1.引言
航空發(fā)動機零件的種類繁多，其中有相當(dāng)數(shù)量的零部件形狀不規(guī)則，這些零部件的機械加工、組件的焊接或裝配都需要相應(yīng)的工裝夾具來輔助完成，檢驗也需要專用量具來輔助完成，因此，工藝裝備在航空發(fā)動機生產(chǎn)中發(fā)揮了較大的作用。近年來，公司的科研生產(chǎn)任務(wù)日益繁重，工裝的需求量也隨之增多，二維軟件已經(jīng)滿足不了工裝設(shè)計的需要，選用三維軟件設(shè)計工裝勢在必行；UG軟件是我們行業(yè)系統(tǒng)選定的設(shè)計平臺，2004年8月，工裝設(shè)計部門成立技術(shù)小組，以UGNX3.0為平臺，進(jìn)行了產(chǎn)品零件造型、常用標(biāo)準(zhǔn)件庫建立、一般零件工裝設(shè)計及系列零件工裝設(shè)計等方面的學(xué)習(xí)和研究，為以后在整個部門大面積使用UG軟件做好前期準(zhǔn)備工作。
2.產(chǎn)品零件造型
不管多么復(fù)雜的零件，都是由一些簡單特征組成的。對產(chǎn)品零件進(jìn)行造型時，首先要充分理解設(shè)計意圖，認(rèn)真分析產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，將其化整為零，分解成若干簡單特征，再確定造型的先后順序，這樣操作起來就簡單多了。
UG實體建模提供了一組豐富的支持各種建模操作的工具集，使設(shè)計過程有更多的靈活性，用戶可以根據(jù)設(shè)計意圖選擇正確的建模策略；為了便于編輯修改，必須建立全相關(guān)、參數(shù)化的模型。在建模過程中要合理運用層的概念，給不同的特征設(shè)定相應(yīng)的層，根據(jù)需要設(shè)定為可選或不可選，這樣操作界面就很清晰。
下面是一個盤環(huán)類零件（如圖1）模型創(chuàng)建的過程。
圖1
1）分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 該零件由三部分構(gòu)成：回轉(zhuǎn)體、沿圓周分布的孔和腔體、一組均布的槽。
2）創(chuàng)建三個固定基準(zhǔn)面：XY平面、XZ平面、YZ平面，三個固定基準(zhǔn)軸：X軸、Y軸、Z軸。
3）生成回轉(zhuǎn)體：建立草圖，選擇XZ平面為草圖平面，用草圖中的直線命令繪制回轉(zhuǎn)體橫截面的形狀，不影響繪圖標(biāo)注的倒角和圓角忽略；添加幾何約束和尺寸約束使草圖完全約束，結(jié)束草圖。再選擇草圖為掃描的截面線串，X軸為旋轉(zhuǎn)軸，建立旋轉(zhuǎn)體特征。進(jìn)行倒角操作。
4）生成沿圓周分布的孔和腔體：這組孔共18個，其中17個孔按18孔沿圓周均布，1孔偏置。用成形特征創(chuàng)建1個孔，然后環(huán)形陣列生成18個均布的孔，再將偏置位置的1孔抑制；按偏置孔和腔體的形狀位置創(chuàng)建草圖，再對草圖進(jìn)行拉伸切除，得到偏置孔和腔體。
5）生成均布槽：建立草圖，選擇回轉(zhuǎn)體的端面為草圖平面，繪制一條通過回轉(zhuǎn)中心的直線并轉(zhuǎn)換為參考的，確定直線與基準(zhǔn)面的夾角，繪制四邊形，添加約束使一組相對邊與參考直線平行并保證尺寸，剩余的一組相對邊不必約束，手工拖動使圖形將均布槽的圓周厚度包含在內(nèi)即可；對草圖進(jìn)行拉伸切除，拉伸深度等于槽深。再環(huán)形陣列生成24個均布槽。
3.標(biāo)準(zhǔn)件庫建立
設(shè)計工裝時，需要用到大量的標(biāo)準(zhǔn)件，為了減少不必要的重復(fù)勞動，就必須要建立設(shè)計中常用的標(biāo)準(zhǔn)件庫。
部件族功能用于以一個部件（模板部件）為基礎(chǔ)，借助于UG的建模電子表單工具，快速建立一系列形狀相同但某些參數(shù)取值不同的部件。這一功能特別適合于標(biāo)準(zhǔn)件或通用件的建立。
下面用球面帶肩螺母（GB2149-80）來介紹標(biāo)準(zhǔn)件的創(chuàng)建。
1）標(biāo)準(zhǔn)件的命名和存放路徑作相應(yīng)規(guī)定；部件名：GB2149-80;存放路徑：D:UG_VolSTDSTD_PARTGB。
2）創(chuàng)建模板部件。在造型過程中，對于需要在部件族中變化的參數(shù)，其表達(dá)式名要盡量取有意義和容易識別的名稱。為模型添加屬性：名稱和附注。
3）建立部件族。打開部件族對話框，定義部件族要利用的參數(shù)列，從可用列表框中選定所有需要的參數(shù)列，添加到已選用參數(shù)的列表框中。指定部件族保存目錄：D:UG_VolSTDSTD_PARTGB。單擊“創(chuàng)建”，進(jìn)入部件族電子表格。
4）創(chuàng)建部件族電子表格。填寫每個部件成員的部件名稱、相關(guān)參數(shù)、屬性等內(nèi)容，每一行表示一個成員部件的參數(shù)。定義完成后，保存電子表格，再保存部件族，自動返回到UG界面（如圖2）。
圖2
5）保存。在部件族對話框中，單擊“確定”；保存部件文件。
按上述步驟操作，再創(chuàng)建其余標(biāo)準(zhǔn)件的部件族，就逐步形成了常用標(biāo)準(zhǔn)件庫，通過局域網(wǎng)共享，滿足整個部門的需要。裝配時，直接調(diào)用部件族的匹配成員，添加相應(yīng)的配對約束即可，部件族的屬性可以方便裝配的明細(xì)統(tǒng)計。圖3是調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件GB2149-80的示例。、
圖3
4.一般零件工裝設(shè)計
設(shè)計工裝就要用到裝配技術(shù)，UG裝配建模的方法有兩種：從底向上設(shè)計和自頂向下設(shè)計。從底向上設(shè)計是指在生成單個零件的基礎(chǔ)上，通過給定相配零件之間的配對約束關(guān)系，得到裝配體的過程；自頂向下設(shè)計是指在裝配環(huán)境中創(chuàng)建相關(guān)零部件，從裝配頂級向下產(chǎn)生子裝配和零件的裝配設(shè)計過程；在實際應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況交替使用這兩種設(shè)計方法。在工裝設(shè)計中，與產(chǎn)品零件直接發(fā)生關(guān)系或相互之間影響尺寸、形狀、位置關(guān)系的非標(biāo)件的建立要采用自頂向下設(shè)計，而標(biāo)準(zhǔn)件可通過從底向上的設(shè)計方法加入到裝配中來。
在工裝設(shè)計的建模過程中，產(chǎn)品零件作為工裝的第一個成員組件調(diào)入裝配中，然后以它為基礎(chǔ)逐步生成工裝零部件。基于產(chǎn)品零件生成工裝定位、壓緊件，還有其他相關(guān)性非標(biāo)件的設(shè)計都要用到WAVE技術(shù)。UG的WAVE技術(shù)是一種基于裝配建模的相關(guān)性參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，利用它可以在不同部件之間建立參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，即所謂“部件間關(guān)聯(lián)”關(guān)系，實現(xiàn)部件之間幾何對象的相關(guān)復(fù)制。工裝設(shè)計過程中，利用WAVE幾何鏈接器在部件中建立相關(guān)的幾何體，鏈接的幾何體相關(guān)到它的父幾何體，改變父幾何體會引起在所有其他部件中鏈接的幾何體自動地更新。使用WAVE技術(shù)要特別注意，不能建立WAVE循環(huán)鏈，即WAVE組件A→組件B→組件C→組件A。
裝配建模過程中，在各組件中利用良好的引用集策略，可以加快裝配模型載入內(nèi)存的速度，減少內(nèi)存空間占用，并能避免圖形窗口中出現(xiàn)混亂的顯示情況。
下面，以上述盤環(huán)類零件的均布槽加工夾具（如圖4）簡單介紹一下工裝的設(shè)計過程。
圖4
1）建立新的部件文件；然后進(jìn)入裝配→加入已存部件，選擇盤環(huán)類零件調(diào)入裝配體，引用集選已定義好的用戶自定義引用集，定位方式選默認(rèn)的絕對坐標(biāo)系定位。
2）進(jìn)入裝配→創(chuàng)建新的組件；再將該組件設(shè)定為工作部件，用WAVE幾何鏈接器選取需要的幾何對象，以這些相關(guān)性的幾何對象為基礎(chǔ)開始建立模型。
3）重復(fù)上一步驟，直到創(chuàng)建完成工裝所有的非標(biāo)件。
4）工裝設(shè)計過程中，可以在需要的時候（例如要依靠標(biāo)準(zhǔn)件生成新的特征），穿插著調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)件。進(jìn)入裝配→加入已存部件，依次調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)件，并為其添加相應(yīng)的配對約束關(guān)系；對于有陣列關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)件或標(biāo)準(zhǔn)件組（壓板組件，包括壓板、調(diào)節(jié)螺栓、螺母、墊圈、螺柱、彈簧等），裝配完一組，進(jìn)入裝配→建立組件陣列，能快速生成其他幾組。
5.系列零件工裝設(shè)計
在航空發(fā)動機零部件中，有一些零部件的形狀相同但某些參數(shù)取值不同，其加工工藝相同，因此工裝的結(jié)構(gòu)也是相同的。對于這些系列零件的工裝，手工繪圖和二維CAD設(shè)計時我們采用的辦法就是逐個進(jìn)行設(shè)計，或者先設(shè)計一套，再復(fù)制加修改得到下一套；使用復(fù)制加修改的方法使設(shè)計效率得到了提高，也能減輕部分工作量，但是也存在一些問題，裝配中由產(chǎn)品零件得到的工裝定位壓緊尺寸修改以后，與之相關(guān)工裝零部件的圖形和尺寸不會自動更新（沒有參數(shù)化功能），相關(guān)尺寸只能由設(shè)計人員逐一計算修改，一般不對圖形進(jìn)行改動，因此很容易產(chǎn)生漏改或錯改情況以及裝配關(guān)系的干涉情況，這樣就埋下了質(zhì)量隱患。
在使用UG對工裝設(shè)計的整個流程進(jìn)行嘗試并逐步熟練掌握以后，我們進(jìn)行了系列零件工裝設(shè)計的研究工作。我們針對系列零件工裝的設(shè)計思路是，用系列零件的任一規(guī)格來建立工裝的裝配模型，只需要通過簡單操作，替換系列零件的不同規(guī)格就能快速、準(zhǔn)確、自動地生成新工裝。因為UG具有強大的參數(shù)化和相關(guān)性的設(shè)計功能，只要能夠保證替換前后產(chǎn)品零件與工裝零件之間的所有關(guān)系保持不變，我們的設(shè)想就能實現(xiàn)。
解決系列零件工裝設(shè)計的問題，關(guān)鍵就在于解決替換前后產(chǎn)品零件與工裝零件之間所有關(guān)系保持不變這個問題上。用分別創(chuàng)建的系列零件不同規(guī)格在裝配中進(jìn)行替換時，設(shè)計中與產(chǎn)品零件之間建立的WAVE鏈接關(guān)系全部斷開，新替換的系列零件規(guī)格與工裝沒有關(guān)系，工裝結(jié)構(gòu)尺寸也就不會因為替換發(fā)生改變，所以這種辦法行不通。經(jīng)過不斷的嘗試，我們發(fā)現(xiàn)要實現(xiàn)替換前后產(chǎn)品零件與工裝零件之間所有關(guān)系保持不變，必須使系統(tǒng)認(rèn)識到用于替換的兩個模型的一致性。我們已經(jīng)找到了兩種解決替換問題的方法：方法一，首先創(chuàng)建系列零件任意一個規(guī)格的模型，再對該模型進(jìn)行修改另存為其他規(guī)格，直到生成系列零件的所有規(guī)格。方法二，將系列零件定義為部件族，每一個規(guī)格都是部件族的一個成員部件；只要定義一個模板部件，在部件族的電子表單中定義系列零件每個規(guī)格的參數(shù)即可。采用這兩種方法創(chuàng)建的系列零件模型，都能保證工裝裝配模型中替換前后產(chǎn)品零件與工裝零件之間的所有關(guān)系保持不變，從而實現(xiàn)快速設(shè)計工裝的目的。
我公司某型號系列葉片（共6級）加工夾具（如圖5）的設(shè)計，我們運用了將葉片模型定義為部件族的方法，由1名設(shè)計員用2周的時間完成；經(jīng)過校對，發(fā)現(xiàn)設(shè)計出來的6套夾具結(jié)構(gòu)尺寸完全正確。
圖5
如果把這批工裝分為單項進(jìn)行設(shè)計，需要6名設(shè)計員用1周的時間來完成。經(jīng)實踐證明，這種方法行之有效。
6.結(jié)束語
采用UGNX3.0設(shè)計工裝，軟件強大的相關(guān)性參數(shù)化建模功能，使設(shè)計中的修改編輯更加可靠、快速，解決了二維軟件設(shè)計容易出現(xiàn)的裝配干涉、圖形與實際尺寸不符等問題。經(jīng)過技術(shù)小組近一年時間的學(xué)習(xí)和研究，已經(jīng)掌握了使用UG軟件設(shè)計工裝的方法，同時在系列零件工裝設(shè)計方面做了大量的工作，探索出了切實可行的快捷設(shè)計方法，并結(jié)合單位生產(chǎn)，完成了數(shù)十套工裝的設(shè)計。UG軟件的應(yīng)用，使工裝設(shè)計質(zhì)量和效率得到較大提高；目前，工裝設(shè)計部門已經(jīng)開始逐步推廣三維設(shè)計。