CATIA軟件廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域的計算機(jī)輔助設(shè)計、分析和制造等專業(yè)。它是產(chǎn)品全生命周期管理的重要組成部分之一，支持項目的方案、詳細(xì)設(shè)計、模擬分析、裝配和維護(hù)等過程。CATIA軟件的應(yīng)用使設(shè)計制造者從繁瑣抽象的二維工作體系中得以解放，減少了重復(fù)性的低等級勞動工作，提高產(chǎn)品的直觀性，促進(jìn)協(xié)調(diào)完善。結(jié)合協(xié)同設(shè)計平臺，促進(jìn)了數(shù)據(jù)高度共享和高效的并行設(shè)計工作。

    然而從目前的實際工作來看，指導(dǎo)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有全面系統(tǒng)地融入面向制造和并行設(shè)計的理念。針對應(yīng)用CATIA軟件進(jìn)行實體建模的規(guī)范并未細(xì)化統(tǒng)一，不能夠全面體現(xiàn)行業(yè)特點和現(xiàn)代設(shè)計理念。因此，在同一標(biāo)準(zhǔn)體系下，出現(xiàn)了各式各樣的實體建模風(fēng)格，總體上看同一機(jī)型設(shè)計風(fēng)格因人而異；此外，具體的工作承接者、其他專業(yè)人員以及工藝制造者對模型的解讀難度大。

    為了使設(shè)計的信息快速準(zhǔn)確地被讀取和理解，要有系統(tǒng)、細(xì)實的操作規(guī)范來指導(dǎo)設(shè)計者進(jìn)行零件的三維建模。同時，在模型設(shè)計時要從模型使用者的角度出發(fā)，規(guī)范模型特征、尺寸參數(shù)和技術(shù)要求等信息的獲取及操作方法，這樣就不會出現(xiàn)零件信息的誤讀和漏讀。

    本文從面向制造、模型繼承以及易于并行設(shè)計的角度，同時結(jié)合實際工作經(jīng)驗，分析了應(yīng)用CATIA進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件建模的規(guī)則和方法。通過實例演示，詳細(xì)闡述了易于下游工作人員解讀的實體模型的高效表達(dá)方式，為現(xiàn)行的建模規(guī)范提出了一種更優(yōu)化的解決方案。

結(jié)構(gòu)建模

    零件結(jié)構(gòu)建模是產(chǎn)品全生命周期過程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，要重點體現(xiàn)面向制造的設(shè)計思想。零件的建模及相關(guān)信息的表達(dá)要從制造裝配的工藝審查以及數(shù)字化制造的角度出發(fā)，確保下游人員通過簡單的操作就能夠全面準(zhǔn)確地讀取零件模型和信息。此外，為了節(jié)省存儲空間，便于零件的快速修改更新，并保證強度、系統(tǒng)等專業(yè)的協(xié)同工作順利開展，對建模的具體操作也應(yīng)加以規(guī)定，不利于信息傳遞的操作應(yīng)當(dāng)被禁止或限制，冗余無效的建模信息應(yīng)刪除。這樣，對于同一產(chǎn)品，其整個設(shè)計風(fēng)格和模型表達(dá)是完全一致的，零件具有很好的可繼承性，并且非常有利于數(shù)字技術(shù)的管理。

    下面以飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件中廣泛應(yīng)用的典型機(jī)加件和鈑金零件的CATIA三維模型設(shè)計為例，剖析更有利于傳遞制造信息的建模方法。

    1.機(jī)加零件建模

    機(jī)加零件建模對象以飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)典型的縱梁為例，屬于鋁合金機(jī)加零件。

    該零件整個幾何體的創(chuàng)建過程如圖1所示，其建模過程基本模擬了零件的加工過程。

圖1 零件整個幾何體的創(chuàng)建過程

    首先，創(chuàng)建零件的主實體。主實體必須定義為大于零件最終尺寸的實體，即為給定零件的毛料尺寸。允許使用已定義的參考基準(zhǔn)平面、外形曲面進(jìn)行分割。特別指出，針對含有外形曲面特征的零件，必須按照簡化設(shè)計規(guī)則，應(yīng)用滿足容差要求的內(nèi)部模型線直紋曲面逼近真實外形曲面，作為主實體的邊界定義參考面。這種應(yīng)用簡化直紋面代替外形曲面的設(shè)計，可以較精確地表示零件的機(jī)加外部形狀，便于數(shù)控編程和加工，降低了機(jī)加成本，提高了生產(chǎn)效率。

    然后，在完成分割的實體上進(jìn)行順序去除材料。“銑切”凹槽的步驟全部應(yīng)用CATIA零件設(shè)計模塊下的布爾操作“裝配”工具。其中每一個槽的圓角和底角都是在各自的“裝配”幾何體中創(chuàng)建，典型的結(jié)構(gòu)樹如圖2所示。

    最后完成與前面步驟相獨立的零件孔、倒角和外圓角的造型。因為后續(xù)的鉆孔、倒角等需要單獨的工序來完成，所以最后定義零件的部分倒角、圓角特征。

    該種方法中創(chuàng)建凹槽特征最為關(guān)鍵。凹槽定義了模型的局部特征。針對可用同一數(shù)控設(shè)備加工的凹槽特征，應(yīng)整合到同一個“幾何體”中。比如，可用三軸聯(lián)動數(shù)控銑床加工的凹槽特征定義為一類；用多軸聯(lián)動數(shù)控銑床加工的凹槽特征歸為同一類型特征。完成歸類后，將這些“幾何體”集“裝配”到零件幾何體中。通過重命名定義其制造特性。而凹槽的轉(zhuǎn)角和底角特征的設(shè)計要考慮刀具的選擇，除特殊要求外要力求圓角半徑相同，并且利用CATIA的圓角特征創(chuàng)建圓角，而不是在草圖中定義圓角。同時要對圓角特征重命名，在其名稱中增加圓角半徑值。

    這種按照加工工序并歸類相同制造特性進(jìn)行零件實體建模的方法，大大提高了零件的可識別性，使工藝人員能夠迅速準(zhǔn)確地理解零件的設(shè)計思想和模型信息，便于CAM軟件快速提取零件的特征信息。

    此外，該種建模方法，特別是凹槽特征的定義方法，只對零件的局部特征產(chǎn)生影響，簡化了零件幾何體結(jié)構(gòu)樹，便于零件特征信息的管理，利于零件更改的快速更新，且可以保持良好的工藝一致性。其優(yōu)勢還在于，提高了零件的可繼承性，工作便于傳承；強度專業(yè)等模型的使用者能夠根據(jù)自身工作需要，“取消/激活”零件的局部特征，而不會對零件的整體產(chǎn)生影響，很好地促進(jìn)了并行協(xié)同設(shè)計工作的開展。

    2.鈑金零件建模

    飛機(jī)結(jié)構(gòu)零件中包含了大量的鈑金零件。該類型零件要求有專門的工藝規(guī)范，并會應(yīng)用到專門的成形設(shè)備和模具。因此，便于制造系統(tǒng)讀取零件信息的鈑金零件三維建模方法十分重要。

    本節(jié)鈑金零件的實例模型如圖所示。

圖2 鈑金零件的實例模型

    從面向制造的角度出發(fā)，鈑金零件的設(shè)計必須應(yīng)用CATIA航空鈑金模塊。其優(yōu)勢在于： （1）在其設(shè)計環(huán)境中可集成現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如：板材最小彎曲半徑參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)減輕孔、下陷和加強槽等特征，在設(shè)計時通過選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)生成標(biāo)準(zhǔn)特征，可大大減輕設(shè)計人員的重復(fù)勞動，非常可靠便捷。（2）在進(jìn)行零件的彎邊設(shè)計時，選定不同的彎邊成形方式，傳遞不同的制造信息。該模塊中可供選擇的彎邊成形方式有閘壓成形和液壓成形兩種。在“曲面彎邊（surfacic flange）”和“彎邊（flange）”操作中均可設(shè)置成型方式。選擇不同的成形方式，CATIA生成的板材零件成型線有所區(qū)別。（3）在CATIA航空鈑金模塊中能夠操作“折疊/展開”按鈕將鈑金零件展開，實例展開圖見下圖。

圖3 鈑金零件實例展開圖

    然后，借助CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊中的提取功能，得到鈑金件展開圖的邊界，作為工藝進(jìn)行板材下料的參考依據(jù)。（4）針對復(fù)雜型式的鈑金零件，可在設(shè)置對話框中設(shè)定鈑金零件外型線和內(nèi)型線為顯示狀態(tài)。在零件處于展開狀態(tài)時，CATIA內(nèi)部程序根據(jù)設(shè)計者先前選定的彎邊成形方式即可生成相應(yīng)的零件成形線，如圖所示。

圖4 零件成形線

    鈑金零件的三維模型表達(dá)其最終形式。此外，設(shè)計者要在其展開狀態(tài)時提取板材邊界、減輕孔類特征的中心參考線和成形線等參考元素，如圖所示，這些參考元素要置于結(jié)構(gòu)樹相應(yīng)的幾何圖形集里，使工藝制造人員能夠容易獲取。

圖5 鈑金零件的參考元素

    鈑金零件的三維模型除體現(xiàn)零件最終成形狀態(tài)外，零件成形的關(guān)鍵參考元素和信息要包含到模型中，結(jié)合三維標(biāo)注方法以方便工藝人員獲取相應(yīng)的制造信息并做工藝準(zhǔn)備。同時，提高制造系統(tǒng)等應(yīng)用軟件對零件信息提取的便捷性和準(zhǔn)確性。

    工作稍顯繁瑣，但是這樣做不影響零件最終結(jié)果的表達(dá)，而利于不同人員對零件的解讀。特別便于工藝制造人員進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字化工作。從產(chǎn)品全生命周期管理的角度考量，這樣的設(shè)計方法能夠提高零件的制造效率并保證質(zhì)量。

結(jié)構(gòu)建模總結(jié)

    對于設(shè)計者來說，無論零件的建模步驟區(qū)別多大，最終都能得到相同的實體模型。但是從面向制造的設(shè)計角度出發(fā)，特別是設(shè)計制造一體化技術(shù)高度發(fā)展的今天，作為產(chǎn)品源頭的三維模型，其合理的創(chuàng)建過程并結(jié)合零件的三維標(biāo)注技術(shù)，非常利于并行工程的實施。零件設(shè)計中融入的制造信息能夠很好地促進(jìn)制造者對產(chǎn)品的理解，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

    本文通過介紹面向制造的結(jié)構(gòu)零件實體建模的方法，結(jié)合實際工作經(jīng)驗，對現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了簡要分析。

    針對應(yīng)用CATIA進(jìn)行面向制造的結(jié)構(gòu)零件建模，需要進(jìn)一步開展的工作包含以下方面：（1）根據(jù)現(xiàn)有制造工藝的實際能力和需求情況，從面向制造的角度進(jìn)一步細(xì)化三維建模的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，保證設(shè)計風(fēng)格一致，減少出錯幾率。（2）對于不同類型的零件，分類規(guī)范應(yīng)進(jìn)一步明晰。不能是類似一般的軟件使用介紹，而是要結(jié)合行業(yè)特點，從協(xié)同設(shè)計的角度出發(fā)規(guī)范建模，通過具體的實例明確規(guī)范的操作行為。（3）從工程實用的角度，針對性地進(jìn)行軟件的二次開發(fā)，集成本行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和常用特征的快速建模模塊，真正實現(xiàn)數(shù)字化快速設(shè)計。（4）開發(fā)模型的快速檢查工具。對于固化的規(guī)范要求，可以通過自動檢查發(fā)現(xiàn)和更正錯誤，避免人工檢查出現(xiàn)遺漏。

    此外，制定規(guī)范時，要考慮設(shè)計人員的可操作性和承受能力，以及軟硬件的實際情況。

結(jié)束語

    產(chǎn)品良好的綜合性能主要體現(xiàn)在其功能滿足要求、使用可靠、可制造性強、經(jīng)濟(jì)性好等方面，要從設(shè)計、制造、檢驗、使用維護(hù)和報廢回收等方面進(jìn)行全方位評估。作為產(chǎn)品源頭的設(shè)計建模至關(guān)重要。

    本文從面向制造的角度出發(fā)，給出了飛機(jī)典型結(jié)構(gòu)零件的實體建模方法，旨在提高零件的可讀性和可繼承性，便于工藝制造人員對零件的理解和信息讀取。為并行設(shè)計工作的開展和產(chǎn)品的高效高質(zhì)開發(fā)提供一種更合理的模型創(chuàng)建方案。

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本文標(biāo)題：面向制造的CATIA結(jié)構(gòu)建模方法研究

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