CATIA在飞机模型CAD/CAM一体化制造中的应用

　　某型单发涡桨轻型多用途通用飞机是在研的主要用于中短途货物运输及短程客运、快递服务新机型，如图1。可通过改装完成空中摄影、农林飞行以及医疗救护等多种作业。某型单发涡桨轻型多用途通用飞机模型是北方某主机厂为推出新型通用飞机而精心打造的一款静态展示用飞机模型，其CAD/CAM一体化模型制造技术在飞机模型制造领域颇具代表性，现就结合其制造过程介绍一下CATIA在飞机模型CAD/CAM一体化制造中的技应用。

　　一、飞机模型概述

　　飞机模型是以真实或在研某种飞机为原型，按一定比例缩小制作，用于展览、装饰、欣赏和收藏目的，一般不可以飞行的航空静态展示产品，它不同于模型飞机。飞机模型按是否能透视内部结构分为解剖型飞机模型和非解剖型飞机模型;按飞机的种类可分为运输机模型、战斗机模型、攻击机模型、轰炸机模型、直升机模型和特种飞机模型等; 按飞机模型材质可分为树脂飞机模型、玻璃钢飞机模型、塑料飞机模型和金属飞机模型等。按照比例也分为10多cm，20多cm，30多cm，40多cm，直至一米多的模型。有的飞机模型还有很强的纪念意义，比如北京2008年奥运会火炬传递圣火号飞机模型、吉祥号飞机等。

　　许多飞机模型集成了当今先进的设计和制造技术，本身也是当今模型制造业科技发展的体现。每一个飞机模型都是按比例把各式飞机缩小制造成的模型，表面打磨喷漆，精细亮泽，有的飞机模型内部结构(如发动机、仪表板、座椅和驾驶舵等部件)也被仿造得维妙维肖。由于制造过程复杂，产量较低，当一种模型发行销售以后，随着时间的推移和人们认识水平的不断提高，收藏模型的人越来越多，人们手上的模型也会得到升值。

　　二、模型制造现状

　　传统的模型制造技术主要是根据设计图样，用仿形加工、成形磨削以及电火花加工方法等方法制造模具样板工装，以之辅助模型生产。传统模型制造的质量严重依赖于人为因素，整体水平不易控制;模型制造过程采用串行方式，易造成设计与制造脱节，重复劳动多，加工周期长。模型制造只能通过制造完成后才可对模型进行质量评价，此时若返修，成本较高。

　　随着当今科技的快速发展，模型CAD/CAM一体化制造技术已得到广泛应用，辅以模型制造的计算机仿真技术，所见即所得，大大减少了模型制造中的错误，缩短了模型的制造时间，提高了模型制造的效率。

　　模型CAD/CAM一体化制造技术整合了工艺验证过程，通过模型生产过程的虚拟加工进行工艺验证，考核工艺合理性和适应性，以保证模型生产中的产品质量，生产成本较低，同时优化了模型制造人员的工作条件。

　　三、模型的制作过程

　　模型制作类似于产品的制造过程，首先要有模型数据输入。传统模型生产数据的输入，往往是模型的设计图样、关键特征截面尺寸及其他技术要求;模型CAD/CAM一体化制造技术要求建立的模型三维立体计算机数模，可根据飞机的相关理论尺寸数据，选用相应的三维软件建模。建立的三维立体计算机数模的外型效果应由有关部门专家组成审查组进行审查，数模有问题的地方应在下一步前进行修改，修改后的数模再由审查组进行第二轮审查，最后确认无误后，将修改好的三维数模做为最终结果，并作为模具、工装和样板等设计及加工的依据。

　　模型制造的工艺方案制订，主要是模型的分解以及连接方式的选择、内部结构、内饰及机身彩绘等。模型分解是以飞机的结构为依据，一般可分解为发动机、机身、机翼、水平尾翼(包含升降舵)、垂直尾翼(包含方向舵)、螺旋桨、起落架、座椅及内饰等几部分，各部分可分别制造后再组装。各分解部 分在制造时，为保证模型外形，需要辅助模具和样板等。

　　以机身为例，为使模型能够真实 地体现实际机身的外型效果，表面圆角和过渡等都应按机身外蒙皮实际尺寸制作。为保证飞机模型机身外形，可以以三维CAD立体计算机数模为基础，以机身 对称平面为分界面，分为两个半机身， 采用数控机床加工半机身模具，再以半机身模具制造半机身，最后再将半机身 对接组装成整个机身模型。

　　飞机模型其他部分的制造可参照机 身模型的制造方法，不过应尽量减少辅 助模具的制造，以降低模型制造成本。 另外为减轻模型重量，机翼、水平尾翼和垂直尾翼等可采用空心或夹心、夹层 结构。

　　辅助模具主要是用于机身、机翼 和螺旋桨等带有复杂曲线外形部件的生产。对于机翼外形要求不严格的飞机模 型的制造，可省去机翼制造辅助模具， 代之以按样板制造。辅助模具、样板的制造数据均取自于三维CAD立体计算机数模，并在进行数控加工前，采用虚拟模拟加工的方法，以保证制造的精确性和 可行性。

　　模型加工是在辅助工装模具、原材料等条件具备后，模型各分解部分的分块生产制造和组装。模型修配是对各 部件对接部进行整形，顺利完成各部分的拼接。在这些过程中需注意各部件的 生产顺序，合理、统筹各部分工序，如仪表板、座椅及内饰等内部结构件的组(安)装，应在两半机身对接前完成， 喷漆彩绘应做为模型包装运输前的最后一道工序。

　　模型评价是对模型制造完成后的最 后评审，根据评审的结果可反馈到模型 数据或工艺方案部分，并对相关模型数 据或工艺方案进行改进。

　　在模型制造过程，始终以建立的计算机数模做为数据传递的基础。现代模型设计技术是以计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)等辅 助工具为手段，运用CAD/CAM一体化模型 制造技术将模型设计、制造和生产过程有机结合在一起，大大提高了飞机模型设计、制造的准确性和效率。

　　四、CATIA在飞机模型CAD/CAM一体化模型制造过程中的应用

　　计算机辅助CAD/CAM一体化技术即计算机辅助设计与制造技术，大大地减 少了几何建模与工程图样建立所需的时间，实现“从艺术到制品”，减少产品上市时间，减少开发成本。计算机辅助 CAD/CAM一体化技术是今后飞机模型生产 的大势所趋。

　　CATIA是由法国达索析统开发的CAD/ CAM/CAE/PDM应用系统，包括机械设计、外形设计、分析工具、机械加工甚至装备和系统工程在内的众多模块，覆盖了产品从概念设计到产品维护的全过程，是面向虚拟产品CAD/CAM一体化开发的系统，也是飞机模型设计、制造和开发的优秀工具。

　　根据前述的模型制作过程，某型单发涡桨轻型多用途通用飞机模型的制造过程阐述如下。

　　1.模型数据输入

　　根据模型的理论外型数据、某型飞机研制建议书等有关技术资料要求，建立该型飞机模型的三维立体计算机CATIA 数模，如图3。

　　2.工艺方案制订

　　飞机模型各部分的分解如图4所示，图中不同的颜色分别代表飞机模型分块制造时的分解情况。机身制造时为保证其外形精确，采用凹模辅助其加工，按前述，采用两半机身模加工玻璃钢半机身外形，然后对接。由于飞机模型并非风洞吹风模型，只是用于静态展示，不要求非常精确的机翼外形，故机翼可采用辅助样板加工。为减轻机翼的重量，可采用玻璃钢外壳夹心(轻质材料)结构。平尾和垂尾可仿照机翼制造。螺旋桨、座椅和仪表板等同样采用辅助样板加工。起落架及机轮采用轻金属机加制造。 制造完成，机身、机翼、平尾、垂尾、座椅和仪表板等联接以粘接方式，为保证螺旋桨转动灵活，其与机身的联接采用轴承联接。值得一提的是座椅和仪表板等内部结构装配时， 应在两半机身对接前。

　　3.辅助工装模具

　　一般来说应根据飞机模型的用途、批量和各部件的实际 工艺，决定是否订制辅助工装模具。由于本飞机模型仅是用于航展时的静态展示产品，属于单件小批量生产，故如前述，仅 机身订制凹模制造，其余采用样板或机加方法。现就机身凹模 的制造做一简介。

　　(1)提取机身数模。 从整机三维数模上用“抽取”命令提取出机身型面，然后用“联合”命令将抽取的各曲面联合成一个整体，最后提取 的机身外形数模如图5所示。

　　(2)建立左半机身凹模。 建立机身凹模可运用的命令有多种，这也正是CATIA建模的灵活性所在。这里采用“拉伸”实体，然后再裁切的方法， 建立机身凹模，原理如图6。经过裁切，最终建立的左半机身凹模如图7。 右半机身凹模建模过程与上述类似。

　　(3)加工模拟及程序输出。

　　利用CATIA的数控加工功能进行机身凹模的数控加工设计。建立数控加工的毛坯，然后转到数控加工的曲面加工单元，选择数控加工设备、设置毛料及加工坐标系等。为了兼顾效率及质量，先用“Roughing”命令进行粗加工(如图8)，然后用“Sweeping”命令并通过适当的加工参数设置进行精加工。

　　整个仿真加工过程的最后结果如图9，其加工精度与切削要素的设置有关。

　　到此，左半机身的辅助加工模具的设计、仿真加工已完成，如仿真过程中未出现错误，可根据加工中心的型号，将与加工中心格式匹配数控加工数控程序输出到加工中心，进行模具试加工。

　　飞机模型其他部分模具样板的设计和加工模拟与机身模 具的加工类似。

　　4.模型加工

　　模型加工是在辅助工装模具、原材料等条件具备后，组织相关的人力、物力和财力资源进行模型各部分的分块生产制造和组装。加工过程主要是机身及机翼等玻璃钢部件的糊制， 螺旋桨、座椅等部件采用轻木并配合样板的划线加工。加工时要注意各部件加工时间节点的统筹安排。模型修配是对各部分联接处进行整修，使其之间能够完全贴合，过渡流畅。特别是长合拢线很难严丝合缝，损害了作品的观感，因此要填补空缺的部分，并将多余的部分打磨干净。最后组装完成后，经喷漆最后制成的飞机模型如图10。

　　5.模型评价

　　最终飞机模型的制造质量如何，还需组织有关技术人员对其进行评价，以找出不足并予以改进。模型评价可组织产品设计、工艺、工装模具设计及加工人员等进行现场评议，找出模型生产过程中存在的问题及飞机模型存在的瑕疵，将这些反馈到模型数据和工艺方案制订的环节，若有必要可对模型数据和工艺方案进行修改。

　　五、模型制作过程中的注意事项

　　(1)必须注意数据的一致性。辅助模具、工装和样板制造的理论数据均应取自建立三维计算机立体数模，保证数据传 递的一致性和精确性。

　　(2)必须注意运用现代仿真技术，它一方面是数值模拟结果的可视化，直观显示出在一定工艺参数条件下的模拟成形结果;另一方面是NC程序的动态仿真，以减少实际加工过程的失误。

　　(3)必须注意运用并行化思想，通过并行作业，可以有效地实现组织扁平化，在模型设计初期时，即考虑可制造性、可装配性，这样可以减少反复，缩短模型制造开发时间。

　　飞机模型在展览时往往会具有比真品更直观的效果，特别是飞机解剖模型，其剖面结构可使飞机的内部结构方案特征一目了然。然而要使模型购买和参观者获得更多的认同，还要在飞机模型制造方面下更大的功夫，这就需要吸纳先进的科学技术，采用更多的、更先进模型设计及制造工艺技术和方法， 而飞机模型CAD/CAM一体化制造技术是一个不错的选择。