航空学报08大飞机专刊(55)

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　　飞机制造大型工装是飞机及其部件和段件在装配、焊接、检验和精加工等过程中 ,控制其形状几何参数所使用的具有定位功能的专用工艺装备 ,如装配型架、大型焊接工装、精加工型架、检验架等 ,具有体积庞大、结构复杂、尺寸协调困难、装配位置准确度要求高、协调安装过程复杂等特点和难点 [1]。飞机制造大型工装的设计和制造工作量大 ,但周期要求越来越短。
布局设计是概念设计的一个重要环节 ,是对产品构成要件进行分解、重组与再创造 ,获得合理布局方案的过程。目前布局理论的研究重点围绕二维、三维的实体布局、空间布局和智能布局 ,主
收稿日期 :2007209203 ;修订日期 :2007212210基金项目 :国家科技支撑计划 (2006BAF01A43)通讯作者 :潘志毅 E2mail : panzhiyi @nuaa. edu. cn
要集中在抽象层 ,其布局对象是一个泛化的概念 ,而产品布局包含了应用层次上的问题 ,必须结合具体布局对象一起加以考虑 [2]。国内外学者针对机床夹具布局设计方法进行了研究 ,主要采用线性规划、序列二次规划法、遗传算法和多目标优化算法等 [325] ,目前未查阅到有关大型工装布局设计的研究。
与普通机械产品相比 ,飞机制造大型工装的布局设计具有如下特点 :①是概念设计的主体内容 ,决定了功能结构和人机工程等要素 ;②受到航空产品的制约 ,除了考虑工装内部约束之外 ,还需考虑与产品的约束 ;③受到飞机生产准备周期的制约 ,工装骨架要求提前设计完成并进行焊接时效 ,而骨架设计与定位夹紧件设计存在耦合关系 ,这对骨架布局设计的准确性提出了高要求。

 

文献 [627]结合 FixCAD系统项目 ,分别研究了飞机装配型架接头定位器和骨架的快速设计方法 ,并开发了相关设计工具 ,在很大程度上提高了设计效率 ,但未考虑以下因素 :①将型架元件作为独立的对象进行研究 ,未考虑元件与飞机产品、元件之间的内在联系、协调环节与设计迭代 ,以及开敞性、刚度要求和人机工程等设计约束的影响。
②主要研究标准结构 ,但飞机产品结构紧凑、空间狭窄 ,造成型架元件设计自由度大 ,设计结果常常因机型而异、因人而异 ,因此非标准结构应用更为广泛。
当前 ,国内飞机制造大型工装设计缺乏有效的计算机辅助概念设计工具 ,设计人员凭借经验进行骨架设计常常造成定位夹紧件结构复杂 ,甚

1　布局问题描述
飞机制造大型工装主要由骨架、定位夹紧件和辅助装置组成 ,前两者构成工装的主体。骨架是工装的基体 ,主要用于定位夹紧件的固定和支撑 ,同时确保这些元件空间位置的准确性和稳定性。定位夹紧件是用于固定和压紧工件以确定产品几何参数或尺寸要素的元件 ,包括工作件和支撑件两部分。辅助装置包括产品支承调整装置、产品进出架吊运装置、工作架和工作梯等 [1]。
飞机制造大型工装的结构可以表示成由骨架元件 (梁、柱等 )集合 F、定位夹紧件集合 L、辅助装置集合 E和关系 R构成的四元组 :
J = (F,L,E,R) (1)　　工装元件之间的关系 R描述如下 :
(1)
将产品结构中与定位夹紧件连接的部分称为产品定位特征 P ,则一个定位夹紧件一般连接一个产品定位特征 ,但有时考虑到开敞性等因素 ,可能连接多个定位特征 ,即定位夹紧件由一个支撑件和若干工作件组成。

(2)
以骨架元件上是否安装定位夹紧件为依据 ,将骨架元件分为骨架主元件 FM和骨架次元件 FS。一个骨架主元件上可能连接一个或多个定位夹紧件。

(3)所有骨架元件焊接成一个整体 ,固定在
地基或底座 B上。因此 ,飞机制造大型工装的布局设计可以看做是产品定位特征依次通过定位夹紧件和骨架传递到地基的过程。飞机制造大型工装的布局问题可以描述成一个 4层树状结构 ,如图 1所示。

图 1　飞机制造大型工装的布局问题描述 Fig1 1　Description of layout for large tooling in aircraft manu2 facture
将上述 4层结构中的各结点分别封装成集合 ,建立它们之间的依次映射 ,则关系 R可表示为 R=P →L → F →B(2)
2　逻辑构件
设计空间是表示产品功能组件的一组抽象元素 ,一个设计空间实际上是被一个功能单元占用的子空间 ,即一个代表逻辑功能的子装配或组件的容器 [8]。引入逻辑构件概念 ,以逻辑构件的形式来表达飞机制造大型工装的设计空间和约束 ,以支持工装布局设计。
逻辑构件 (Logic Component ,LC)是真实结构的抽象表达 ,只强调与本设计阶段相关的信息 ,忽略其他信息 ,在粒度上可以是零部件 ,也可以是一些基本几何元素。逻辑构件具有形式化描述产品构成中特定功能需求的能力 ,包括一定的设计功能语义 ,具有高度的抽象性 [9210 ]。
飞机制造大型工装布局设计在概念设计阶段
完成 ,以避免工装结构大范围的设计迭代。此时 ,
运用逻辑构件对工装结构进行抽象描述 ,即将与
工装布局设计有关的关键信息提取出来进行抽象
建模 ,而不考虑工装结构具体的零组件数据信息。
大型工装逻辑构件是一组表征工装各主要元件布
局位置和相互关系的基本几何元素 ,由其主要功
能元件的逻辑构件综合表征。大型工装的布局设
计主要围绕定位夹紧件和骨架的设计 ,以下分别
研究它们的逻辑构件表示。

 

21 1　定位夹紧件逻辑构件的表示
随着航空产品结构复杂度的增加 ,以及标准定位夹紧件逐渐暴露出来的结构笨重和操作繁琐等缺点 ,工装设计过程中非标准定位夹紧件被大量采用。本文从不同的结构形式中抽象出一种统一的定位夹紧件表示方法 ,即对定位夹紧件逻辑构件进行表示。
依据对飞机制造大型工装布局问题的论述 ,定位夹紧件设计受到定位特征和骨架结构的制约。产品定位特征 (接头和工艺孔等 )与定位夹紧件工作件的连接方式为定位面贴合与定位孔轴对

 

(OH,V),且 H ∈ Fj (3)式中 :L表示定位夹紧件 ; Fj为骨架元件轴线。
定位夹紧件逻辑构件表征定位夹紧件的布局特征和设计要点 ,在此基础上可初步确定定位夹紧件的位置、刚度、开敞性、拆卸要求等 ,其几何表示如图 2所示。

图 2　定位夹紧件逻辑构件的几何表示 Fig1 2　Geometric description of logical component of locator
21 2　骨架逻辑构件的表示
骨架由若干标准型材零件焊接而成 ,零件截面形状沿轴线方向保持一致。为简化工装安装过程 ,一般要求骨架元件轴线方向与定位方向垂直或平行。为保证工作件到达骨架的路径最短 ,定
　
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