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1、2023/9/15,1,装配夹具数字化设计制造,沈阳飞机工业（集团）有限公司张 平,2023/9/15,2,采用传统的飞机制造互换协调方法进行装配夹具设计、制造需要用模线、样板、标准样件等实体模拟量来传递协调尺寸，这种方法在将飞机理论尺寸传递到装配夹具上时要经过很多传递环节、多次反复的移形过程，是以关联制造原则为依据，通过保证相关协调尺寸或几何形状偏差方向的相对一致性来保证有互换协调关系的装配夹具之间协调部位的一致性。这种方法要使用大量的非生产用工装，传递环节多、误差大，采用串行工作方式，生产准备周期长、研制成本高。,2023/9/15,3,数字化技术正在被当今世界航空制造技术发达国家广泛采用
2、，它以独立制造原则为依据，采用并行方式、利用数字量协调装配夹具，用保证高于协调准确度要求的制造准确度来保证协调尺寸的一致性，具有可进行数字预装配和干涉检查、减少误差传递环节、支持并行工程、降低生产成本等优点，已成为现代飞机生产的必备手段和关键技术，是企业技术进步的重点方向和国际合作的先决条件，在飞机装配夹具设计、制造中发挥着越来越重要的作用。,2023/9/15,4,采用CAD/CAM/CAE软件CATIA作为工具平台进行装配夹具三维实体设计，利用工装数据集编制数控加工程序，利用数控机床加工装配夹具零件，利用工装数据集编制测量程序，利用坐标测量机对数控加工的装配夹具零件进行检测，采用激光跟踪仪
3、进行装配夹具安装，利用激光跟踪仪进行装配夹具功能性检查和定期检修，利用CATIA对激光跟踪仪采集的数据进行分析及处理，实现了装配夹具设计、制造、安装和检测的数字量传递。,2023/9/15,5,装配夹具CATIA数据集构造方法,2023/9/15,6,为了提高装配夹具设计水平，缩短装配夹具设计周期，充分利用CATIA的资源优势，实现规范化管理，在对CATIA进行了大量细致的研究与探索的基础上，我们编制了装配夹具CATIA数据集构造方法。具体内容如下：1 模型规模 由于过大的数据集会延缓CATIA系统的反应时间，因此当数据集中数据超过规定容量的60%时，必须将该数据集分解成两个或多个子模型。需要
4、注意的是数据集应该在逻辑分离面处分解，必须加工成一个整体的表面不许分解。2 层叠 所有用于定义同一装配夹具的数据集采用同一坐标系进行层叠（FILE+OPEN）以形成一个完整的装配夹具实体。坐标轴*AXS1用于层叠坐标系。,2023/9/15,7,3 数据集分类(1)标准数据集 数据集中不仅含有DRAW模式图纸信息，而且含有SPACE模式几何信息，如SURFACE、SOLID等。数据集本身不需通过层叠就可以生成一套完整的装配夹具图纸。此类数据集一般用于小型装配夹具。(2)DRAW数据集 A 数据集中只包含DRAW模式图纸信息，除了坐标轴*AXS1外，不允许包含任何SPACE信息；B 每个数据集中
5、一般包含多页装配夹具图纸，用于构成若干个功能组件；C 一般自身不能单独生成完整的装配夹具图纸，需要通过层叠把SPACE数据集层叠到DRAW数据集上才能生成完整的装配夹具图纸；D 此类数据集用于大、中型装配夹具。,2023/9/15,8,(3)SPACE数据集A 模型中不包含DRAW模式图纸信息，只包含SPACE信息；B 自身不能单独生成完整的装配夹具图纸，只能用于层叠及数字预装配；C 含有所有关键特性的以名义尺寸构成的全尺寸的实体数据模型，应该含有后续用户（如数控编程、装配夹具安装）所需的基本信息；D 此类数据集用于大、中型装配夹具。4 坐标系(1)标准坐标系 有时也称为主坐标系，是指CATI
6、A中以坐标轴*AXS1表示的标准飞机坐标系。,2023/9/15,9,(2)辅助坐标系 A 可以采用装配夹具坐标系等辅助坐标系来简化设计；B 所有辅助坐标系都应有相应的标记符，例如可以采用*AXS3表示装配夹具坐标系；C 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。5 层 由于每个模型空间都有255层可供使用，为了便于统一管理，对层的分布做出如下规定：0层 仅用于存放二维及三维坐标系100层 用于存放二维DRAW模式图纸信息，包括尺寸、表格、文字、表面粗糙度等 247层 用于存放图签 251层 用于存放版次管理信息 252层 用于存放构成装配夹具实体的初始构造元素,2023/9/15,
7、10,6 过滤器(1)视图过滤器 用于显示视图中所要求的特殊几何形状(2)工装过滤器 用于显示整个装配夹具实体(3)数控编程过滤器 用于显示数控加工零件的几何图形及基本加工要素(4)CAMS过滤器 用于显示光学工具点 7 装配夹具在Space数据集中的定向(1)通常情况下，装配夹具应在正确的飞机坐标方向上建模(2)通用装配夹具可不在正确的飞机坐标方向上建模,2023/9/15,11,8 对称装配夹具(1)如果对称装配夹具与图示装配夹具存在不完全对称情况时，必须给出不完全对称处的详细结构，放置于某一单独层中且在层图中做出标记。(2)必须生成显示对称装配夹具实体的Space窗口且标记为“OPPOS
8、ITE HAND SPACE”9 工程参考零件 允许将工程参考零件的实体投影到装配夹具图纸上，原则上不允许工程参考零件的实体存在于工装数据集中，但允许工程参考零件的线架存在，工程参考零件的实体模型不作为层叠模型。,2023/9/15,12,10 实体创建原则 为了节省内存，提高运行速度，在不影响装配夹具使用功能的前提下，应该生成尽可能简单的实体以减少模型尺寸，主要应该采取以下措施创建装配夹具实体：(1)忽略非关键的圆角及过渡区，不设计相应的实体部位；(2)螺栓、螺母、垫圈、销钉类紧固件不构造实体；(3)不构造零件上的螺纹；(4)不需要数控加工的装配夹具零件采用模拟实体（SOLIDM）功能生成；
9、需要数控加工的装配夹具零件采用精确实体（SOLIDE）或SOLIDM功能生成,尽可能采用SOLIDM功能生成；与工程零件接触的SURFACE必须从工程数据集中提取，并给出数控加工所需要的全部加工要素，包括SURFACE、FACE、POINT、LINE等。,2023/9/15,13,11 数字预装配(1)利用层叠功能进行装配夹具零、部件或装配夹具与工程零件的模拟装配；(2)利用INTERFER功能或SOLIDE和SOLIDM功能中的ANALYSIS子功能进行装配夹具零、部件自身及装配夹具与飞机零件之间的干涉分析，以消除干涉及不协调问题。,2023/9/15,14,装配夹具光学工具点设置方法,20
10、23/9/15,15,随着计算机应用技术的发展，装配夹具的设计、制造、安装和检测手段及方法都发生了根本性的变化：可以不使用模线样板、划线钻孔台制造装配夹具零件，可以不使用型架装配机或光学望远镜长杆千分尺或标准样件、标准量规等标准工装来安装装配夹具，取而代之的是应用了CATIA和激光跟踪仪为代表的新一代光学安装系统计算机辅助测量系统（Computer Aided Measurement System 简称CAMS）来进行装配夹具的设计、制造、安装和检测，装配夹具由传输到CAMS中的装配夹具设计数据直接安装制造出来，传统的以模拟量表示的标准工装已经不再需要。数字化技术的应用最终导致了无实物标准工装
11、的装配夹具制造，在技术上保证了无纸制造的实现。,2023/9/15,16,1 工作原理 Optical Tooling Points（简称OTP）是装配夹具设计员给定的用于确定装配夹具定位特性的控制点，每个OTP均包含X、Y、Z三个方向的坐标值，装配夹具制造部门利用激光跟踪仪通过测量OTP的坐标值来确定装配夹具的定位特性，达到制造、安装、检验装配夹具的要求。其原理是：物体在三维空间内六种可能的运动可以分为两类：位移和旋转。这六种可能的运动是：垂直位移（沿Z轴方向位移）、横向位移（沿X轴方向位移）、轴向位移（沿Y轴方向位移）、垂直旋转（绕Z轴旋转）、横向旋转(绕X轴旋转)以及轴向旋转（绕Y轴旋转
12、），这就是物体在三维空间的六个自由度。控制被测物体的六个自由度，就可以确定被测物体在空间的位置。,2023/9/15,17,2 主要平面的确定主要平面是指对装配夹具定位型面空间位置准确度影响较大的平面。主要平面的确定采用比较装配夹具定位型面在飞机坐标系中XOY平面、YOZ平面及XOZ平面内的投影面积的方法进行，即在哪个平面内的投影面积大，哪个平面即为主要平面。3 3-2-1原则假定由OTP1（x1，y1，z1）、OTP2（x2，y2，z2）和OTP3（x3，y3，z3）确定的装配夹具型面在飞机坐标系中XY平面内的投影面积最大，在YZ平面内的投影面积次之，即XOY平面为第一主要平面，YOZ平面为
13、第二主要平面，由于加工装配夹具型面时存在加工误差，因此，装配夹具设计员在确定了主要平面后，只需确定三个OTP的六个坐标值就足够了。具体方法是：首先确定某一个OTP（例如OTP1）作为基准点，选取x1、y1、z1作为控制基准；然后选取OTP2和OTP3中的Z坐标作为控制基准；最后在OTP2或OTP3中选取X坐标（例如OTP2）作为控制基准。余下的x3、y2、y3作为参考。,2023/9/15,18,4 自由度分离原则虽然装配夹具设计员按照3-2-1原则确定了装配夹具定位型面在空间正确位置的六个自由度，但由于这六个自由度都在同一个定位型面上，当装配夹具制造部门安装该型面定位器时，只要调整某一个OT
14、P的坐标值，则其它两个OTP的坐标值也随着变化，给定位器的安装带来很多困难。因此装配夹具设计员在设计型面定位器时，必须对这六个自由度进行分离，既当调整某个自由度时，其它自由度不发生变化。根据空间直角坐标系互相垂直的原理，装配夹具设计员可以采用三个角板和一个平板的组合结构（如图1所示）来解决这个困难。具体方法是：1号角板在2号角板上只能沿Y轴方向进行平移；2号角板在3号角板上只能沿Z轴方向进行平移；3号角板在平板上只能沿X轴方向进行平移。,2023/9/15,19,图1 自由度分离结构简图,2023/9/15,20,5 1/3公差分配原则 通常情况下，OTP的安装公差按照1/3原则确定，即OTP
15、的安装公差为工程公差的1/3；当工程公差很小时，OTP的安装公差按照1/2原则确定，即OTP的安装公差为工程公差的1/2，但OTP的安装公差与型面的制造公差之和不得大于工程公差的2/3。6 OTP的设置(1)定位型面的设置 这种方法用于确定装配夹具定位型面，按照定位原理只要控制了装配夹具定位型面的六个自由度，就可以确定该型面在空间的位置。A OTP设置 在需要定位的平面上设置三个OTP，如图2所示。安装OTP目标的衬套孔中心到平面边缘的最小距离为7.6mm/0.3英寸，OTP目标中心到平面的距离为7.94mm/0.3125英寸，OTP目标间的最小距离为38mm/1.5英寸。当零件上的定位面的尺
16、寸不能使OTP间的距离达到38mm/1.5英寸时，最好按照方法2（定位孔的设置方法）设置OTP。,2023/9/15,21,图2 定位面的设置B OTP坐标及公差的确定 假定定位面在飞机坐标系中XOZ为第一主要平面，XOY平面为第二主要平面。则按照3-2-1原则第一个OTP的X、Y、Z三个坐标均需作为控制基准并给出公差，第二个OTP的Y、Z两个坐标需作为控制基准并给出公差，第三个OTP仅Y坐标需作为控制基准并给出公差，余下的仅给出参考坐标值，没有公差，有关公差值按照1/3公差分配原则确定。,2023/9/15,22,(2)定位孔的设置这种方法用于确定小于50.8mm/2英寸见方的定位面及其上的
17、定位孔的位置，例如K孔定位器。按照定位原理只要控制了定位孔的五个自由度，就可以确定该定位孔在空间的位置。A OTP设置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二个OTP。OTP1与定位面的垂直距离为0.3125英寸，OTP2与定位面的垂直距离为1英寸。如图3所示。图3 定位孔的设置,2023/9/15,23,B OTP坐标及公差的确定 假定定位孔轴线在飞机坐标系中Z轴方向上的投影长度最大，则按照3-2-1原则OTP1的X、Y、Z三个坐标均需作为控制基准并给出公差，OTP2的X、Y两个坐标需作为控制基准并给出公差，Z坐标方向仅给出参考坐标值，没有公差，有关公差值按照1/3公
18、差分配原则确定。(3)交点孔轴线的设置 这种方法用于确定交点孔的轴线位置及端面定位位置。按照定位原理只要控制了交点孔轴线及端面位置的五个自由度，就可以确定该交点孔在空间的位置。A OTP设置 在交点孔轴线方向上设置二个OTP。第一个OTP及第二个OTP位于交点孔的转动轴线上，如图4所示。对于直径大于12.7mm/0.500英寸的交点孔，OTP1与OTP2的距离最好为304.8mm/12.000英寸；对于直径小于12.7mm/0.500英寸的交点孔，OTP1与OTP2的距离最好为152.4mm/6.000英寸。,2023/9/15,24,图4 交点孔轴线的设置B OTP坐标及公差的确定假定交点孔
19、轴线在飞机坐标系中Z轴方向上的投影长度最大，则按照3-2-1原则OTP1的X、Y、Z三个坐标均需作为控制基准并给出公差，OTP2的X、Y二个坐标均需作为控制基准并给出公差，Z坐标方向仅给出参考坐标值，没有公差，有关公差值按照1/3公差分配原则确定。,2023/9/15,25,(4)长圆孔的设置 这种方法用于确定长圆孔的位置。按照定位原理只要控制了长圆孔的五个自由度，就可以确定该长圆孔在空间的位置。A OTP设置 确定长圆孔位置的设置方法与确定定位孔位置的方法相似，主要差别在于长圆孔的方向必须给出。具体方法是在长圆孔的理论中心（长度与宽度的中心交点处）线上设置二个OTP。第一个OTP与定位面的垂
20、直距离为7.94mm/0.3125英寸，第二个OTP与定位面的垂直距离为25.4mm/1英寸，OTP1与OTP2用于建立长圆孔的理论方向上的向量。如图5所示。图5 长圆孔的设置,2023/9/15,26,B OTP坐标及公差的确定 A)假定长圆孔轴线在飞机坐标系中X轴方向上的投影长度最大，则按照3-2-1原则OTP1的X、Y、Z三个坐标均需作为控制基准并给出公差，OTP2的Y、Z二个坐标均需作为控制基准并给出公差，X坐标方向上仅给出参考坐标值，没有公差，有关公差值按照1/3公差分配原则确定。B)长圆孔本身具有两个方向公差：即长度方向公差及宽度方向公差。a 当长圆孔的方向与装配夹具坐标轴系统垂直
21、时，公差的确定不受长度方向公差的影响，下列公差是可以采用的：长圆孔长度方向：0.76mm/0.030英寸 长圆孔宽度方向：由装配夹具设计员按需给定。b 当长圆孔的方向与装配夹具坐标轴系统成一定角度时，长圆孔长度方向的公差对组合件的装配将产生不利的影响，此时长圆孔长度及宽度方向的公差必须由设计员按需给出。,2023/9/15,27,(5)定位型面上的孔的设置 这种方法用于确定装配夹具定位型面上的孔的位置。在装配夹具定位型面上的每个定位孔，必须给出二个OTP以确定孔的位置及轴线方向。按照定位原理只要控制了每个孔的五个自由度，就可以确定该孔在空间的位置。A OTP设置 确定装配夹具定位型面上的孔的位
22、置的设置方法与确定定位孔位置的方法相似。具体方法是在每个孔的理论中心线上设置二个OTP。第一个OTP与外形面的垂直距离为7.94mm/0.3125英寸，第二个OTP与外形面的垂直距离为25.4mm/1英寸，如图6所示。图6 定位型面上的孔的设置,2023/9/15,28,B OTP坐标及公差的确定假定定位型面上的孔轴线在飞机坐标系中Z轴方向上的投影长度最大，则按照3-2-1原则OTP1的X、Y、Z三个坐标均需作为控制基准并给出公差，OTP2的X、Y二个坐标均需作为控制基准并给出公差，Z坐标方向上仅给出参考坐标值，没有公差，有关公差值按照1/3公差分配原则确定。7 OTP的管理(1)为了减少坐标
23、转换误差，所有OTP应位于机身坐标系中，而不是位于某一局部坐标系，如机翼、尾翼等。(2)为了提高安装精度，每个OTP的X、Y、Z坐标值在毫米状态下都应至少保留二位小数。(3)为了便于识别及管理，OTP的编号宜采用页次+序号的方法进行，如OTP XXX，第一个X代表OTP所在的装配夹具图纸页次，后两个X代表OTP的流水号。每页上的OTP的编号、坐标值、公差都应列表示出。(4)不管由于什么原因，取消的OTP编号不许再次使用。,2023/9/15,29,装配夹具数字化设计制造工作流程,2023/9/15,30,1 理解装配夹具设计技术条件及有关的装配方案。2 访问工程数据库，提取出装配夹具设计所需的
24、工程模型，熟悉工程要求。3 进行总体方案设计，即进行25%设计。包括：(1)确定装配夹具的功能(2)确定装配夹具的制造协调依据(3)确定装配顺序(4)确定装配夹具的结构和定位计划(5)确定装配夹具制造方法(6)确定长周期项目（铸件、焊件、外 购件、外购材料）(7)确定装配夹具外廓尺寸,2023/9/15,31,4 设计方案交付审查。5 审查合格后，长周期项目信息提供给生产准备部门，启动早期生产准备工作；审查不合格，修改25%设计，重复34。6 取得装配夹具原始模型，包括图签以及工装标准件实体模型，按照装配夹具CATIA数据集构造要求创建装配夹具实体。7 进行装配夹具与飞机以及装配夹具自身之间的
25、干涉检查，解决干涉及不协调问题。,2023/9/15,32,8 利用AUXVIEW（视图）功能实现从三维向二维的转换，生成二维视图，利用DIMENSION2（尺寸）功能及TEXTD2（文字）功能进行尺寸和文字标注，生成主要的二维图纸，包括总图、组合件图及关键定位件的零件图，确定需要数控加工的零件，按照装配夹具光学工具点设置方法设置OTP，完成50%设计工作。9 利用PLOT（绘图）功能缩微打印已完成的50%设计图纸并交付审查。10 审查合格，把图纸预发放给装配夹具制造厂进行生产准备工作（包括大型结构件焊接、铸件制造及数控加工件粗加工等）；审查不合格，修改50%设计，重复89。,2023/9/1
26、5,33,11 进行完善设计，完成90%设计工作。12 缩微生成全部装配夹具图纸，并交付审查。13 审查合格，把图纸发放给装配夹具制造厂，取替原预发放图纸；审查不合格，修改90%设计，重复1112。14 由专人把数据集送入工装数据预发放区。15 由专人把数据集从预发放区送入工装数据库，并做备份处理。,2023/9/15,34,16 数控编程人员读取工装数据库中的装配夹具零件实体，利用CATIA生成数控加工程序，利用软盘传递给数控机床。17 利用数控机床加工装配夹具零件。18 质量技术人员读取工装数据库中的装配夹具零件实体，利用CATIA生成数控加工装配夹具零件的检验数据，利用软盘传递给坐标测量
27、机。19 利用坐标测量机检测数控加工装配夹具零件。,2023/9/15,35,20 利用跟踪仪安装装配夹具。21 利用跟踪仪对装配夹具型面和关键定位器进行数据采集。22 技术人员利用CATIA进行拟合分析。23 根据分析结果对装配夹具进行适当调整。24 利用装配夹具进行试装。,2023/9/15,36,结束语 数字化技术的应用全面提升了装配夹具设计制造水平，实现了装配夹具设计、制造、检测的数字量传递，重组了装配夹具设计制造流程，缩短了生产准备周期，取得了重大经济效益，从根本上改变了传统的飞机装配夹具设计制造模式，代表了未来国内飞机装配夹具设计制造技术发展的方向。CAD/CAM技术发展日新月异，再加上本人的水平和经验有限，因此不可避免地存在缺点和不当之处，恳切希望各位给予指正。,
