在飛機機體裝配設計/制造過程中，需要定義及使用大量的與緊固件相關的幾何信息和非幾何信息。進行裝配設計時除了需要生成三維幾何模型外還需要把緊固件的屬性信息、連接信息等內容附加到三維幾何模型上，生成完整的三維數字化產品定義，然后交付制造車間。傳統上使用通用軟件，工程師們需要手工定義及獲取數以萬計的緊固件信息，包括緊固件牌號、緊固件的安裝位置等。這是一項繁重、易錯和費時的工作，在很多情況下這些工作并不是自動的，或者不能很好地為三維CAD系統所支持。同時工程師要準確地使用規范，高效地定義制造過程的不同階段狀態，確保最終產品滿足工程要求。這種復雜性，以及日益增加的市場需求和快速將產品推向市場的壓力，對工程師和他們所使用的軟件工具提出了巨大挑戰。

    隨著我國大型客機項目研制的深入推進，飛機結構全三維設計技術取得了革命性發展和應用，結構設計已全面進入了全三維時代，取代了傳統二維圖紙，實現了全流程無紙化設計。以MBD數據集為設計、制造的唯一依據，對傳統的制造手段和方法提出新的挑戰。基于MBD技術進行飛機機體裝配設計相關的幾何及非幾何信息定義，并結合緊固件在線關聯全信息表達的新思路，開發全三維的緊固件輔助設計系統。使緊固件安裝從原來困擾設計、制造部門的難題變成驅動裝配設計的動力和樞紐，提高各個環節的效率及質量。基于以上的應用背景，本課題主要實現了基于全三維設計的緊固件輔助系統關鍵技術研究和軟件系統開發。

關鍵技術研究

    1.基于全三維的緊固件設計標準及建模規范研究

    通過研究確定了從緊固件選擇、調入、安裝、計算分析及檢查等一系列設計規范和標準；突破傳統的裝配設計中緊固件實例化表達方式，采用全信息的骨架特征線來表達緊固件的方法。

    2.基于MBD技術的緊固件方法研究

    研究了基于MBD技術的緊固件相關幾何及非幾何信息在CATIA模型中存儲的格式和位置，確定了基于MBD技術的設計標準及規范，為后期的系統實現提供基礎依據。

    3.基于知識的緊固件關聯組合方法研究

    對常用的緊固件之間的匹配及關聯組合關系進行了研究，整理明確了緊固件關聯組合技術規范，如不同牌號的螺栓、螺母、墊圈、保險銷的匹配關系、使用環境及工藝規范等，并將確定的規則內嵌到系統數據庫中以便于系統實現，突破了傳統的查表方式，實現了緊固件關聯組合的自動匹配和濾選。

系統實現

    在關鍵技術研究的成果基礎上，開發了以大型客機研制為依托背景的基于全三維設計的緊固件輔助系統CAFE。系統采用基于知識工程技術，提煉和固化飛機機體裝配設計知識和經驗，為飛機結構設計人員和生產制造人員提供統一的工作環境。采用MBD規范及相關技術智能化地進行裝配信息的快速定義，生成全三維數字化產品模型，傳至生產制造單位，基于統一全三維數字化產品模型進行生產制造信息的提取，取消二維圖紙發放，實現設計和制造的無縫銜接和高效的協同。

    CAFE系統為一套基于B/S和C/S相結合的快速設計系統，以緊固件數據庫為基礎，在CATIA設計環境下進行飛機緊固件的快速選擇、自動安裝、數據統計，并附加非幾何裝配信息，生成三維數字化產品模型來代替二維工程圖，自動生成緊固件的物料清單，最終實現飛機裝配的快速設計和定義，縮短產品的設計開發周期，提高產品的設計開發質量。

    1.緊固件選擇

    緊固件選擇是采用知識推理的機制，按照緊固件的關聯組合，自動進行緊固件的匹配選擇，為適用于不同的使用場景需要，可提供個人知識庫、共享知識庫、自由選擇3種選擇方式,同時系統支持自定義緊固件的選擇。

    2.緊固件安裝

    緊固件選擇確定后，系統根據疊層厚度自動計算緊固件規格，并自動進行長度有效性檢查，將緊固件安裝到相應的位置。系統提供了多種便捷的向導安裝方式，包括魔術棒、對稱等方式輔助工程師快速完成緊固件的安裝。

    3.緊固件檢查

    系統依據設計規范的要求，自動對所安裝的緊固件進行符合規范及要求的計算和檢查，從而確認是否滿足規范要求。主要包括設計更改、間距、邊距、干涉、安裝空間檢查及強度校核，圖1為間距檢查。通過計算和檢查，在設計階段早期識別不符合條件的緊固件，從而修改設計。

圖1 間距檢查

    4.BOM統計

    自動實現緊固件計算及統計，并按照需要輸出BOM表。主要包括緊固件用量、重量、重心和轉動慣量計算；緊固件夾持厚度計算；零組件清單等。

    5.緊固件數據庫

    系統提供了與CATIA緊密集成的緊固件數據庫，如圖2所示，實現對緊固件數據、設計規范、關聯組合知識等進行集中分類管理。采用服務器和客戶端分布式部署，服務器端集中存儲及管理所有緊固件信息和緊固件關聯匹配定義。客戶端數據庫從服務器數據庫自動更新數據。

圖2 緊固件數據庫

結束語

    在中國商飛上海飛機設計研究院承擔的大型客機研制工作中，已經全面采用CAFE系統進行基于全三維的緊固件設計工作。在大客機頭工程樣機數字化裝配和制造過程中，采用該系統進行了基于全三維的數字化裝配設計和制造，實現了設計與制造的無縫銜接，從緊固件輔助選擇、快速調入并進行設計檢查、統計輸出幾方面提高了工作效率，取消二維圖紙發放，節省了設計人員工作量，縮短了研制周期，降低了設計成本，提高了設計質量，原本需要幾個月的緊固件二維圖表達時間縮短到2周。充分證明CAFE系統具有設計智能化、統計自動化、更改快捷化等優點，體現了創新的緊固件關聯定義思路，具有很高的推廣應用價值。

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本文標題：基于全三維設計的緊固件輔助系統研究與實現

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