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作者：靳江艷黃翔盧鵠李瀧杲單位：南京航空航天大學機電學院上海飛機制造有限公司

飛機裝配工裝設計描述

飛機產品與一般機械產品不同，其裝配過程不能單獨依靠零件自身形狀和尺寸加工的準確性來裝配出合格的產品，必須采用裝配工藝裝備（簡稱裝配工裝）來保證產品的裝配質量。飛機裝配工裝是飛機產品在完成從零組件到部件的裝配及總裝配過程中，用以控制其形狀幾何參數，且具有定位功能的專用工藝裝備，一般包括骨架、定位和夾緊裝置、輔助設備等組成結構。

飛機研制過程是一個反復迭代、逐步逼近的過程，現代飛機研制正在由過去的串行開發模式向數字化產品、工藝和工裝協同設計的方向發展。在飛機制造企業，工藝設計部門根據下發的產品設計數模，進行裝配工藝方案設計，并提出工裝設計申請。工裝設計部門依據數字化產品定義和裝配工藝要求完成設計，可根據產品設計成熟度狀態及時調整和修改裝配工藝方案和工裝設計方案，并及時反饋工裝設計對工藝規劃和產品設計的需求。因此，飛機裝配工裝設計問題可描述為產品設計、工藝規劃與工裝設計融合與迭代的過程，如圖1所示。

信息視域表示

飛機裝配工藝設計需對裝配工藝裝備的功用、結構和性能提出設計技術要求，需明確給出需要定位和夾緊的部位及相關特征。在數字化環境下，這些部位和特征即為工裝設計的原始幾何依據，工裝設計通過提取這些部位和特征來完成。因此，定義產品設計、工藝規劃和工裝設計三個階段的信息構成，包括幾何信息和語義信息，為建立三者之間的映射關系奠定基礎。

1設計信息域

飛機設計所發放的飛機設計模型是面向功能描述的，表達了按設計分離面劃分的結構和零部件之間的組成關系，是進行后續工藝設計和產品生產的依據。

設計信息域是基于產品設計結構表示的各種關鍵設計數據的數字化定義和表示，是設計者設計意圖的體現。設計信息域包括產品設計結構描述、設計基準和除設計基準外的設計特征（幾何形狀及相關屬性描述），用表示；產品設計結構模型即產品結構樹，用表示；設計基準是對部件設計中的部件軸線、設計基準面、結構軸線等信息的數字化定義和表示，用表示；設計特征是待裝配零部件的數模構成特征的定義和表示，用DdSdDdF表示。D可表示為

2工藝信息域

工藝信息域是基于裝配工藝結構表示，反映裝配工藝意圖的結構形狀的工藝信息集合。飛機部件裝配工藝設計包含眾多研究內容，本文的工藝信息域僅包含與工裝申請和工裝設計相關的工藝信息描述。工藝信息域包括裝配工藝結構表示、裝配工藝基準及關鍵部位或特征，用表示；裝配工藝結構即裝配工藝樹，是對裝配單元劃分和裝配順序的數字化表示，用PpS表示；裝配工藝基準是對零部件的定位基準、裝配基準、測量基準和混合基準及其定位方式的描述，用pD表示；關鍵部位或特征是對關鍵型面、結構交點等能夠對裝配準確度產生影響的互換協調部位或特征的定義和表示，用pF表示。數學表達式為

3工裝信息域

工裝信息域是面向裝配任務的，由用于支持工裝概念設計的一組結構形狀及其相關工藝描述構成的工藝信息集合。工裝信息域起兩個作用：輔助工藝設計人員制定工裝申請單和為工裝概念設計提供設計參考。工裝信息域包括工裝設計基準、定位及夾緊信息和輔助裝置信息，用T表示。工裝設計基準包括安裝基準和構件制造基準，盡量與產品設計基準保持一致，用表示定位及夾緊信息是對產品上需要工裝定位的關鍵部位或特征的數字化定義和描述，包括該類結構的幾何信息、位置信息和精度信息等，用tL表示，是工裝定位件、夾緊件和骨架的設計參考；輔助裝置信息是對產品上需要使用輔助裝置支承或調整的部位或特征的數字化描述，用ttD。A表示。工裝信息域的數學描述為

基于多色集合的映射模型

1多色集合理論

俄羅斯Pavlov教授于1995年提出多色集合的概念，并于2002年提出多色集合的體系結構。多色集合理論的核心思想是使用相同的數學模型來仿真不同的對象，例如設計過程、工藝規劃和生產系統等，描繪元素間的層次結構和復雜關系。多色集合理論在問題的形式化研究方面前進了一步，主要應用于產品概念設計建模、公差信息模型構建、零件加工工藝建模、裝配工藝建模和過程建模等研究領域。

傳統集合是元素的全體，集合中的元素僅名字不同，元素的其他性質都沒有表示出來。在多色集合中，集合整體本身和它的組成元素都能夠同時被涂上一些不同的顏色，用來表示研究對象和它的元素性質。對應于多色集合整體性質的著色稱為統一顏色，對應于元素性質的著色稱為個人顏色。元素個人顏色的存在是多色集合統一顏色存在的首要原因，二者之間的關系可表示為其中，若個人顏色if影響到統一顏色jF的存在，則1ijc=，否則=0。ijc

2映射過程描述

設計域向工裝域的映射包含兩個過程：產品設計結構向裝配工藝結構的轉換和設計特征向工裝信息的映射。本文著重論述后者。工裝信息主要是明確產品在工裝上需要控制的部位、特征或方向，通過提取這些信息的幾何特征及其工藝屬性描述完成工裝設計。當產品信息更改時，相應的工藝屬性和工裝信息也要發生變化。映射過程分為兩個階段。在第一階段，首先由待裝配零件的典型設計結構推理出該結構所包含的工藝特征信息，根據特征幾何屬性推理出每個特征所對應的特征元及其約束信息；第二階段，提煉工裝申請語義信息，結合第一階段的推理結果，得到工裝信息，建立產品設計信息、裝配工藝信息與工裝信息三者之間的派生關系。兩個階段的映射模型如圖2和圖3所示。給映射模型的每層節點和邊著色，采用多色集合層次結構模型來表示上述映射模型。關于多色集合層次模型的相關介紹請參閱文獻。第一階段的映射過程如下：(1)從待裝配零件抽取典型設計結構，得到第一層的統一顏色值，具有該類型的部位或特征對應的顏色值為1，否則為0。(2)根據工藝基準和需要控制的關鍵部位或特征定義第二層顏色。作為工藝基準的部位和關鍵部位及特征對應的顏色值為1，否則為0。(3)將工藝特征所包含的特征元作為第三層顏色。在第二階段，給出工裝申請語義信息，建立特征元信息與工裝信息之間的映射關系，得到工裝信息。

3映射關系建立

通過分析與飛機設計、工藝規劃和工裝設計相關的領域知識，并與工藝設計專家進行深入交流，建立各層之間的顏色及映射關系。

(1)第一階段

第一層：通過對文獻給出的一般裝配工藝基準選擇依據進行分析，可以看出裝配工藝基準通常為零件外形、孔、叉耳等。因此，按上述結構形狀對零件結構進行歸類，為工藝特征的確定奠定基礎。建立典型設計結構與工藝特征以及工藝特征與特征元之間的映射關系矩陣如表1和表2所示。利用表1與表2所表示的映射關系，得到零件典型結構所對應的工藝特征和特征元信息。特征元的信息附帶了相關約束信息：①線：平行于X軸的直線、平行于Y軸的直線、平行于Z軸的直線或其他直線；②平面：垂直于X軸的平面、垂直于Y軸的平面、垂直于Z軸的平面或其他平面；③自由曲面。

(2)第二階段

工裝申請語義由工藝專家給出，需指出待定位零件部位及需要約束的方向，根據此類語義信息，遍歷第一階段形成的設計-工藝-特征元之間的映射關系，從中抽取與工裝設計相關的知識形成工裝信息。

實例應用

某公司飛機艙門骨架裝配模型如圖5所示。

基于上述建模方法和流程，以CATIA系統為平臺，采用CAA工具開發相關信息映射工具。應用該工具為公司構建了某機型艙門骨架從產品設計到工裝信息的映射機制，完成了骨架設計信息向其工裝信息的映射，建立了骨架設計信息、工藝信息及其工裝信息之間的語義關系和幾何關系。并運用該工具生成工裝申請單，構建工裝概念信息模型。應用過程如圖5所示。骨架裝配工裝設計基準采用與骨架相同的設計基準。以骨架上口框為例說明設計信息域向工裝信息域的映射過程。

(1)給出工裝申請語義，骨架上口框需要控制其外形和Z方向。

(2)上口框的典型結構包括：外形面、孔。上口框外形與蒙皮貼合，是需要控制的關鍵部位。根據表1和表2的映射關系，控制外形的定位方式可以選擇外形面（平面或曲面）、工藝孔或工藝接頭定位。因要嚴格控制上口框外形準確度，故選擇整個外形面作為控制對象，并設置壓緊裝置。

(3)搜索特征元信息，找到Z軸垂直的面作為Z方向的定位特征；若沒有，則需通過其他形狀特征定位該方向。

(4)提取相關零件設計特征及其屬性信息（精度要求、功能要求等），建立與工裝信息之間的關系。

(5)按照上述過程完成其他待裝配零件與其工裝元件之間的語義和幾何關系的建立。

結論

(1)針對飛機制造企業需求，建立針對飛機產品設計、工藝規劃和裝配工裝概念的信息域，并對各域之間的映射機理進行研究，從而建立了設計-工藝-工裝之間的有機聯系。

(2)引入多色集合理論，構建分層映射模型，并給出相關建模原理和建模過程。該模型能夠準確、完整地描述各視域結構信息之間的映射關系，具有表達直觀、實用性強、便于計算機實現等優點，為飛機產品協同設計提供了一條新思路，能夠顯著提高飛機研制各環節之間的響應速度，從而提高設計效率。

(3)后續工作可對工藝域所表達的知識進行拓展，研究工藝域與其他特征域（如容差分析域、數字化測量域等）之間的映射模型構建機理。