西 北 工 業(yè) 大 學 機 電 學 院 楊 海

中航工業(yè)西安航空發(fā)動機（集團）有限公司 王昭陽

南京易之恒軟件技術有限公司 周益民 楊迎超

航空發(fā)動機中葉片和機匣等關重件的制造工藝極為復雜，當前這些重要零部件的制造精度主要靠工裝定位和裝夾來保證，因此，工裝設計是航空發(fā)動機等高精度、高可靠性產(chǎn)品設計生產(chǎn)制造的重要組成部分。工裝設計效率、質量和數(shù)據(jù)管理水平的提高，直接影響著航空發(fā)動機產(chǎn)品的質量和效益。

近年來，不少學者對工裝設計數(shù)字化方面進行了大量的研究，并先后提出了基于PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）系統(tǒng)的葉片類零件設計系統(tǒng)[1]，基于知識工程構建工裝CAD模型的知識庫系統(tǒng)[2]和工裝設計參數(shù)化與模塊化的思想[3]。但前期的論述分別在工裝設計方式的體系化，工裝資源調用和設計方式的提高，工裝設計數(shù)據(jù)的有效管理方法，以及集成化應用方面還存在不足。

Teamcenter軟件是業(yè)內知名的PDM系統(tǒng)，而NX軟件是當前主流的CAD三維建模設計軟件之一，二者同屬于德國Simens公司的軟件產(chǎn)品，并通過UGMANAGER管理器模塊接口而具有強大的無縫集成功能。當前國內許多航空、航天、汽車等大型制造企業(yè)都選用NX和Teamcenter分別作為產(chǎn)品設計和數(shù)據(jù)管理的軟件平臺，其中，以在Teamcenter平臺下直接啟動NX軟件進行產(chǎn)品設計、協(xié)同存儲模型數(shù)據(jù)和調用PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的集成設計方式倍受用戶的青睞，因為集成、協(xié)同的數(shù)據(jù)管理和設計方式極大地提高了企業(yè)數(shù)據(jù)管理的規(guī)范性和安全性，并且有效避免了企業(yè)傳統(tǒng)方式的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理所存在的數(shù)據(jù)冗余度和不便繼承性等方面的缺陷。

本文提出的數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)是在Teamcenter和NX軟件平臺上開發(fā)的一種基于知識的工程（Knowledge Based Engineering，KBE）[4-6]的三維參數(shù)化工裝設計系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了NX KBE工裝夾具快速建模解決方案，能夠極大地提高工裝設計效率和質量，降低工裝設計成本。

工裝系統(tǒng)集成特性

工裝快速設計系統(tǒng)基于NX軟件與Teamcenter平臺共同開發(fā)，是工裝建模設計與工裝模板數(shù)據(jù)存儲、重用、管理、交互為一體的工裝快速設計的集成解決方案（圖1）。工裝快速設計系統(tǒng)由嵌入在NX軟件平臺上的系統(tǒng)層功能模塊和創(chuàng)建在Teamcenter系統(tǒng)中的資源層工裝資源庫組成。系統(tǒng)層的功能模塊和資源層的資源庫通過系統(tǒng)預設值模塊進行橋接，實現(xiàn)工裝設計時資源庫的即時加載，用戶通過樹形結構選取或條件查詢目標工裝模板而快速完成設計。

在設計軟件NX平臺中，工裝快速設計系統(tǒng)主要包含導引式變型設計[7]、導引式組合設計和輔助設計等功能模塊。而在數(shù)據(jù)管理軟件Teamcenter平臺中的工裝設計模板庫是工裝快速設計系統(tǒng)調用的目標資源庫和設計結果存放目標的工裝通用庫的兩種Teamcenter分類庫的集合。

如圖1所示，工裝快速設計系統(tǒng)在NX和Teamcenter兩大系統(tǒng)平臺間的交互原理為：導引式變型設計的模板資源主要來源于工裝設計模板庫中的典型工裝和現(xiàn)有工裝。導引式組合設計的模板資源主要來源于工裝設計模板庫中的定位單元、支承單元、夾緊單元和夾具體等按工裝部件功能分類的工裝部件模板庫。導引式變型設計加載的典型工裝模板對象和導引式組合設計加載的典型部件單元模板對象經(jīng)工裝快速系統(tǒng)的指派編碼功能獲取Teamcenter系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中定制的企業(yè)工裝對象（Item）編碼流水號而完成新制工裝的編碼命名。導引式變型設計和導引式組合設計完成的新制工裝經(jīng)過業(yè)務流程審批最終發(fā)送至Teamcenter工裝通用庫中的專用工裝庫或通用工裝庫進行分類管理。

圖1 Teamcenter/NX集成環(huán)境工裝快速設計系統(tǒng)架構圖

KBE工裝模板資源庫

1 工裝模板庫功能劃分

工裝資源庫是工裝快速設計系統(tǒng)的設計來源和基礎。工裝系統(tǒng)的快速性也正是基于企業(yè)定制化的工裝模板資源庫，根據(jù)企業(yè)工裝設計知識工程的長期積累，建立典型工裝或典型部件的全參數(shù)化工裝三維模板，并利用CAD軟件3D和2D模型相互關聯(lián)的主模型方式建?；竟δ芙⑷S模板零件對應的二維零件模板工程圖，使得工裝模板參數(shù)修改后，3D和2D模型能夠自動同步更新，以實現(xiàn)工裝變型和組合的快速設計。

工裝快速設計的思想以總體參數(shù)化驅動、局部標準化、通用化補充為基礎，因而工裝設計模板庫也主要由具有參數(shù)化驅動特點的KBE工裝模板資源庫和工裝標準通用庫組成。

KBE工裝模板資源庫是工裝快速設計的主要組成部分，其由典型工裝庫和典型部件庫組成。典型工裝庫主要存放針對整套工裝建立全參數(shù)化驅動的典型工裝模板，而典型部件庫主要存放按工裝構成劃分的定位單元、支承單元、夾緊單元、連接單元、夾具體等部件參數(shù)化單元模板。

工裝標準通用庫是工裝快速設計的輔助部分，主要包括：工件庫、工裝通用件、典型特征庫、工裝標準件庫等。工件庫是機床設備待加工零件的存放庫，主要為工裝參數(shù)化變型設計和組合設計的后期提供工具體切割元件，當工件（譬如為航空發(fā)動機葉片）與工裝正確定位、裝夾時，工件和工裝模型很可能存在部分干涉，通常工裝對工件的定位、裝夾面與工件的相關表面特征是吻合或形似的，此時要得到工裝中這類形狀比較復雜面特征，難以采用常規(guī)方法進行此類工裝局部異型特征面的參數(shù)化設計，因而利用工件與工裝的正確裝配關系，采用布爾運算進行反求，使得工件類似于刀具的切割部件，將工裝模型中與工件模型相干涉的部分進行切除，以便得到工裝中用于工件正確定位或裝夾的異型面特征。工裝通用件庫、典型特征庫和標準件庫分別存放企業(yè)常用的通用化零件、典型UDF特征和國標、航標或企標件。

2 工裝模板搭建原則

KBE工裝模板設計的優(yōu)劣程度是工裝快速設計效率與質量體現(xiàn)的根本。本文根據(jù)工裝模型的重復性設計程度（即典型程度），將工裝劃分為：典型工裝、半典型工裝和非典型工裝。典型工裝指零件數(shù)量90%以上重用的工裝類型；半典型工裝指模型中存在比較典型的部件（或重要零件）的工裝，零件數(shù)量50%以上重用的工裝類型；非典型工裝指模型本身為新設計機型、不屬于重復性設計，且模型中沒有比較典型的部件（或重要零件）的工裝，零件數(shù)量10%以下重用的工裝類型。因此，工裝模板搭建的首要原則是工裝快速設計方式確認，即要考慮工裝快速設計的變型或組合與否。變型設計主要針對典型工裝進行設計，組合設計主要針對半典型工裝進行設計。而非典型工裝則根據(jù)實際需要，自行進行規(guī)劃設計。

工裝模板搭建原則還應遵循基準統(tǒng)一和最大變形范圍等方面的原則?；鶞式y(tǒng)一原則是設計、工藝定制，乃至加工制造過程中，應該遵循的最基本原則，然而對于典型工裝的模板在采用自頂向下的方式建模時，基準統(tǒng)一的原則尤為重要。在裝配的頂層建立基準面、基準坐標系以及基準點等統(tǒng)一基準，新建零組件后，采用WAVE幾何連接器技術[8]，鏈接裝配頂層已建好的基準進行參考引用，從而有效避免了循環(huán)鏈出錯的風險，最終能夠很好地建立全參數(shù)化驅動的典型工裝模板。最大變形范圍原則是設計出一套質量優(yōu)良工裝模板的前提。根據(jù)知識工程的積累，同時深入制造現(xiàn)場調研也是必要的，在最終了解工裝的使用場合，工件的加工范圍以及機床裝備的特點之后，方能按需求考量出一套工裝的最大變形范圍。

導引式變型設計

導引式變型設計是工裝快速設計系統(tǒng)的兩大主功能模塊之一，其主要針對相似度高的整套典型工裝進行快速改型設計，圖2所示為導引式變型設計模塊流程圖。

導引式變型設計提供便捷式的導引設計方式，主要包括以下幾個模塊：典型工裝模板選取和查詢、指派編碼、工裝克隆、參數(shù)修改等子功能模塊。該主功能模塊設計的過程為：首先通過對典型工裝模板數(shù)據(jù)庫的樹形結構選擇或條件查詢，加載目標典型工裝；其次根據(jù)數(shù)據(jù)庫定制的企業(yè)編碼規(guī)則對新工裝進行自動指派編碼；之后對已經(jīng)加載的目標典型工裝進行工裝克隆復制生成同外形尺寸的新工裝；然后根據(jù)KBE模板定制的參數(shù)按需進行參數(shù)修改的尺寸變形，并將結果與待加工工件尺寸數(shù)據(jù)進行比對或直接試裝待加工工件至變形結果中驗證，若新工裝符合設計要求，則保存數(shù)據(jù)、實現(xiàn)數(shù)據(jù)的PDM系統(tǒng)自動存儲而完成導引式變型設計；若新工裝不符合設計要求、需要微小變化，則繼續(xù)進行參數(shù)修改，直至符合設計要求而結束。

圖2 導引式變型設計流程圖

如圖3所示，為工裝變型設計系統(tǒng)界面。系統(tǒng)具有新建工裝的路徑存儲、典型工裝檢索和預覽等功能。在工裝變型設計方式中，選擇典型工裝和編碼指派完成之后，系統(tǒng)按目標典型工裝克隆一套新的工裝，并同時進入工裝變形設計參數(shù)修改界面。如圖4所示，此時利用參數(shù)編輯列表對這套新工裝，進行相似度高的改型設計。界面中，二維模型預覽圖和二維模型放大圖，以及參數(shù)編輯列表選中某一參數(shù)后，NX軟件模型窗口中模型的PMI參數(shù)標記將會同步高亮顯示，以便用戶進行參數(shù)修改。當參數(shù)修改完成并確定之后，工裝模型（主模型方式建立的三維模型和二維工程圖模型）將自動實現(xiàn)同步尺寸更改，達到工裝快速變型設計的目的。此處需要說明的是，典型工裝的參數(shù)（即參數(shù)修改界面中參數(shù)編輯列表中的參數(shù)）設計是企業(yè)長期總結、積累的成果技術，是根據(jù)生產(chǎn)需要可以對典型工裝模板的參數(shù)進行擴充和修改的，是基于知識的工程原則進行設計的，因此上文稱之為KBE工裝模板。

圖3 工裝變型設計系統(tǒng)界面

圖4 工裝變型設計參數(shù)修改界面

導引式組合設計

導引式組合設計是工裝快速設計系統(tǒng)的第二大主功能模塊，其主要針對部件單元的半典型工裝進行搭積木式的快速拼裝，以完成局部相似的組合式設計，圖5所示為導引式組合設計模塊流程圖。

圖5 導引式組合設計模塊流程圖

導引式組合設計亦提供便捷式的導引設計方式，依次主要包括以下幾個模塊：典型部件模板選取和查詢、指派編碼、工裝克隆、單元模塊編輯等子功能模塊。該主功能模塊設計的過程與導引式變型設計模塊設計過程類似，與導引式變型設計最大的區(qū)別在于：導引式組合設計提供了針對部件單元的半典型工裝模板專門參數(shù)化變形的單元模塊編輯器功能，可以實現(xiàn)部件單元組合拼裝時的參數(shù)編輯修改、單元模塊添加、替換、刪除等功能。最終組合拼裝完成后，同樣需要與待加工工件外形進行比對或試裝，直至符合要求而完成設計。

圖6、圖7分別為工裝組合設計系統(tǒng)界面和工裝組合設計單元模塊查詢界面。與工裝變型設計類似，系統(tǒng)具有新建工裝的路徑存儲、工裝單元查詢和預覽等功能。不同的是，工裝組合設計根據(jù)需要分別針對工裝的支承單元、定位單元、夾緊單元等典型單元庫進行查詢，然后組成一套完整工裝，之后系統(tǒng)指派編碼、并克隆生成這套新工裝。接著利用組合設計專用的單元模塊編輯功能分別對組成該套工裝的支承單元、定位單元、夾緊單元等目標單元模塊進行參數(shù)修改。圖8所示為工裝組合設計單元模塊參數(shù)修改界面， 此參數(shù)編輯界面與工裝變型設計的參數(shù)編輯界面相同，最終經(jīng)過單元間的合理裝配約束后，可快速得到所需的新型組合工裝。

圖6 工裝組合設計系統(tǒng)界面

圖7 工裝組合設計單元模塊查詢界面

圖8 工裝組合設計單元參數(shù)修改界面

輔助設計

導引式變型設計和導引式組合設計可以極大程度地分別解決典型工裝改型設計和半典型工裝的柔性拼裝、改型設計等需求，但是要想實現(xiàn)通用單元模塊或工裝的編輯、克隆、特殊打孔以及待加工工件至目標工裝中的定位和工具體切割等補充功能的工裝快速設計完備解決方案，如圖1所示，仍需要提供輔助設計模塊，主要包括：單元模塊編輯、產(chǎn)品克隆、工件定位、工具體切割、智能裝配、智能打孔、典型特征庫接口等子功能模塊。

單元模塊編輯和智能裝配是針對組合設計提供的輔助模塊；產(chǎn)品克隆可以對任意工裝進行按需編碼修改和標準件克隆與否的復制克隆功能模塊；工件定位和工具體切割的專用功能針對新設計工裝中待加工工件的異型外輪廓定位或裝夾的特殊性個案，導引式變型設計和導引式組合設計參數(shù)修改或單元模塊編輯完成新制工裝的主型設計后，加載定位待加工工件，將工件作為工具體，進行工裝設計反求切割，最終完成新制工裝的變型設計或組合設計；智能打孔模塊提供工裝設計中過孔和螺紋孔等特征的智能高效特征工具；典型特征庫提供工裝設計時需要的用戶UDF特征快速接口。

設計效率分析

表1 工裝快速設計系統(tǒng)效能對比

基于本文論述的數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)，以航空飛機發(fā)動機中葉片或飛機蒙皮等關鍵零件制造時所需的夾具、量具為例，在分別建立了在KBE典型工裝模板或典型部件單元模板的基礎上，完成了工裝快速設計和傳統(tǒng)設計的效能對比（表1）。

不考慮工裝快速設計KBE工裝模板的建模耗時，從表1可以看出，工裝快速設計方式較傳統(tǒng)設計方式效率提高了數(shù)倍。但是由于KBE工裝模板搭建過程中采用基準統(tǒng)一的自頂向下方式建模，耗時較長，且后期仍需要KBE工程知識的積累而不斷完善，當企業(yè)定制建立起完備的KBE典型工裝模板庫時，本文綜合考慮估算，得到：數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)設計較傳統(tǒng)工裝設計的效率能夠提高至少30%以上。

結論

本文在討論了企業(yè)KBE工裝模板庫構成和工裝模板建模方式的基礎上，論述了基于Teamcenter和NX兩大系統(tǒng)平臺開發(fā)的數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)的導引式變型設計、導引式組合設計以及輔助設計等模塊的功能特性，從而說明了數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)提供了工裝設計方面的一套有關模型設計和數(shù)據(jù)存儲、重用、管理、交互為一體的完整解決方案，并得到了數(shù)字化工裝快速設計系統(tǒng)設計較傳統(tǒng)工裝設計的效率能夠提高至少30%以上的結論。

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