基于CATIA 的装配工装数字化设计制造

◎宋海楠

一、基于CATIA 的装配工装设计要点

1.数据集规模的控制。

基于CATIA 系统进行数字化设计，最基础的环节就是要尽可能全面的收集各类装配工装的参数信息，包括尺寸、结构、形状等，然后将这些数据以数据集的形式，存储到计算机数据库中。但是数据集规模过大，会导致CATIA 系统出现反馈延时的情况。通常来说，当数据集的规模达到了最大容量的50%后，延时问题就比较明显，此时需要将数据集一分为二，保证数据检索、调用的效率，提高CATIA 系统响应速度。需要注意的是，同一装配工装的数据，不得分配到两个数据集中，避免出现工装数据不完整的情况。

2.数据集的分类。

除了要控制数据集的规模外，还要在数据集内部进行细化分类。根据数据集中包含信息的不同，至少可以分成三类，分别是：（1）DRAW 数据集。主要是工装图纸信息，包括形状、尺寸等。为了保证工装图纸信息的完整性、清晰度，在现有的DRAWE数据基础上，还要使用SPACE 数据集进行层叠，通过数据补充得到更加全面和细致的工装数据。（2）SPACE 数据集。包括各类工装组件的全尺寸数据和三维坐标，但是利用该数据集中的各类参数，并不能直接得到工装图纸，多数情况下需要配合DRAW 数据集才能发挥作用。（3）标准数据集。包含了较多结构比较简单的装配工装图纸，不需要层叠，能够独立生成各类工装组件的图纸。

3.坐标系的设置。

可以支持二维坐标系和三维坐标系。对于一些简易的、规则的工装组件，可以使用二维坐标系；但是对于复杂的、精度要求较高的工装组件，为了保证设计和制作精度，需要获取三维坐标然后制作立体模型。另外，根据工装组件坐标用途的不同，坐标系也可以分成两种类型，一种是标准坐标系。也称为主坐标系，指以坐标轴*AXS1表示的标准飞机坐标系。还有一种是辅助坐标系，所有辅助坐标系都应有相应的标记符，在正式发放的工装数据集中不应出现不必要的辅助坐标系。

4.三维模型的创建。

在获取了目标工装组件的三维坐标后，可以基于CATIA 系统创建三维模型。首次创建三维模型时，可以先勾勒出大体的外部轮廓，然后通过调用相关的数据参数，逐渐补充工装模型的细节。尤其要注意螺栓、销钉等固件，以及模型过渡区位置，必须要保证模型设计的精度。采用CATIA 系统自带的一些辅助检测工具，例如利用圆角测量仪对工装组件圆角的角度进行精确测量，确保三维模型的圆角角度与使用要求一致。得到工装组件的三维模型后，保留一份备份文件。

5.数字预装配。

以三维模型为参照，进行数字预装配，可以初步得到工装组件的试件。利用各类仪器、工具等，对试件的各项参数进行检测，确保试件完全符合装配工装的使用要求。如果试件存在一些不足，则需要重新优化设计，直到不存在问题。数字预装配环节需要关注的两个要点是：（1）利用层叠功能进行装配工装零部件或装配工装与工程零件的模拟装配；（2）利用干涉分析功能进行装配工装零、部件自身及装配工装与飞机零件之间的干涉分析，解决干涉及不协调问题。

二、装配工装数字化制造技术

1.数字化安装原理。

物体在三维空间内的运动可以分解为：沿Z 轴方向位移、沿X 轴方向位移、沿Y 轴方向位移、绕Z 轴旋转、绕X 轴旋转以及绕Y 轴旋转，这就是物体在三维空间的6 个自由度。控制了被测物体的这6 个自由度，就可以确定该被测物体在空间的位置。光学工具点（OTP）是由工装设计员给定的用于确定装配工装型面关键特性的控制点，工人利用跟踪仪通过测量OTP 的坐标值来确定装配工装型面的关键特性，达到制造、安装和检测装配工装的目的，实现无实物标准工装的装配工装安装。

2.数字化安全流程。

（1）确定定位面。在需要定位的平面上设置3 个OTP。OTP 中心到平面的距离为0.31 英寸，OTP 目标间的最小距离为1.5英寸。

（2）确定定位孔。用于确定小于2 英寸见方的定位面及其上的定位孔的位置，具体做法是：首先在定位面的对称中心点处制出定位孔，然后在定位孔的轴线上设置2 个OTP。OTP1 与定位面的垂直距离为0.31 英寸，OTP2 与定位面的垂直距离为1英寸。

（3）交点孔轴线。用于确定交点孔的轴线及端面位置。具体做法是：在交点孔轴线上设置2 个OTP，即OTP1 与OTP2。交点孔直径大于0.50 英寸时，OTP1 与OTP2 的距离最好为12 英寸；直径小于0.50 英寸时，OTP1 与OTP2 的距离最好为6 英寸。

三、基于CATIA 装配工装数字化设计制造的应用效果

相比于传统的工装设计与制造，在运用了CATIA 系统后，体现出了以下优势：（1）工装数字化设计极大的简化了设计与制造流程，实现了设计-制造的一体化。从前期采集工装组件的各项参数，再到最终得到产品，整个周期被极大的缩短，体现出了较好的经济效益。（2）工装组件的精确度明显提到，返修率大幅度较低。其一是因为数字化设计可以保证参数更加精准，其二是CATIA 系统具有三维模型的参数自检功能。形成了双重保障，最大程度上解决了因为精度不足而返修的问题。（3）功能被极大的扩展。基于CATIA 系统的强大功能，除了在工装组件的设计与制造环节发挥应有的作用外，在模拟运行、后期维护等方面，也展现出了较为强大的功能优势。

结语：CATIA 是一款可以支持通过建立数字模型来设计和模拟工业产品的软件，为下一步产品的制作、安装、维护提供了参考。近年来，CATIA 在数字化工业产品设计与制造中应用广泛，除了可以支持设计人员灵活调节设计参数、直观掌握设计成果外，还能够自动完成仿真实验。技术人员可以根据仿真结果，找到装配工装数字化设计中存在的问题，进而在不断的修改、优化中，使设计方案趋于完善。最后借助于该数字化设计方案，完成产品的加工、制造，从而用较低的成本、较快的速度，得到了高精度的产品。