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　　飛機制造大型工裝是飛機及其部件和段件在裝配、焊接、檢驗和精加工等過程中 ,控制其形狀幾何參數所使用的具有定位功能的專用工藝裝備 ,如裝配型架、大型焊接工裝、精加工型架、檢驗架等 ,具有體積龐大、結構復雜、尺寸協調困難、裝配位置準確度要求高、協調安裝過程復雜等特點和難點 [1]。飛機制造大型工裝的設計和制造工作量大 ,但周期要求越來越短。
布局設計是概念設計的一個重要環節 ,是對產品構成要件進行分解、重組與再創造 ,獲得合理布局方案的過程。目前布局理論的研究重點圍繞二維、三維的實體布局、空間布局和智能布局 ,主
收稿日期 :2007209203 ;修訂日期 :2007212210基金項目 :國家科技支撐計劃 (2006BAF01A43)通訊作者 :潘志毅 E2mail : panzhiyi @nuaa. edu. cn
要集中在抽象層 ,其布局對象是一個泛化的概念 ,而產品布局包含了應用層次上的問題 ,必須結合具體布局對象一起加以考慮 [2]。國內外學者針對機床夾具布局設計方法進行了研究 ,主要采用線性規劃、序列二次規劃法、遺傳算法和多目標優化算法等 [325] ,目前未查閱到有關大型工裝布局設計的研究。
與普通機械產品相比 ,飛機制造大型工裝的布局設計具有如下特點 :①是概念設計的主體內容 ,決定了功能結構和人機工程等要素 ;②受到航空產品的制約 ,除了考慮工裝內部約束之外 ,還需考慮與產品的約束 ;③受到飛機生產準備周期的制約 ,工裝骨架要求提前設計完成并進行焊接時效 ,而骨架設計與定位夾緊件設計存在耦合關系 ,這對骨架布局設計的準確性提出了高要求。

 

文獻 [627]結合 FixCAD系統項目 ,分別研究了飛機裝配型架接頭定位器和骨架的快速設計方法 ,并開發了相關設計工具 ,在很大程度上提高了設計效率 ,但未考慮以下因素 :①將型架元件作為獨立的對象進行研究 ,未考慮元件與飛機產品、元件之間的內在聯系、協調環節與設計迭代 ,以及開敞性、剛度要求和人機工程等設計約束的影響。
②主要研究標準結構 ,但飛機產品結構緊湊、空間狹窄 ,造成型架元件設計自由度大 ,設計結果常常因機型而異、因人而異 ,因此非標準結構應用更為廣泛。
當前 ,國內飛機制造大型工裝設計缺乏有效的計算機輔助概念設計工具 ,設計人員憑借經驗進行骨架設計常常造成定位夾緊件結構復雜 ,甚

1　布局問題描述
飛機制造大型工裝主要由骨架、定位夾緊件和輔助裝置組成 ,前兩者構成工裝的主體。骨架是工裝的基體 ,主要用于定位夾緊件的固定和支撐 ,同時確保這些元件空間位置的準確性和穩定性。定位夾緊件是用于固定和壓緊工件以確定產品幾何參數或尺寸要素的元件 ,包括工作件和支撐件兩部分。輔助裝置包括產品支承調整裝置、產品進出架吊運裝置、工作架和工作梯等 [1]。
飛機制造大型工裝的結構可以表示成由骨架元件 (梁、柱等 )集合 F、定位夾緊件集合 L、輔助裝置集合 E和關系 R構成的四元組 :
J = (F,L,E,R) (1)　　工裝元件之間的關系 R描述如下 :
(1)
將產品結構中與定位夾緊件連接的部分稱為產品定位特征 P ,則一個定位夾緊件一般連接一個產品定位特征 ,但有時考慮到開敞性等因素 ,可能連接多個定位特征 ,即定位夾緊件由一個支撐件和若干工作件組成。

(2)
以骨架元件上是否安裝定位夾緊件為依據 ,將骨架元件分為骨架主元件 FM和骨架次元件 FS。一個骨架主元件上可能連接一個或多個定位夾緊件。

(3)所有骨架元件焊接成一個整體 ,固定在
地基或底座 B上。因此 ,飛機制造大型工裝的布局設計可以看做是產品定位特征依次通過定位夾緊件和骨架傳遞到地基的過程。飛機制造大型工裝的布局問題可以描述成一個 4層樹狀結構 ,如圖 1所示。

圖 1　飛機制造大型工裝的布局問題描述 Fig1 1　Description of layout for large tooling in aircraft manu2 facture
將上述 4層結構中的各結點分別封裝成集合 ,建立它們之間的依次映射 ,則關系 R可表示為 R=P →L → F →B(2)
2　邏輯構件
設計空間是表示產品功能組件的一組抽象元素 ,一個設計空間實際上是被一個功能單元占用的子空間 ,即一個代表邏輯功能的子裝配或組件的容器 [8]。引入邏輯構件概念 ,以邏輯構件的形式來表達飛機制造大型工裝的設計空間和約束 ,以支持工裝布局設計。
邏輯構件 (Logic Component ,LC)是真實結構的抽象表達 ,只強調與本設計階段相關的信息 ,忽略其他信息 ,在粒度上可以是零部件 ,也可以是一些基本幾何元素。邏輯構件具有形式化描述產品構成中特定功能需求的能力 ,包括一定的設計功能語義 ,具有高度的抽象性 [9210 ]。
飛機制造大型工裝布局設計在概念設計階段
完成 ,以避免工裝結構大范圍的設計迭代。此時 ,
運用邏輯構件對工裝結構進行抽象描述 ,即將與
工裝布局設計有關的關鍵信息提取出來進行抽象
建模 ,而不考慮工裝結構具體的零組件數據信息。
大型工裝邏輯構件是一組表征工裝各主要元件布
局位置和相互關系的基本幾何元素 ,由其主要功
能元件的邏輯構件綜合表征。大型工裝的布局設
計主要圍繞定位夾緊件和骨架的設計 ,以下分別
研究它們的邏輯構件表示。

 

21 1　定位夾緊件邏輯構件的表示
隨著航空產品結構復雜度的增加 ,以及標準定位夾緊件逐漸暴露出來的結構笨重和操作繁瑣等缺點 ,工裝設計過程中非標準定位夾緊件被大量采用。本文從不同的結構形式中抽象出一種統一的定位夾緊件表示方法 ,即對定位夾緊件邏輯構件進行表示。
依據對飛機制造大型工裝布局問題的論述 ,定位夾緊件設計受到定位特征和骨架結構的制約。產品定位特征 (接頭和工藝孔等 )與定位夾緊件工作件的連接方式為定位面貼合與定位孔軸對

 

(OH,V),且 H ∈ Fj (3)式中 :L表示定位夾緊件 ; Fj為骨架元件軸線。
定位夾緊件邏輯構件表征定位夾緊件的布局特征和設計要點 ,在此基礎上可初步確定定位夾緊件的位置、剛度、開敞性、拆卸要求等 ,其幾何表示如圖 2所示。

圖 2　定位夾緊件邏輯構件的幾何表示 Fig1 2　Geometric description of logical component of locator
21 2　骨架邏輯構件的表示
骨架由若干標準型材零件焊接而成 ,零件截面形狀沿軸線方向保持一致。為簡化工裝安裝過程 ,一般要求骨架元件軸線方向與定位方向垂直或平行。為保證工作件到達骨架的路徑最短 ,定
　
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