1.引言
航空发动机零件的种类繁多，其中有相当数量的零部件形状不规则，这些零部件的机械加工、组件的焊接或装配都需要相应的工装夹具来辅助完成，检验也需要专用量具来辅助完成，因此，工艺装备在航空发动机生产中发挥了较大的作用。近年来，公司的科研生产任务日益繁重，工装的需求量也随之增多，二维软件已经满足不了工装设计的需要，选用三维软件设计工装势在必行；UG软件是我们行业系统选定的设计平台，2004年8月，工装设计部门成立技术小组，以UGNX3.0为平台，进行了产品零件造型、常用标准件库建立、一般零件工装设计及系列零件工装设计等方面的学习和研究，为以后在整个部门大面积使用UG软件做好前期准备工作。
2.产品零件造型
不管多么复杂的零件，都是由一些简单特征组成的。对产品零件进行造型时，首先要充分理解设计意图，认真分析产品的结构，将其化整为零，分解成若干简单特征，再确定造型的先后顺序，这样操作起来就简单多了。
UG实体建模提供了一组丰富的支持各种建模操作的工具集，使设计过程有更多的灵活性，用户可以根据设计意图选择正确的建模策略；为了便于编辑修改，必须建立全相关、参数化的模型。在建模过程中要合理运用层的概念，给不同的特征设定相应的层，根据需要设定为可选或不可选，这样操作界面就很清晰。
下面是一个盘环类零件（如图1）模型创建的过程。
图1
1）分析产品结构 该零件由三部分构成：回转体、沿圆周分布的孔和腔体、一组均布的槽。
2）创建三个固定基准面：XY平面、XZ平面、YZ平面，三个固定基准轴：X轴、Y轴、Z轴。
3）生成回转体：建立草图，选择XZ平面为草图平面，用草图中的直线命令绘制回转体横截面的形状，不影响绘图标注的倒角和圆角忽略；添加几何约束和尺寸约束使草图完全约束，结束草图。再选择草图为扫描的截面线串，X轴为旋转轴，建立旋转体特征。进行倒角操作。
4）生成沿圆周分布的孔和腔体：这组孔共18个，其中17个孔按18孔沿圆周均布，1孔偏置。用成形特征创建1个孔，然后环形阵列生成18个均布的孔，再将偏置位置的1孔抑制；按偏置孔和腔体的形状位置创建草图，再对草图进行拉伸切除，得到偏置孔和腔体。
5）生成均布槽：建立草图，选择回转体的端面为草图平面，绘制一条通过回转中心的直线并转换为参考的，确定直线与基准面的夹角，绘制四边形，添加约束使一组相对边与参考直线平行并保证尺寸，剩余的一组相对边不必约束，手工拖动使图形将均布槽的圆周厚度包含在内即可；对草图进行拉伸切除，拉伸深度等于槽深。再环形阵列生成24个均布槽。
3.标准件库建立
设计工装时，需要用到大量的标准件，为了减少不必要的重复劳动，就必须要建立设计中常用的标准件库。
部件族功能用于以一个部件（模板部件）为基础，借助于UG的建模电子表单工具，快速建立一系列形状相同但某些参数取值不同的部件。这一功能特别适合于标准件或通用件的建立。
下面用球面带肩螺母（GB2149-80）来介绍标准件的创建。
1）标准件的命名和存放路径作相应规定；部件名：GB2149-80;存放路径：D:UG_VolSTDSTD_PARTGB。
2）创建模板部件。在造型过程中，对于需要在部件族中变化的参数，其表达式名要尽量取有意义和容易识别的名称。为模型添加属性：名称和附注。
3）建立部件族。打开部件族对话框，定义部件族要利用的参数列，从可用列表框中选定所有需要的参数列，添加到已选用参数的列表框中。指定部件族保存目录：D:UG_VolSTDSTD_PARTGB。单击“创建”，进入部件族电子表格。
4）创建部件族电子表格。填写每个部件成员的部件名称、相关参数、属性等内容，每一行表示一个成员部件的参数。定义完成后，保存电子表格，再保存部件族，自动返回到UG界面（如图2）。
图2
5）保存。在部件族对话框中，单击“确定”；保存部件文件。
按上述步骤操作，再创建其余标准件的部件族，就逐步形成了常用标准件库，通过局域网共享，满足整个部门的需要。装配时，直接调用部件族的匹配成员，添加相应的配对约束即可，部件族的属性可以方便装配的明细统计。图3是调用标准件GB2149-80的示例。、
图3
4.一般零件工装设计
设计工装就要用到装配技术，UG装配建模的方法有两种：从底向上设计和自顶向下设计。从底向上设计是指在生成单个零件的基础上，通过给定相配零件之间的配对约束关系，得到装配体的过程；自顶向下设计是指在装配环境中创建相关零部件，从装配顶级向下产生子装配和零件的装配设计过程；在实际应用中可以根据具体情况交替使用这两种设计方法。在工装设计中，与产品零件直接发生关系或相互之间影响尺寸、形状、位置关系的非标件的建立要采用自顶向下设计，而标准件可通过从底向上的设计方法加入到装配中来。
在工装设计的建模过程中，产品零件作为工装的第一个成员组件调入装配中，然后以它为基础逐步生成工装零部件。基于产品零件生成工装定位、压紧件，还有其他相关性非标件的设计都要用到WAVE技术。UG的WAVE技术是一种基于装配建模的相关性参数化设计技术，利用它可以在不同部件之间建立参数之间的相关关系，即所谓“部件间关联”关系，实现部件之间几何对象的相关复制。工装设计过程中，利用WAVE几何链接器在部件中建立相关的几何体，链接的几何体相关到它的父几何体，改变父几何体会引起在所有其他部件中链接的几何体自动地更新。使用WAVE技术要特别注意，不能建立WAVE循环链，即WAVE组件A→组件B→组件C→组件A。
装配建模过程中，在各组件中利用良好的引用集策略，可以加快装配模型载入内存的速度，减少内存空间占用，并能避免图形窗口中出现混乱的显示情况。
下面，以上述盘环类零件的均布槽加工夹具（如图4）简单介绍一下工装的设计过程。
图4
1）建立新的部件文件；然后进入装配→加入已存部件，选择盘环类零件调入装配体，引用集选已定义好的用户自定义引用集，定位方式选默认的绝对坐标系定位。
2）进入装配→创建新的组件；再将该组件设定为工作部件，用WAVE几何链接器选取需要的几何对象，以这些相关性的几何对象为基础开始建立模型。
3）重复上一步骤，直到创建完成工装所有的非标件。
4）工装设计过程中，可以在需要的时候（例如要依靠标准件生成新的特征），穿插着调入标准件。进入装配→加入已存部件，依次调入标准件，并为其添加相应的配对约束关系；对于有阵列关系的标准件或标准件组（压板组件，包括压板、调节螺栓、螺母、垫圈、螺柱、弹簧等），装配完一组，进入装配→建立组件阵列，能快速生成其他几组。
5.系列零件工装设计
在航空发动机零部件中，有一些零部件的形状相同但某些参数取值不同，其加工工艺相同，因此工装的结构也是相同的。对于这些系列零件的工装，手工绘图和二维CAD设计时我们采用的办法就是逐个进行设计，或者先设计一套，再复制加修改得到下一套；使用复制加修改的方法使设计效率得到了提高，也能减轻部分工作量，但是也存在一些问题，装配中由产品零件得到的工装定位压紧尺寸修改以后，与之相关工装零部件的图形和尺寸不会自动更新（没有参数化功能），相关尺寸只能由设计人员逐一计算修改，一般不对图形进行改动，因此很容易产生漏改或错改情况以及装配关系的干涉情况，这样就埋下了质量隐患。
在使用UG对工装设计的整个流程进行尝试并逐步熟练掌握以后，我们进行了系列零件工装设计的研究工作。我们针对系列零件工装的设计思路是，用系列零件的任一规格来建立工装的装配模型，只需要通过简单操作，替换系列零件的不同规格就能快速、准确、自动地生成新工装。因为UG具有强大的参数化和相关性的设计功能，只要能够保证替换前后产品零件与工装零件之间的所有关系保持不变，我们的设想就能实现。
解决系列零件工装设计的问题，关键就在于解决替换前后产品零件与工装零件之间所有关系保持不变这个问题上。用分别创建的系列零件不同规格在装配中进行替换时，设计中与产品零件之间建立的WAVE链接关系全部断开，新替换的系列零件规格与工装没有关系，工装结构尺寸也就不会因为替换发生改变，所以这种办法行不通。经过不断的尝试，我们发现要实现替换前后产品零件与工装零件之间所有关系保持不变，必须使系统认识到用于替换的两个模型的一致性。我们已经找到了两种解决替换问题的方法：方法一，首先创建系列零件任意一个规格的模型，再对该模型进行修改另存为其他规格，直到生成系列零件的所有规格。方法二，将系列零件定义为部件族，每一个规格都是部件族的一个成员部件；只要定义一个模板部件，在部件族的电子表单中定义系列零件每个规格的参数即可。采用这两种方法创建的系列零件模型，都能保证工装装配模型中替换前后产品零件与工装零件之间的所有关系保持不变，从而实现快速设计工装的目的。
我公司某型号系列叶片（共6级）加工夹具（如图5）的设计，我们运用了将叶片模型定义为部件族的方法，由1名设计员用2周的时间完成；经过校对，发现设计出来的6套夹具结构尺寸完全正确。
图5
如果把这批工装分为单项进行设计，需要6名设计员用1周的时间来完成。经实践证明，这种方法行之有效。
6.结束语
采用UGNX3.0设计工装，软件强大的相关性参数化建模功能，使设计中的修改编辑更加可靠、快速，解决了二维软件设计容易出现的装配干涉、图形与实际尺寸不符等问题。经过技术小组近一年时间的学习和研究，已经掌握了使用UG软件设计工装的方法，同时在系列零件工装设计方面做了大量的工作，探索出了切实可行的快捷设计方法，并结合单位生产，完成了数十套工装的设计。UG软件的应用，使工装设计质量和效率得到较大提高；目前，工装设计部门已经开始逐步推广三维设计。