某型單發(fā)渦槳輕型多用途通用飛機(jī)是在研的主要用于中短途貨物運(yùn)輸及短程客運(yùn)、快遞服務(wù)新機(jī)型，如圖1。可通過(guò)改裝完成空中攝影、農(nóng)林飛行以及醫(yī)療救護(hù)等多種作業(yè)。某型單發(fā)渦槳輕型多用途通用飛機(jī)模型是北方某主機(jī)廠為推出新型通用飛機(jī)而精心打造的一款靜態(tài)展示用飛機(jī)模型，其CAD/CAM一體化模型制造技術(shù)在飛機(jī)模型制造領(lǐng)域頗具代表性，現(xiàn)就結(jié)合其制造過(guò)程介紹一下CATIA在飛機(jī)模型CAD/CAM一體化制造中的技應(yīng)用。

　　一、飛機(jī)模型概述

　　飛機(jī)模型是以真實(shí)或在研某種飛機(jī)為原型，按一定比例縮小制作，用于展覽、裝飾、欣賞和收藏目的，一般不可以飛行的航空靜態(tài)展示產(chǎn)品，它不同于模型飛機(jī)。飛機(jī)模型按是否能透視內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為解剖型飛機(jī)模型和非解剖型飛機(jī)模型;按飛機(jī)的種類可分為運(yùn)輸機(jī)模型、戰(zhàn)斗機(jī)模型、攻擊機(jī)模型、轟炸機(jī)模型、直升機(jī)模型和特種飛機(jī)模型等; 按飛機(jī)模型材質(zhì)可分為樹(shù)脂飛機(jī)模型、玻璃鋼飛機(jī)模型、塑料飛機(jī)模型和金屬飛機(jī)模型等。按照比例也分為10多cm，20多cm，30多cm，40多cm，直至一米多的模型。有的飛機(jī)模型還有很強(qiáng)的紀(jì)念意義，比如北京2008年奧運(yùn)會(huì)火炬?zhèn)鬟f圣火號(hào)飛機(jī)模型、吉祥號(hào)飛機(jī)等。

　　許多飛機(jī)模型集成了當(dāng)今先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，本身也是當(dāng)今模型制造業(yè)科技發(fā)展的體現(xiàn)。每一個(gè)飛機(jī)模型都是按比例把各式飛機(jī)縮小制造成的模型，表面打磨噴漆，精細(xì)亮澤，有的飛機(jī)模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如發(fā)動(dòng)機(jī)、儀表板、座椅和駕駛舵等部件)也被仿造得維妙維肖。由于制造過(guò)程復(fù)雜，產(chǎn)量較低，當(dāng)一種模型發(fā)行銷售以后，隨著時(shí)間的推移和人們認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，收藏模型的人越來(lái)越多，人們手上的模型也會(huì)得到升值。

　　二、模型制造現(xiàn)狀

　　傳統(tǒng)的模型制造技術(shù)主要是根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，用仿形加工、成形磨削以及電火花加工方法等方法制造模具樣板工裝，以之輔助模型生產(chǎn)。傳統(tǒng)模型制造的質(zhì)量嚴(yán)重依賴于人為因素，整體水平不易控制;模型制造過(guò)程采用串行方式，易造成設(shè)計(jì)與制造脫節(jié)，重復(fù)勞動(dòng)多，加工周期長(zhǎng)。模型制造只能通過(guò)制造完成后才可對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，此時(shí)若返修，成本較高。

　　隨著當(dāng)今科技的快速發(fā)展，模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，輔以模型制造的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，所見(jiàn)即所得，大大減少了模型制造中的錯(cuò)誤，縮短了模型的制造時(shí)間，提高了模型制造的效率。

　　模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)整合了工藝驗(yàn)證過(guò)程，通過(guò)模型生產(chǎn)過(guò)程的虛擬加工進(jìn)行工藝驗(yàn)證，考核工藝合理性和適應(yīng)性，以保證模型生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)成本較低，同時(shí)優(yōu)化了模型制造人員的工作條件。

　　三、模型的制作過(guò)程

　　模型制作類似于產(chǎn)品的制造過(guò)程，首先要有模型數(shù)據(jù)輸入。傳統(tǒng)模型生產(chǎn)數(shù)據(jù)的輸入，往往是模型的設(shè)計(jì)圖樣、關(guān)鍵特征截面尺寸及其他技術(shù)要求;模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)要求建立的模型三維立體計(jì)算機(jī)數(shù)模，可根據(jù)飛機(jī)的相關(guān)理論尺寸數(shù)據(jù)，選用相應(yīng)的三維軟件建模。建立的三維立體計(jì)算機(jī)數(shù)模的外型效果應(yīng)由有關(guān)部門(mén)專家組成審查組進(jìn)行審查，數(shù)模有問(wèn)題的地方應(yīng)在下一步前進(jìn)行修改，修改后的數(shù)模再由審查組進(jìn)行第二輪審查，最后確認(rèn)無(wú)誤后，將修改好的三維數(shù)模做為最終結(jié)果，并作為模具、工裝和樣板等設(shè)計(jì)及加工的依據(jù)。

　　模型制造的工藝方案制訂，主要是模型的分解以及連接方式的選擇、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾及機(jī)身彩繪等。模型分解是以飛機(jī)的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，一般可分解為發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼(包含升降舵)、垂直尾翼(包含方向舵)、螺旋槳、起落架、座椅及內(nèi)飾等幾部分，各部分可分別制造后再組裝。各分解部 分在制造時(shí)，為保證模型外形，需要輔助模具和樣板等。

　　以機(jī)身為例，為使模型能夠真實(shí) 地體現(xiàn)實(shí)際機(jī)身的外型效果，表面圓角和過(guò)渡等都應(yīng)按機(jī)身外蒙皮實(shí)際尺寸制作。為保證飛機(jī)模型機(jī)身外形，可以以三維CAD立體計(jì)算機(jī)數(shù)模為基礎(chǔ)，以機(jī)身 對(duì)稱平面為分界面，分為兩個(gè)半機(jī)身， 采用數(shù)控機(jī)床加工半機(jī)身模具，再以半機(jī)身模具制造半機(jī)身，最后再將半機(jī)身 對(duì)接組裝成整個(gè)機(jī)身模型。

　　飛機(jī)模型其他部分的制造可參照機(jī) 身模型的制造方法，不過(guò)應(yīng)盡量減少輔 助模具的制造，以降低模型制造成本。 另外為減輕模型重量，機(jī)翼、水平尾翼和垂直尾翼等可采用空心或夾心、夾層 結(jié)構(gòu)。

　　輔助模具主要是用于機(jī)身、機(jī)翼 和螺旋槳等帶有復(fù)雜曲線外形部件的生產(chǎn)。對(duì)于機(jī)翼外形要求不嚴(yán)格的飛機(jī)模 型的制造，可省去機(jī)翼制造輔助模具， 代之以按樣板制造。輔助模具、樣板的制造數(shù)據(jù)均取自于三維CAD立體計(jì)算機(jī)數(shù)模，并在進(jìn)行數(shù)控加工前，采用虛擬模擬加工的方法，以保證制造的精確性和 可行性。

　　模型加工是在輔助工裝模具、原材料等條件具備后，模型各分解部分的分塊生產(chǎn)制造和組裝。模型修配是對(duì)各 部件對(duì)接部進(jìn)行整形，順利完成各部分的拼接。在這些過(guò)程中需注意各部件的 生產(chǎn)順序，合理、統(tǒng)籌各部分工序，如儀表板、座椅及內(nèi)飾等內(nèi)部結(jié)構(gòu)件的組(安)裝，應(yīng)在兩半機(jī)身對(duì)接前完成， 噴漆彩繪應(yīng)做為模型包裝運(yùn)輸前的最后一道工序。

　　模型評(píng)價(jià)是對(duì)模型制造完成后的最 后評(píng)審，根據(jù)評(píng)審的結(jié)果可反饋到模型 數(shù)據(jù)或工藝方案部分，并對(duì)相關(guān)模型數(shù) 據(jù)或工藝方案進(jìn)行改進(jìn)。

　　在模型制造過(guò)程，始終以建立的計(jì)算機(jī)數(shù)模做為數(shù)據(jù)傳遞的基礎(chǔ)。現(xiàn)代模型設(shè)計(jì)技術(shù)是以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)等輔 助工具為手段，運(yùn)用CAD/CAM一體化模型 制造技術(shù)將模型設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)過(guò)程有機(jī)結(jié)合在一起，大大提高了飛機(jī)模型設(shè)計(jì)、制造的準(zhǔn)確性和效率。

　　四、CATIA在飛機(jī)模型CAD/CAM一體化模型制造過(guò)程中的應(yīng)用

　　計(jì)算機(jī)輔助CAD/CAM一體化技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，大大地減 少了幾何建模與工程圖樣建立所需的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“從藝術(shù)到制品”，減少產(chǎn)品上市時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)成本。計(jì)算機(jī)輔助 CAD/CAM一體化技術(shù)是今后飛機(jī)模型生產(chǎn) 的大勢(shì)所趨。

　　CATIA是由法國(guó)達(dá)索析統(tǒng)開(kāi)發(fā)的CAD/ CAM/CAE/PDM應(yīng)用系統(tǒng)，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)、分析工具、機(jī)械加工甚至裝備和系統(tǒng)工程在內(nèi)的眾多模塊，覆蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品維護(hù)的全過(guò)程，是面向虛擬產(chǎn)品CAD/CAM一體化開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，也是飛機(jī)模型設(shè)計(jì)、制造和開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀工具。

　　根據(jù)前述的模型制作過(guò)程，某型單發(fā)渦槳輕型多用途通用飛機(jī)模型的制造過(guò)程闡述如下。

　　1.模型數(shù)據(jù)輸入

　　根據(jù)模型的理論外型數(shù)據(jù)、某型飛機(jī)研制建議書(shū)等有關(guān)技術(shù)資料要求，建立該型飛機(jī)模型的三維立體計(jì)算機(jī)CATIA 數(shù)模，如圖3。

　　2.工藝方案制訂

　　飛機(jī)模型各部分的分解如圖4所示，圖中不同的顏色分別代表飛機(jī)模型分塊制造時(shí)的分解情況。機(jī)身制造時(shí)為保證其外形精確，采用凹模輔助其加工，按前述，采用兩半機(jī)身模加工玻璃鋼半機(jī)身外形，然后對(duì)接。由于飛機(jī)模型并非風(fēng)洞吹風(fēng)模型，只是用于靜態(tài)展示，不要求非常精確的機(jī)翼外形，故機(jī)翼可采用輔助樣板加工。為減輕機(jī)翼的重量，可采用玻璃鋼外殼夾心(輕質(zhì)材料)結(jié)構(gòu)。平尾和垂尾可仿照機(jī)翼制造。螺旋槳、座椅和儀表板等同樣采用輔助樣板加工。起落架及機(jī)輪采用輕金屬機(jī)加制造。 制造完成，機(jī)身、機(jī)翼、平尾、垂尾、座椅和儀表板等聯(lián)接以粘接方式，為保證螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，其與機(jī)身的聯(lián)接采用軸承聯(lián)接。值得一提的是座椅和儀表板等內(nèi)部結(jié)構(gòu)裝配時(shí)， 應(yīng)在兩半機(jī)身對(duì)接前。

　　3.輔助工裝模具

　　一般來(lái)說(shuō)應(yīng)根據(jù)飛機(jī)模型的用途、批量和各部件的實(shí)際 工藝，決定是否訂制輔助工裝模具。由于本飛機(jī)模型僅是用于航展時(shí)的靜態(tài)展示產(chǎn)品，屬于單件小批量生產(chǎn)，故如前述，僅 機(jī)身訂制凹模制造，其余采用樣板或機(jī)加方法。現(xiàn)就機(jī)身凹模 的制造做一簡(jiǎn)介。

　　(1)提取機(jī)身數(shù)模。 從整機(jī)三維數(shù)模上用“抽取”命令提取出機(jī)身型面，然后用“聯(lián)合”命令將抽取的各曲面聯(lián)合成一個(gè)整體，最后提取 的機(jī)身外形數(shù)模如圖5所示。

　　(2)建立左半機(jī)身凹模。 建立機(jī)身凹模可運(yùn)用的命令有多種，這也正是CATIA建模的靈活性所在。這里采用“拉伸”實(shí)體，然后再裁切的方法， 建立機(jī)身凹模，原理如圖6。經(jīng)過(guò)裁切，最終建立的左半機(jī)身凹模如圖7。 右半機(jī)身凹模建模過(guò)程與上述類似。

　　(3)加工模擬及程序輸出。

　　利用CATIA的數(shù)控加工功能進(jìn)行機(jī)身凹模的數(shù)控加工設(shè)計(jì)。建立數(shù)控加工的毛坯，然后轉(zhuǎn)到數(shù)控加工的曲面加工單元，選擇數(shù)控加工設(shè)備、設(shè)置毛料及加工坐標(biāo)系等。為了兼顧效率及質(zhì)量，先用“Roughing”命令進(jìn)行粗加工(如圖8)，然后用“Sweeping”命令并通過(guò)適當(dāng)?shù)募庸?shù)設(shè)置進(jìn)行精加工。

　　整個(gè)仿真加工過(guò)程的最后結(jié)果如圖9，其加工精度與切削要素的設(shè)置有關(guān)。

　　到此，左半機(jī)身的輔助加工模具的設(shè)計(jì)、仿真加工已完成，如仿真過(guò)程中未出現(xiàn)錯(cuò)誤，可根據(jù)加工中心的型號(hào)，將與加工中心格式匹配數(shù)控加工數(shù)控程序輸出到加工中心，進(jìn)行模具試加工。

　　飛機(jī)模型其他部分模具樣板的設(shè)計(jì)和加工模擬與機(jī)身模 具的加工類似。

　　4.模型加工

　　模型加工是在輔助工裝模具、原材料等條件具備后，組織相關(guān)的人力、物力和財(cái)力資源進(jìn)行模型各部分的分塊生產(chǎn)制造和組裝。加工過(guò)程主要是機(jī)身及機(jī)翼等玻璃鋼部件的糊制， 螺旋槳、座椅等部件采用輕木并配合樣板的劃線加工。加工時(shí)要注意各部件加工時(shí)間節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)籌安排。模型修配是對(duì)各部分聯(lián)接處進(jìn)行整修，使其之間能夠完全貼合，過(guò)渡流暢。特別是長(zhǎng)合攏線很難嚴(yán)絲合縫，損害了作品的觀感，因此要填補(bǔ)空缺的部分，并將多余的部分打磨干凈。最后組裝完成后，經(jīng)噴漆最后制成的飛機(jī)模型如圖10。

　　5.模型評(píng)價(jià)

　　最終飛機(jī)模型的制造質(zhì)量如何，還需組織有關(guān)技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，以找出不足并予以改進(jìn)。模型評(píng)價(jià)可組織產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、工裝模具設(shè)計(jì)及加工人員等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)評(píng)議，找出模型生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題及飛機(jī)模型存在的瑕疵，將這些反饋到模型數(shù)據(jù)和工藝方案制訂的環(huán)節(jié)，若有必要可對(duì)模型數(shù)據(jù)和工藝方案進(jìn)行修改。

　　五、模型制作過(guò)程中的注意事項(xiàng)

　　(1)必須注意數(shù)據(jù)的一致性。輔助模具、工裝和樣板制造的理論數(shù)據(jù)均應(yīng)取自建立三維計(jì)算機(jī)立體數(shù)模，保證數(shù)據(jù)傳 遞的一致性和精確性。

　　(2)必須注意運(yùn)用現(xiàn)代仿真技術(shù)，它一方面是數(shù)值模擬結(jié)果的可視化，直觀顯示出在一定工藝參數(shù)條件下的模擬成形結(jié)果;另一方面是NC程序的動(dòng)態(tài)仿真，以減少實(shí)際加工過(guò)程的失誤。

　　(3)必須注意運(yùn)用并行化思想，通過(guò)并行作業(yè)，可以有效地實(shí)現(xiàn)組織扁平化，在模型設(shè)計(jì)初期時(shí)，即考慮可制造性、可裝配性，這樣可以減少反復(fù)，縮短模型制造開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　飛機(jī)模型在展覽時(shí)往往會(huì)具有比真品更直觀的效果，特別是飛機(jī)解剖模型，其剖面結(jié)構(gòu)可使飛機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案特征一目了然。然而要使模型購(gòu)買(mǎi)和參觀者獲得更多的認(rèn)同，還要在飛機(jī)模型制造方面下更大的功夫，這就需要吸納先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，采用更多的、更先進(jìn)模型設(shè)計(jì)及制造工藝技術(shù)和方法， 而飛機(jī)模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。