数字化环境下的模线样板并行设计分析

◎李凡

模线样板是飞机制造过程中连接设计与制造环节的关键，其可为飞机制造提供准确的尺寸依据，也可进行零件、组件以及各个部件尺寸的有效协调。在实践应用中，通常采用模拟量传递的方式进行模线样板的设计与制造，然而由于制造工艺较为陈旧、研究与分析需要较长时间，并且存在数据传输误差等问题。基于此，有必要在数字化环境下进行模线样板的并行设计。

一、模线样板的类别及具体作用分析

在零件及工艺装备的制造过程中，结构模线起到了至关重要的作用，其主要作用科学描述零件间的装备关系。同时，结构模线也可对设计图纸进行表达。此外，样板也可作为刚性量具而使用，其可实现对飞机零件、组件形状的准确描述，因此，模线样板是飞机设计与制造领域中不可或缺的重要工具之一。

1.外形样板的作用。此类模线样板的作用是表达零件自身的平面结构形状，在零件或模具的制造检验中较为常用。样板外缘主要用于无弯边零件的外廓表达，对于零件的有弯边部分，则可通过样板外缘的外形交叉线进行轮廓的表达。

2.展开样板的作用。展开样板的作用是表达平面零件展开后的形状，也可对单曲度零件的展开形态进行描述，是零件制造中材料准备的依据，也可将之作为零件制造过程中的冲切模型进行应用。

3.切内样板与反切外样板。此种样板主要用于冲压成形零件的检验。

4.反切内样板与切外样板。此种样板在模具制造过程中较为常用。

二、利用CATIAV5 技术构建的模线样板平行设计框架

1.工作流程管理模块。按照模线样板设计与制造过程中技术工作流程规范以及各级标准的规定进行活动的展开及活动信息的定义，保证模线样板符合技术流程等规定。

2.技术协调模块。当各项技术工作之间发生信息冲突，如某项技术工作的开展需要前续丁作提供一定的信息支持，而前续工作发现该信息无法提供或不愿提供时，通过技术协调加以解决。

3.约束关系管理模块。

（1）零件三维数模设计标准体系的构建。表达一个零件的三维信息，可以用不同的造型顺序、方式来表达，这里存在着一个最合理、最有效的方式。对于某一类零件就应该制定出—个标准，尽量都采取类似的设计方案。比如钣金类零件，即可以采用钣金模块来设计，也可以采用先建立零件的外表皮，然后长厚度来生成，还可以先做一个零件毛胚，然后逐步挖掉多余部分，最后形成零件。但最好的方式是采用钣金模块设计，模线设计可以直接调用钣金模块中的展开菜单直接展开，非常便于展开样板的设计。

（2）以飞机坐标系作为零件装配位置的设计依据。对于设计中必须引用的基准，如长桁轴线、框基准面和大梁基准面等必须统一放置在—个结构数下，用“飞机基准”来命名，在其底下的基准，命名必须规范。这样，对于工艺及工装设计来说，引用数模就非常清楚。

三、模线样板并行设计的实现分析

1.建立零件数模库。此数据库用于存放飞机所有零件的三维开放的CATIA 模型数据，实施零件的造型设计、结构设计、工模夹具设计和工程图绘制等工作。在设计的原始模型建立环节，模线样板设计方案和结果的优劣在很大程度上受此影响。因此产品开发系统要合理采用先进造型技术，提高设计者的速度和产品质量。

2.构建公用数据库。该数据库主要存放零件的非几何信息，目前对于零件的非几何信息一般局限于产品的装配信息和定位信息等；此外，还存有常用模线样板的非几何信息。

3.应用零件工艺库。此数据库用于存放零件模型中加工制造信息如材料信息、工装要求信息以及精度要求信息等，这些多采用自然语言进行信息的表述。模型中的非几何信息是在设计过程中逐步建立起来的，设计过程中非几何信息生成，并允许设计者在设计过程中通过CATIA 软件的接口添加材料、制造要求和精度要求等属性信息。

4.模线样板的具体设计。飞机预研阶段，产品设计未完全设计完成时，模线设计及早介入，利用飞机理论外形数模，成熟度50%～60%的零件数模，按照飞机设计的一些共性特征，尽早进行工艺及方案的准备。将原有的分工方式进行转变，以服务对象分工方式取代原有的按飞机部件的分工方式，无需进行整体模线的绘制，只需绘制单个零件的模线。可对设计人员进行分工，使之分别负责型材、钣金以及机加各个工序的设计工作，使工作更加细致与专业。同一零件可由三个工作人员同时负责模线样板的设计工作，分别负责模线的绘制、草图的制定以及数控程序的编制。工作完成需通过三人的校对与审核，这种方式可避免设计过程中失误问题的出现。

5.实施虚拟装配。在模线样板设计过程中，需要随时对模线样板进行装配干涉检验，检验过程与模线样板设计并行进行，由检验结果直接对模线样板进行修改，使其满足装配要求。虚拟装配即为数字化预装配，当设计人员、工艺计划人员以及工艺装备设计人员需要时，就可以把模线样板组装起来，在计算机上完成产品的装配模拟工作。通过数字化预装配，进行模线样板的结构、布局和干涉检验，根据零件模型所处的机身坐标系的位置，进行模线样板的安装。

6.工艺设计的应用。进行模线样板的数控编程，确定模线样板的工艺过程、工艺操作内容、工艺装备（设备、工夹量辅具）和工艺参数等。在并行设计过程中，工艺设计贯穿于模线样板设计的全过程。根据飞机模线样板设计特点，可将工艺设计划分为：工艺方案设计、工艺路线设计、工艺指令设计、M—BOM 设计以及工艺数据的管理等。

结语：为实现模线样板设计与制造平台的建立，可对并行化技术组织管理方式以及零件三维数模进行模线样板信息提取，促进该平台的建立利用。对该项技术的充分利用有利于实现设计质量的提高，并且对实现模样板与图纸的合一有促进作用，可推动航天事业以及相关产业的发展。