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1、2020/7/27,1,裝配夾具數(shù)字化設計制造,沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司 張 平,2020/7/27,2,采用傳統(tǒng)的飛機制造互換協(xié)調(diào)方法進行裝配夾具設計、制造需要用模線、樣板、標準樣件等實體模擬量來傳遞協(xié)調(diào)尺寸，這種方法在將飛機理論尺寸傳遞到裝配夾具上時要經(jīng)過很多傳遞環(huán)節(jié)、多次反復的移形過程，是以關聯(lián)制造原則為依據(jù)，通過保證相關協(xié)調(diào)尺寸或幾何形狀偏差方向的相對一致性來保證有互換協(xié)調(diào)關系的裝配夾具之間協(xié)調(diào)部位的一致性。這種方法要使用大量的非生產(chǎn)用工裝，傳遞環(huán)節(jié)多、誤差大，采用串行工作方式，生產(chǎn)準備周期長、研制成本高。,2020/7/27,3,數(shù)字化技術正在被當今世界航空制造技術發(fā)達國家廣泛采

2、用，它以獨立制造原則為依據(jù)，采用并行方式、利用數(shù)字量協(xié)調(diào)裝配夾具，用保證高于協(xié)調(diào)準確度要求的制造準確度來保證協(xié)調(diào)尺寸的一致性，具有可進行數(shù)字預裝配和干涉檢查、減少誤差傳遞環(huán)節(jié)、支持并行工程、降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代飛機生產(chǎn)的必備手段和關鍵技術，是企業(yè)技術進步的重點方向和國際合作的先決條件，在飛機裝配夾具設計、制造中發(fā)揮著越來越重要的作用。,2020/7/27,4,,采用CAD/CAM/CAE軟件CATIA作為工具平臺進行裝配夾具三維實體設計，利用工裝數(shù)據(jù)集編制數(shù)控加工程序，利用數(shù)控機床加工裝配夾具零件，利用工裝數(shù)據(jù)集編制測量程序，利用坐標測量機對數(shù)控加工的裝配夾具零件進行檢測，采用激光跟

3、蹤儀進行裝配夾具安裝，利用激光跟蹤儀進行裝配夾具功能性檢查和定期檢修，利用CATIA對激光跟蹤儀采集的數(shù)據(jù)進行分析及處理，實現(xiàn)了裝配夾具設計、制造、安裝和檢測的數(shù)字量傳遞。,2020/7/27,5,裝配夾具CATIA數(shù)據(jù)集構造方法,2020/7/27,6,為了提高裝配夾具設計水平，縮短裝配夾具設計周期，充分利用CATIA的資源優(yōu)勢，實現(xiàn)規(guī)范化管理，在對CATIA進行了大量細致的研究與探索的基礎上，我們編制了裝配夾具CATIA數(shù)據(jù)集構造方法。具體內(nèi)容如下： 1 模型規(guī)模 由于過大的數(shù)據(jù)集會延緩CATIA系統(tǒng)的反應時間，因此當數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)超過規(guī)定容量的60%時，必須將該數(shù)據(jù)集分解成兩個或多個子模型

4、。需要注意的是數(shù)據(jù)集應該在邏輯分離面處分解，必須加工成一個整體的表面不許分解。 2 層疊 所有用于定義同一裝配夾具的數(shù)據(jù)集采用同一坐標系進行層疊（FILE + OPEN）以形成一個完整的裝配夾具實體。坐標軸*AXS1用于層疊坐標系。,2020/7/27,7,3 數(shù)據(jù)集分類 (1) 標準數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)集中不僅含有DRAW模式圖紙信息，而且含有SPACE模式幾何信息，如SURFACE、SOLID等。數(shù)據(jù)集本身不需通過層疊就可以生成一套完整的裝配夾具圖紙。此類數(shù)據(jù)集一般用于小型裝配夾具。 (2) DRAW數(shù)據(jù)集 A 數(shù)據(jù)集中只包含DRAW模式圖紙信息，除了坐標軸*AXS1外，不允許包含任何SPACE信

5、息； B 每個數(shù)據(jù)集中一般包含多頁裝配夾具圖紙，用于構成若干個功能組件； C 一般自身不能單獨生成完整的裝配夾具圖紙，需要通過層疊把SPACE數(shù)據(jù)集層疊到DRAW數(shù)據(jù)集上才能生成完整的裝配夾具圖紙； D 此類數(shù)據(jù)集用于大、中型裝配夾具。,2020/7/27,8,(3) SPACE數(shù)據(jù)集 A 模型中不包含DRAW模式圖紙信息，只包含SPACE信息； B 自身不能單獨生成完整的裝配夾具圖紙，只能用于層疊及數(shù)字預裝配； C 含有所有關鍵特性的以名義尺寸構成的全尺寸的實體數(shù)據(jù)模型，應該含有后續(xù)用戶（如數(shù)控編程、裝配夾具安裝）所需的基本信息； D 此類數(shù)據(jù)集用于大、中型裝配夾具。 4 坐標系 (1) 標

6、準坐標系 有時也稱為主坐標系，是指CATIA中以坐標軸*AXS1表示的標準飛機坐標系。,2020/7/27,9,(2) 輔助坐標系 A 可以采用裝配夾具坐標系等輔助坐標系來簡化設計； B 所有輔助坐標系都應有相應的標記符，例如可以采用 *AXS3表示裝配夾具坐標系； C 在正式發(fā)放的工裝數(shù)據(jù)集中不應出現(xiàn)不必要的輔助坐標系。 5 層 由于每個模型空間都有255層可供使用，為了便于統(tǒng)一管理，對層的分布做出如下規(guī)定： 0層 僅用于存放二維及三維坐標系 100層 用于存放二維DRAW模式圖紙信息，包括尺寸、表格、文字、表面粗糙度等 247層 用于存放圖簽 251層 用于存放版次管理信息 252層 用

7、于存放構成裝配夾具實體的初始構造元素,2020/7/27,10,6 過濾器 (1) 視圖過濾器 用于顯示視圖中所要求的特殊幾何形狀 (2) 工裝過濾器 用于顯示整個裝配夾具實體 (3) 數(shù)控編程過濾器 用于顯示數(shù)控加工零件的幾何圖形及基本加工要素 (4) CAMS過濾器 用于顯示光學工具點 7 裝配夾具在Space數(shù)據(jù)集中的定向 (1) 通常情況下，裝配夾具應在正確的飛機坐標方向上建模 (2) 通用裝配夾具可不在正確的飛機坐標方向上建模,2020/7/27,11,8 對稱裝配夾具 (1) 如果對稱裝配夾具與圖示裝配夾具存在不完全對稱情況時，必須給出不完全對稱處的詳細結構，放置于某一單獨層中且

8、在層圖中做出標記。 (2) 必須生成顯示對稱裝配夾具實體的Space窗口且標記為“OPPOSITE HAND SPACE” 9 工程參考零件 允許將工程參考零件的實體投影到裝配夾具圖紙上，原則上不允許工程參考零件的實體存在于工裝數(shù)據(jù)集中，但允許工程參考零件的線架存在，工程參考零件的實體模型不作為層疊模型。,2020/7/27,12,10 實體創(chuàng)建原則 為了節(jié)省內(nèi)存，提高運行速度，在不影響裝配夾具使用功能的前提下，應該生成盡可能簡單的實體以減少模型尺寸，主要應該采取以下措施創(chuàng)建裝配夾具實體： (1) 忽略非關鍵的圓角及過渡區(qū)，不設計相應的實體部位； (2) 螺栓、螺母、墊圈、銷釘類緊

9、固件不構造實體； (3) 不構造零件上的螺紋； (4) 不需要數(shù)控加工的裝配夾具零件采用模擬實體（SOLIDM）功能生成；需要數(shù)控加工的裝配夾具零件采用精確實體（SOLIDE）或SOLIDM功能生成,盡可能采用SOLIDM功能生成；與工程零件接觸的SURFACE必須從工程數(shù)據(jù)集中提取，并給出數(shù)控加工所需要的全部加工要素，包括SURFACE、FACE、POINT、LINE等。,2020/7/27,13,11 數(shù)字預裝配 (1) 利用層疊功能進行裝配夾具零、部件或裝配夾具與工程零件的模擬裝配； (2) 利用INTERFER功能或SOLIDE和SOLIDM功能中的ANALYSIS子功能進行裝

10、配夾具零、部件自身及裝配夾具與飛機零件之間的干涉分析，以消除干涉及不協(xié)調(diào)問題。,2020/7/27,14,裝配夾具光學工具點 設置方法,2020/7/27,15,隨著計算機應用技術的發(fā)展，裝配夾具的設計、制造、安裝和檢測手段及方法都發(fā)生了根本性的變化：可以不使用模線樣板、劃線鉆孔臺制造裝配夾具零件，可以不使用型架裝配機或光學望遠鏡長桿千分尺或標準樣件、標準量規(guī)等標準工裝來安裝裝配夾具，取而代之的是應用了CATIA和激光跟蹤儀為代表的新一代光學安裝系統(tǒng)計算機輔助測量系統(tǒng)（Computer Aided Measurement System 簡稱CAMS）來進行裝配夾具的設計、制造、安裝和檢測，裝配

11、夾具由傳輸?shù)紺AMS中的裝配夾具設計數(shù)據(jù)直接安裝制造出來，傳統(tǒng)的以模擬量表示的標準工裝已經(jīng)不再需要。數(shù)字化技術的應用最終導致了無實物標準工裝的裝配夾具制造，在技術上保證了無紙制造的實現(xiàn)。,2020/7/27,16,1 工作原理 Optical Tooling Points（簡稱OTP）是裝配夾具設計員給定的用于確定裝配夾具定位特性的控制點，每個OTP均包含X、Y、Z三個方向的坐標值，裝配夾具制造部門利用激光跟蹤儀通過測量OTP的坐標值來確定裝配夾具的定位特性，達到制造、安裝、檢驗裝配夾具的要求。其原理是：物體在三維空間內(nèi)六種可能的運動可以分為兩類：位移和旋轉(zhuǎn)。這六種可能的運動是：垂直位移（沿Z

12、軸方向位移）、橫向位移（沿X軸方向位移）、軸向位移（沿Y軸方向位移）、垂直旋轉(zhuǎn)（繞Z軸旋轉(zhuǎn)）、橫向旋轉(zhuǎn)(繞X軸旋轉(zhuǎn))以及軸向旋轉(zhuǎn)（繞Y軸旋轉(zhuǎn)），這就是物體在三維空間的六個自由度?？刂票粶y物體的六個自由度，就可以確定被測物體在空間的位置。,2020/7/27,17,2 主要平面的確定 主要平面是指對裝配夾具定位型面空間位置準確度影響較大的平面。主要平面的確定采用比較裝配夾具定位型面在飛機坐標系中XOY平面、YOZ平面及XOZ平面內(nèi)的投影面積的方法進行，即在哪個平面內(nèi)的投影面積大，哪個平面即為主要平面。 3 3-2-1原則 假定由OTP1（x1，y1，z1）、OTP2（x2，y2，z2）和OTP3

13、（x3，y3，z3）確定的裝配夾具型面在飛機坐標系中XY平面內(nèi)的投影面積最大，在YZ平面內(nèi)的投影面積次之，即XOY平面為第一主要平面，YOZ平面為第二主要平面，由于加工裝配夾具型面時存在加工誤差，因此，裝配夾具設計員在確定了主要平面后，只需確定三個OTP的六個坐標值就足夠了。具體方法是：首先確定某一個OTP（例如OTP1）作為基準點，選取x1、y1、z1作為控制基準；然后選取OTP2和OTP3中的Z坐標作為控制基準；最后在OTP2或OTP3中選取X坐標（例如OTP2）作為控制基準。余下的x3、y2、y3作為參考。,2020/7/27,18,4 自由度分離原則 雖然裝配夾具設計員按照3-2-1原

14、則確定了裝配夾具定位型面在空間正確位置的六個自由度，但由于這六個自由度都在同一個定位型面上，當裝配夾具制造部門安裝該型面定位器時，只要調(diào)整某一個OTP的坐標值，則其它兩個OTP的坐標值也隨著變化，給定位器的安裝帶來很多困難。因此裝配夾具設計員在設計型面定位器時，必須對這六個自由度進行分離，既當調(diào)整某個自由度時，其它自由度不發(fā)生變化。根據(jù)空間直角坐標系互相垂直的原理，裝配夾具設計員可以采用三個角板和一個平板的組合結構（如圖1所示）來解決這個困難。具體方法是：1號角板在2號角板上只能沿Y軸方向進行平移；2號角板在3號角板上只能沿Z軸方向進行平移；3號角板在平板上只能沿X軸方向進行平移。,2020/

15、7/27,19,圖1 自由度分離結構簡圖,2020/7/27,20,5 1/3公差分配原則 通常情況下，OTP的安裝公差按照1/3原則確定，即OTP的安裝公差為工程公差的1/3；當工程公差很小時，OTP的安裝公差按照1/2原則確定，即OTP的安裝公差為工程公差的1/2，但OTP的安裝公差與型面的制造公差之和不得大于工程公差的2/3。 6 OTP的設置 (1) 定位型面的設置 這種方法用于確定裝配夾具定位型面，按照定位原理只要控制了裝配夾具定位型面的六個自由度，就可以確定該型面在空間的位置。 A OTP設置 在需要定位的平面上設置三個OTP，如圖2所示。安裝OTP目標的襯套孔中心到平面邊緣的最小

16、距離為7.6mm/0.3英寸，OTP目標中心到平面的距離為7.94mm/0.3125英寸，OTP目標間的最小距離為38mm/1.5英寸。當零件上的定位面的尺寸不能使OTP間的距離達到38mm/1.5英寸時，最好按照方法2（定位孔的設置方法）設置OTP。,2020/7/27,21,圖2 定位面的設置 B OTP坐標及公差的確定 假定定位面在飛機坐標系中XOZ為第一主要平面，XOY平面為第二主要平面。則按照3-2-1原則第一個OTP的X、Y、Z三個坐標均需作為控制基準并給出公差，第二個OTP的Y、Z兩個坐標需作為控制基準并給出公差，第三個OTP僅Y坐標需作為控制基準并給出公差，余下的僅給出參考坐標

17、值，沒有公差，有關公差值按照1/3公差分配原則確定。,2020/7/27,22,(2) 定位孔的設置 這種方法用于確定小于50.8mm/2英寸見方的定位面及其上的定位孔的位置，例如K孔定位器。按照定位原理只要控制了定位孔的五個自由度，就可以確定該定位孔在空間的位置。 A OTP設置 首先在定位面的對稱中心點處制出定位孔，然后在定位孔的軸線上設置二個OTP。OTP1與定位面的垂直距離為0.3125英寸，OTP2與定位面的垂直距離為1英寸。如圖3所示。 圖3 定位孔的設置,2020/7/27,23,B OTP坐標及公差的確定 假定定位孔軸線在飛機坐標系中Z軸方向上的投影長度最大，則

18、按照3-2-1原則OTP1的X、Y、Z三個坐標均需作為控制基準并給出公差，OTP2的X、Y兩個坐標需作為控制基準并給出公差，Z坐標方向僅給出參考坐標值，沒有公差，有關公差值按照1/3公差分配原則確定。 (3) 交點孔軸線的設置 這種方法用于確定交點孔的軸線位置及端面定位位置。按照定位原理只要控制了交點孔軸線及端面位置的五個自由度，就可以確定該交點孔在空間的位置。 A OTP設置 在交點孔軸線方向上設置二個OTP。第一個OTP及第二個OTP位于交點孔的轉(zhuǎn)動軸線上，如圖4所示。對于直徑大于12.7mm/0.500英寸的交點孔，OTP1與OTP2的距離最好為304.8mm/12.000英寸；對于直徑

19、小于12.7mm/0.500英寸的交點孔，OTP1與OTP2的距離最好為152.4mm/6.000英寸。,2020/7/27,24,圖4 交點孔軸線的設置 B OTP坐標及公差的確定 假定交點孔軸線在飛機坐標系中Z軸方向上的投影長度最大，則按照3-2-1原則OTP1的X、Y、Z三個坐標均需作為控制基準并給出公差，OTP2的X、Y二個坐標均需作為控制基準并給出公差，Z坐標方向僅給出參考坐標值，沒有公差，有關公差值按照1/3公差分配原則確定。,2020/7/27,25,(4) 長圓孔的設置 這種方法用于確定長圓孔的位置。按照定位原理只要控制了長圓孔的五個自由度，就可以確定該長圓孔在空間的位置。

20、A OTP設置 確定長圓孔位置的設置方法與確定定位孔位置的方法相似，主要差別在于長圓孔的方向必須給出。具體方法是在長圓孔的理論中心（長度與寬度的中心交點處）線上設置二個OTP。第一個OTP與定位面的垂直距離為7.94mm/0.3125英寸，第二個OTP與定位面的垂直距離為25.4mm/1英寸，OTP1與OTP2用于建立長圓孔的理論方向上的向量。如圖5所示。 圖5 長圓孔的設置,2020/7/27,26,B OTP坐標及公差的確定 A) 假定長圓孔軸線在飛機坐標系中X軸方向上的投影長度最大，則按照3-2-1原則OTP1的X、Y、Z三個坐標均需作為控制基準并給出公差，OTP2的Y

21、、Z二個坐標均需作為控制基準并給出公差，X坐標方向上僅給出參考坐標值，沒有公差，有關公差值按照1/3公差分配原則確定。 B) 長圓孔本身具有兩個方向公差：即長度方向公差及寬度方向公差。 a 當長圓孔的方向與裝配夾具坐標軸系統(tǒng)垂直時，公差的確定不受長度方向公差的影響，下列公差是可以采用的： 長圓孔長度方向：0.76mm/0.030英寸 長圓孔寬度方向：由裝配夾具設計員按需給定。 b 當長圓孔的方向與裝配夾具坐標軸系統(tǒng)成一定角度時，長圓孔長度方向的公差對組合件的裝配將產(chǎn)生不利的影響，此時長圓孔長度及寬度方向的公差必須由設計員按需給出。,2020/7/27,27,(5) 定位型面上的孔的設置

22、 這種方法用于確定裝配夾具定位型面上的孔的位置。在裝配夾具定位型面上的每個定位孔，必須給出二個OTP以確定孔的位置及軸線方向。按照定位原理只要控制了每個孔的五個自由度，就可以確定該孔在空間的位置。 A OTP設置 確定裝配夾具定位型面上的孔的位置的設置方法與確定定位孔位置的方法相似。具體方法是在每個孔的理論中心線上設置二個OTP。第一個OTP與外形面的垂直距離為7.94mm/0.3125英寸，第二個OTP與外形面的垂直距離為25.4mm/1英寸，如圖6所示。 圖6 定位型面上的孔的設置,2020/7/27,28,B OTP坐標及公差的確定 假定定位型面上的孔軸線在飛機坐標系中Z軸方

23、向上的投影長度最大，則按照3-2-1原則OTP1的X、Y、Z三個坐標均需作為控制基準并給出公差，OTP2的X、Y二個坐標均需作為控制基準并給出公差，Z坐標方向上僅給出參考坐標值，沒有公差，有關公差值按照1/3公差分配原則確定。 7 OTP的管理 (1) 為了減少坐標轉(zhuǎn)換誤差，所有OTP應位于機身坐標系中，而不是位于某一局部坐標系，如機翼、尾翼等。 (2) 為了提高安裝精度，每個OTP的X、Y、Z坐標值在毫米狀態(tài)下都應至少保留二位小數(shù)。 (3) 為了便于識別及管理，OTP的編號宜采用頁次+序號的方法進行，如OTP XXX ，第一個X代表OTP所在的裝配夾具圖紙頁次，后兩個X代表OTP的流水號。每

24、頁上的OTP的編號、坐標值、公差都應列表示出。 (4) 不管由于什么原因，取消的OTP編號不許再次使用。,2020/7/27,29,裝配夾具數(shù)字化設計制造 工作流程,2020/7/27,30,1 理解裝配夾具設計技術條件及有關的裝配方案。 2 訪問工程數(shù)據(jù)庫，提取出裝配夾具設計所需的工程模型，熟悉工程要求。 3 進行總體方案設計，即進行25%設計。包括： (1) 確定裝配夾具的功能 (2) 確定裝配夾具的制造協(xié)調(diào)依據(jù) (3) 確定裝配順序 (4) 確定裝配夾具的結構和定位計劃 (5) 確定裝配夾具制造方法 (6) 確定長周期項目（鑄件、焊件、外 購件、外購材料） (7) 確定裝配夾具外廓尺寸,

25、2020/7/27,31,4 設計方案交付審查。 5 審查合格后，長周期項目信息提供給生產(chǎn)準備部門，啟動早期生產(chǎn)準備工作；審查不合格，修改25%設計，重復34。 6 取得裝配夾具原始模型，包括圖簽以及工裝標準件實體模型，按照裝配夾具CATIA數(shù)據(jù)集構造要求創(chuàng)建裝配夾具實體。 7 進行裝配夾具與飛機以及裝配夾具自身之間的干涉檢查，解決干涉及不協(xié)調(diào)問題。,2020/7/27,32,8 利用AUXVIEW（視圖）功能實現(xiàn)從三維向二維的轉(zhuǎn)換，生成二維視圖，利用DIMENSION2（尺寸）功能及TEXTD2（文字）功能進行尺寸和文字標注，生成主要的二維圖紙，包括總圖、組合件圖及關鍵定位件的零件圖，確定需

26、要數(shù)控加工的零件，按照裝配夾具光學工具點設置方法設置OTP，完成50%設計工作。 9 利用PLOT（繪圖）功能縮微打印已完成的50%設計圖紙并交付審查。 10 審查合格，把圖紙預發(fā)放給裝配夾具制造廠進行生產(chǎn)準備工作（包括大型結構件焊接、鑄件制造及數(shù)控加工件粗加工等）；審查不合格，修改50%設計，重復89。,2020/7/27,33,11 進行完善設計，完成90%設計工作。 12 縮微生成全部裝配夾具圖紙，并交付審查。 13 審查合格，把圖紙發(fā)放給裝配夾具制造廠，取替原預發(fā)放圖紙；審查不合格，修改90%設計，重復1112。 14 由專人把數(shù)據(jù)集送入工裝數(shù)據(jù)預發(fā)放區(qū)。 15 由專人把數(shù)據(jù)集從預發(fā)放

27、區(qū)送入工裝數(shù)據(jù)庫，并做備份處理。,2020/7/27,34,16 數(shù)控編程人員讀取工裝數(shù)據(jù)庫中的裝配夾具零件實體，利用CATIA生成數(shù)控加工程序，利用軟盤傳遞給數(shù)控機床。 17 利用數(shù)控機床加工裝配夾具零件。 18 質(zhì)量技術人員讀取工裝數(shù)據(jù)庫中的裝配夾具零件實體，利用CATIA生成數(shù)控加工裝配夾具零件的檢驗數(shù)據(jù)，利用軟盤傳遞給坐標測量機。 19 利用坐標測量機檢測數(shù)控加工裝配夾具零件。,2020/7/27,35,20 利用跟蹤儀安裝裝配夾具。 21 利用跟蹤儀對裝配夾具型面和關鍵定位器進行數(shù)據(jù)采集。 22 技術人員利用CATIA進行擬合分析。 23 根據(jù)分析結果對裝配夾具進行適當調(diào)整。 24 利用裝配夾具進行試裝。,2020/7/27,36,結束語 數(shù)字化技術的應用全面提升了裝配夾具設計制造水平，實現(xiàn)了裝配夾具設計、制造、檢測的數(shù)字量傳遞，重組了裝配夾具設計制造流程，縮短了生產(chǎn)準備周期，取得了重大經(jīng)濟效益，從根本上改變了傳統(tǒng)的飛機裝配夾具設計制造模式，代表了未來國內(nèi)飛機裝配夾具設計制造技術發(fā)展的方向。CAD/CAM技術發(fā)展日新月異，再加上本人的水平和經(jīng)驗有限，因此不可避免地存在缺點和不當之處，懇切希望各位給予指正。,