航天类工装的模块化设计方法

□ 冯鹏升 □ 杨爱萍 □ 任开兴 □ 王丽鹏 □ 李文鋆 □ 赵 飞

山西航天清华装备有限责任公司 山西长治 046012

1 模块化设计方法概述

长期以来,业内对航天产品工装设备的研究相对较少,导致设计图纸上部分外购件表示符号不一致,并且存在通用零部件重复设计、设计效率低等问题。对此,笔者提出航天类工装的模块化设计方法,在满足可靠性和通用性的前提下,大幅提高航天类工装的设计效率。

郝云鹏[1]基于Teamcenter数字化设计工艺协同平台对汽车覆盖件模具设计系统进行研究与开发,熊伟军[2]基于新材料、新结构对车身进行模块化研究,向占辉等[3]在Teamcenter平台中实现与Siemens NX软件数据的交换,都取得了一定的研究成果。但是,对航天类工装进行快速、高效设计的研究并不多。基于Teamcenter平台对航天类工装进行模块化设计,具有重要意义[4]。

采用航天类工装模块化设计方法,对航天类工装零部件进行模块划分,以Teamcenter平台强大的数据创建功能为载体,建立航天类工装通用零部件模块库。通过创建工装快速设计流程,对某加载试验航天类工装进行设计,设计时大量借鉴通用零部件模块库和Siemens NX软件标准库中的模型,省去通用零部件重复设计的时间,在保证质量的前提下,达到提高航天类工装设计效率的目的。

2 航天类工装分类

航天类产品种类繁多,每一种产品都对应一系列工装。要对大量航天类工装进行模块化划分,必须全面、熟练掌握现有航天类工装的分类,包括吊具类、夹具类、装配类、模具类、加载试验类等。根据工艺装备分类方法,绘制航天类工装分类图,如图1所示。

图1 航天类工装分类

由图1可以看出,航天类工装分类非常便于工装图纸的分类整理,但是并不利于工装常用零部件的模块划分。

3 子功能件分解

虽然各种航天类产品的型号不同,对应的规格和尺寸也不相同,但是基于产品的传承性和创新性,使各种航天类工装具有较大的相似性。笔者将作用相同、外形相似的航天类工装零部件作为模块化设计的基础。

一套航天类工装,根据功能和结构从整体到局部进行分解,由整体分解为部件,部件是整体的子功能件,部件进一步划分为零件,零件是部件的子功能件,最终分解为独立的并且能够单独实现使用功能的零件结构。航天类工装子功能件分解如图2所示。

4 子功能件合并

航天类工装在进行模块划分后,出现众多子功能件,对每一个子功能件都建立模块库显然不合适,因此,需要对子功能件进行适当的合并[5-6]。合并时要综合考虑子功能件之间的结构相似度和结构相关度,通常情况下,结构相似度大的子功能件优先进行合并,这样容易得到令人满意的航天类工装模块划分结果。

图2 航天类工装子功能件分解

设一共有n个实例,其中第a个实例和第b个实例的结构相似度S(a,b)为:

(1)

式中:k为子功能件结构的特征数;Ti为第i个特征对结构的影响权重因子;Pi为第a个实例和第b个实例所拥有的共同结构特征的结构相似度值,一般为经验值。

由此,第a个实例子功能件和第b个实例子功能件的结构相似度S为:

(2)

根据航天类工装子功能件的分解图,参考文献[7],任意两个子功能件Gi和Gj的结构相关度rij为:

(3)

式中:ωk(k=1,2,3)为第k种相关类型对结构相关度的影响因子。

相关类型一般包括装配相关、功能相关、力传导相关。

5 模块划分

采用上述模块划分方法对加载试验类航天类工装进行模块划分,先将结构相似度高并且符合结构相关度要求的地基、标准梁、加载油缸等优先划分为模块,再将结构相似度低的配重、附件等划分为模块。实践证明,模块划分结果合理。

6 参数化设计

Siemens NX是一种集计算机辅助设计、制造、工程于一体的三维参数化设计软件。Teamcenter平台中拥有Siemens NX软件的Manager应用模块,可以将Siemens NX软件卓越的建模功能和Teamcenter平台强大的数据信息集成在一起,从而实现数据之间的无缝链接。Manager应用模块可以直接访问Teamcenter后台完整数据库,为参数化设计奠定了基础。

在Siemens NX软件中利用表达式进行参数化建模,建立所需零部件的三维模型,如图3所示。若后续使用相同零部件,则通过Teamcenter平台直接调用提取。若使用其它类似软件,则通过参数化驱动,直接修改尺寸,即可得到所需的模型。

Siemens NX软件还具有标准件库调用功能,使航天类工装的设计效率大为提高。标准件库调用界面如图4所示。

7 零部件模块库

产品生命周期管理是一种信息驱动技术,涉及产品从设计到销售的各个环节。产品数据管理是产品生命周期管理的重要组成部分,既可以对信息进行创建和编辑,又可以用作信息的载体。

在Teamcenter平台中通过“文件”菜单下“新建”功能,建立数据结构所需要的应用文件夹、零部件、数据集等实现产品数据的结构组织。

图4 标准件库调用界面

建立文件夹,主要用于对上下层次的相关数据进行分类组织。零部件对象是Teamcenter平台的基本数据模型,可以是工装、自制件、外购件等,是产品的组成部分。零部件版本对象通过升级版本的方式来维护、管理数据对象,一个零部件对象可以对应多个零部件版本对象。数据集是存储数据文件的集合,以通用格式存储于零组件版本对象下,然后才可以使用。通过通用航天类工装的模块划分,结合Teamcenter平台的零部件模块建立功能,建立通用航天类工装零部件模块库,如图5所示。

8 设计流程

对于航天类工装,首先根据设计任务书分析其使用目的和设计需求,然后结合基于Teamcenter平台建立的通用航天类工装零部件模块库和Siemens NX软件强大的标准库,对航天类工装零部件进行最大可能的调取使用,最后进行快速设计[8-9]和分析计算。航天类工装模块化设计流程如图6所示。

9 设计验证

采用所提出的航天类工装模块化设计方法,对某加载试验航天类工装进行设计验证[10],所建立的加载试验航天类工装模型如图7所示。

图5 通用航天类工装零部件模块库界面

图6 航天类工装模块化设计流程

结合图7和图5可以看出,地基、标准梁、加载油缸都可以直接从通用航天类工装零部件模块库中直接调用,标准件可从Siemens NX软件标准库中直接提取,加载座、支座可以通过修改通用航天类工装零部件模块库中相似件的参数得到,只有支腿属于新建模型,这样极大缩减了工装的设计时间,省去了通用零部件重复设计的成本,提高了设计效率。

图7 加载试验航天类工装模型

加载试验航天类工装设计完成后,根据厂标规定的工装分类方法,将其发送至Teamcenter平台分类库中,如图8所示。设计人员可以通过身份标志号或工装号对所有航天类工装进行检索,工艺人员亦可以基于分类库中的航天类工装进行工艺编制,进而提高工作效率。

10 结束语

笔者提出了航天类工装模块化设计方法,对通用航天类工装零部件进行分类,结合Teamcenter平台的强大数据创建功能,建立通用航天类工装零部件模块库,由此实现航天类工装的快速设计。通过某加载试验航天类工装进行设计验证,确认通用零部件可以从通用航天类工装零部件模块库中直接调用,省去了重复设计成本,提高了设计效率。

航天类工装设计时,均采用通用航天类工装零部件模块库中的模型,保证了图纸中外购件符号的一致性。随着后期通用航天类工装零部件模块库的不断充实完善,在保证航天类工装质量的前提下,不断提高航天类工装的设计效率,并且可以为企业节约更多的设计成本。