基于MBD的三维模型样板设计研究

◎孟翔鹏 张云鹏 王志宏

随着数字化技术的不断发展，飞机零件的制造体系已由传统的模拟量逐步转为数字量，模线样板整体需求数量已逐年下降，但样板具有使用便捷、成本低等特性，在高效率数字化检测技术大规模应用前，模线样板仍然是指导飞机零件生产加工的重要工具。飞机机体结构复杂，各类零件工艺特性差异大、装配难度高，为此三维工艺仿真技术近年来逐步占据飞机制造的重要比重，通过仿真分析优化工艺技术，而不同零件样板介入节点完全不同，对于工艺组合件、装配件使用的样板来说，实物样板在现场使用时经常出现尺寸不匹配、无法使用的情况。如果在三维工艺仿真阶段加入三维样板模型，就能够在后期零件加工时避免浪费和反复。

一、环境设置及编号要求

1.设计原则。

（1）三维模型样板应是全尺寸（1：1）的数模，基于工程数据集或制造数据集设计，不应改变原数据集的元素；

（2）三维模型样板应在工程数据集实际使用空间位置建模，对展开样板、钻孔样板等需展开变形的样板，不应通过坐标变换等手段随意改变展开基准点位置；

（3）三维模型样板设计过程应避免出现长度小于0.001mm的线段或曲线（Degenerate Element退化元素）；

（4）设计过程应避免出现冗余元素。

2.名称与编号。

（1）依据样板申请单，当只申请样板时，三维模型样板文件名称后缀为“_T”，当申请内容包含三维常规制造数据集时，三维模型样板文件名称后缀为“_M_T”；

（2）在正式发放的三维模型样板中，三维模型样板文件名应与零件编号相同（含后缀名称），文件扩展名为“。CATPart”。

二、结构树与几何图形集

1.三维模型样板特征树的组成。

三维模型样板特征树应表达完整有效的信息和层次关系。

特征树由以下几个部分组成：

（1）几何特征。

三维模型样板应依据样板材料厚度，模拟样板实物几何形状（包含钻套、补加、视口等），在原数据集基础上建立三维封闭曲面几何体。对带孔的三维模型样板，镶钻套情况下，应在数据集孔中心位置建立圆柱体，圆柱截面尺寸按激光文件钻套尺寸设计，突起高度按照实物样板钻套高度设计；不镶钻套情况下，直接按数据集尺寸开孔。按样板用途划分，用于加工、检验和加工检验共用的三维模型样板对应颜色如下图：

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（2）几何图形集。

三维模型样板结构树建立“信息作图过程”、“制造数据集信息”、“样板信息”一级几何图形集；“制造数据集信息”下建立“孔信息”、“余量信息”、“耳片信息”等二级几何图形集；“样板信息”下建立“使用单位”、“样板类型编号”、“加工检验信息”等二级几何图形集。

“信息作图过程”内放置草图、点线、曲面等作图过程，其他几何图形集内放置最终的线架、实体、参数信息等。对称件保留“信息作图过程”、“制造数据集信息”、“样板信息”，其中“样板信息”内仅保留“样板类型编号”中的几何体信息。

（3）设计制造信息参数集。

在“加工检验信息”内，插入样板设计制造流程参数信息，包括检验方式、钻套、材料等信息。

2.三维模型样板特征树的状态。

（1）保持正确状态。

所有的几何特征都应保持已更新（Update）状态，不应有“失效状态”、“错误状态”或“待更新状态”的几何特征；

（2）设置定义节点。

发放三维模型样板的定义工作对象应为正确状态，即将“样板信息”或“制造数据集信息”的根节点设置为“定义工作中的对象（Define In Work Object）”。

三、添加样板标记

在CATIA软件FT&A三维标注模块下进行设计

1.使用VIEWS/Annotation Planes确定标注面。

点击命令，选择样板所在平面，若为展开样板应选择展开后的平面，在标注集内显示正视图。

2.使用文本输入命令添加样板标记。点击命令后，再点击刚才生成的样板所在正视图平面，在点击位置输入内容。

3.使用TP工具栏，选择字体和字号。

4.使用PAO工具栏调整内容的输入角度。

前面三个参数手动拖拽内容文本即可，角度调整通过工具栏较为便捷。

5.完成划线、开孔、增厚度，保存并在系统内发放。

四、结论

三维模型样板不同于传统样板的设计方式，将三维制造数据集与样板结合，最大程度发挥出了MBD技术优势，将原有的多系统样板设计过程进行优化，提升设计效率，同时具备三维工艺仿真能力，对于由数字化检测要求的零件，能够有效避免样板实物的误差累积，导致检验偏差的问题。本文论述方法提出未来样板发展的一种趋势和方向，基于数字孪生技术的产品协同设计研发正在逐步发展，未来的模线样板也必将朝着这一方向演变。