodology for structuring part families ［S］.

[4] ISO 13584-101-1996 Industrial automation systems and integration Parts library：View exchange protocol：Geometric view exchange protocol by parametric program［S］.

（编辑：劳边）