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

　　一、飛機模型概述

　　飛機模型是以真實或在研某種飛機為原型，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。飛機模型按是否能透視內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為解剖型飛機模型和非解剖型飛機模型;按飛機的種類可分為運輸機模型、戰(zhàn)斗機模型、攻擊機模型、轟炸機模型、直升機模型和特種飛機模型等; 按飛機模型材質(zhì)可分為樹脂飛機模型、玻璃鋼飛機模型、塑料飛機模型和金屬飛機模型等。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。有的飛機模型還有很強的紀念意義，比如北京2008年奧運會火炬?zhèn)鬟f圣火號飛機模型、吉祥號飛機等。

　　許多飛機模型集成了當今先進的設計和制造技術(shù)，本身也是當今模型制造業(yè)科技發(fā)展的體現(xiàn)。每一個飛機模型都是按比例把各式飛機縮小制造成的模型，表面打磨噴漆，精細亮澤，有的飛機模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)(如發(fā)動機、儀表板、座椅和駕駛舵等部件)也被仿造得維妙維肖。由于制造過程復雜，產(chǎn)量較低，當一種模型發(fā)行銷售以后，隨著時間的推移和人們認識水平的不斷提高，收藏模型的人越來越多，人們手上的模型也會得到升值。

　　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)設計圖樣，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)量嚴重依賴于人為因素，整體水平不易控制;模型制造過程采用串行方式，易造成設計與制造脫節(jié)，重復勞動多，加工周期長。模型制造只能通過制造完成后才可對模型進行質(zhì)量評價，此時若返修，成本較高。

　　隨著當今科技的快速發(fā)展，模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)已得到廣泛應用，輔以模型制造的計算機仿真技術(shù)，所見即所得，大大減少了模型制造中的錯誤，縮短了模型的制造時間，提高了模型制造的效率。

　　模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)整合了工藝驗證過程，通過模型生產(chǎn)過程的虛擬加工進行工藝驗證，考核工藝合理性和適應性，以保證模型生產(chǎn)中的產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)成本較低，同時優(yōu)化了模型制造人員的工作條件。

　　三、模型的制作過程

　　模型制作類似于產(chǎn)品的制造過程，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，往往是模型的設計圖樣、關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算機數(shù)模，可根據(jù)飛機的相關理論尺寸數(shù)據(jù)，選用相應的三維軟件建模。建立的三維立體計算機數(shù)模的外型效果應由有關部門專家組成審查組進行審查，數(shù)模有問題的地方應在下一步前進行修改，修改后的數(shù)模再由審查組進行第二輪審查，最后確認無誤后，將修改好的三維數(shù)模做為最終結(jié)果，并作為模具、工裝和樣板等設計及加工的依據(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)飾及機身彩繪等。模型分解是以飛機的結(jié)構(gòu)為依據(jù)，一般可分解為發(fā)動機、機身、機翼、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，為保證模型外形，需要輔助模具和樣板等。

　　以機身為例，為使模型能夠真實 地體現(xiàn)實際機身的外型效果，表面圓角和過渡等都應按機身外蒙皮實際尺寸制作。為保證飛機模型機身外形，可以以三維CAD立體計算機數(shù)模為基礎，以機身 對稱平面為分界面，分為兩個半機身， 采用數(shù)控機床加工半機身模具，再以半機身模具制造半機身，最后再將半機身 對接組裝成整個機身模型。

　　飛機模型其他部分的制造可參照機 身模型的制造方法，不過應盡量減少輔 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身、機翼 和螺旋槳等帶有復雜曲線外形部件的生產(chǎn)。對于機翼外形要求不嚴格的飛機模 型的制造，可省去機翼制造輔助模具， 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立體計算機數(shù)模，并在進行數(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。模型修配是對各 部件對接部進行整形，順利完成各部分的拼接。在這些過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，應在兩半機身對接前完成， 噴漆彩繪應做為模型包裝運輸前的最后一道工序。

　　模型評價是對模型制造完成后的最 后評審，根據(jù)評審的結(jié)果可反饋到模型 數(shù)據(jù)或工藝方案部分，并對相關模型數(shù) 據(jù)或工藝方案進行改進。

　　在模型制造過程，始終以建立的計算機數(shù)模做為數(shù)據(jù)傳遞的基礎。現(xiàn)代模型設計技術(shù)是以計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)等輔 助工具為手段，運用CAD/CAM一體化模型 制造技術(shù)將模型設計、制造和生產(chǎn)過程有機結(jié)合在一起，大大提高了飛機模型設計、制造的準確性和效率。

　　四、CATIA在飛機模型CAD/CAM一體化模型制造過程中的應用

　　計算機輔助CAD/CAM一體化技術(shù)即計算機輔助設計與制造技術(shù)，大大地減 少了幾何建模與工程圖樣建立所需的時間，實現(xiàn)“從藝術(shù)到制品”，減少產(chǎn)品上市時間，減少開發(fā)成本。計算機輔助 CAD/CAM一體化技術(shù)是今后飛機模型生產(chǎn) 的大勢所趨。

　　CATIA是由法國達索析統(tǒng)開發(fā)的CAD/ CAM/CAE/PDM應用系統(tǒng)，包括機械設計、外形設計、分析工具、機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)品從概念設計到產(chǎn)品維護的全過程，是面向虛擬產(chǎn)品CAD/CAM一體化開發(fā)的系統(tǒng)，也是飛機模型設計、制造和開發(fā)的優(yōu)秀工具。

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

　　1.模型數(shù)據(jù)輸入

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

　　2.工藝方案制訂

　　飛機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模型分塊制造時的分解情況。機身制造時為保證其外形精確，采用凹模輔助其加工，按前述，采用兩半機身模加工玻璃鋼半機身外形，然后對接。由于飛機模型并非風洞吹風模型，只是用于靜態(tài)展示，不要求非常精確的機翼外形，故機翼可采用輔助樣板加工。為減輕機翼的重量，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。起落架及機輪采用輕金屬機加制造。 制造完成，機身、機翼、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)動靈活，其與機身的聯(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， 應在兩半機身對接前。

　　3.輔助工裝模具

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

　　(1)提取機身數(shù)模。 從整機三維數(shù)模上用“抽取”命令提取出機身型面，然后用“聯(lián)合”命令將抽取的各曲面聯(lián)合成一個整體，最后提取 的機身外形數(shù)模如圖5所示。

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

　　(3)加工模擬及程序輸出。

　　利用CATIA的數(shù)控加工功能進行機身凹模的數(shù)控加工設計。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)控加工設備、設置毛料及加工坐標系等。為了兼顧效率及質(zhì)量，先用“Roughing”命令進行粗加工(如圖8)，然后用“Sweeping”命令并通過適當?shù)募庸?shù)設置進行精加工。

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

　　到此，左半機身的輔助加工模具的設計、仿真加工已完成，如仿真過程中未出現(xiàn)錯誤，可根據(jù)加工中心的型號，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，進行模具試加工。

　　飛機模型其他部分模具樣板的設計和加工模擬與機身模 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，組織相關的人力、物力和財力資源進行模型各部分的分塊生產(chǎn)制造和組裝。加工過程主要是機身及機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。加工時要注意各部件加工時間節(jié)點的統(tǒng)籌安排。模型修配是對各部分聯(lián)接處進行整修，使其之間能夠完全貼合，過渡流暢。特別是長合攏線很難嚴絲合縫，損害了作品的觀感，因此要填補空缺的部分，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模型如圖10。

　　5.模型評價

　　最終飛機模型的制造質(zhì)量如何，還需組織有關技術(shù)人員對其進行評價，以找出不足并予以改進。模型評價可組織產(chǎn)品設計、工藝、工裝模具設計及加工人員等進行現(xiàn)場評議，找出模型生產(chǎn)過程中存在的問題及飛機模型存在的瑕疵，將這些反饋到模型數(shù)據(jù)和工藝方案制訂的環(huán)節(jié)，若有必要可對模型數(shù)據(jù)和工藝方案進行修改。

　　五、模型制作過程中的注意事項

　　(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)均應取自建立三維計算機立體數(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程序的動態(tài)仿真，以減少實際加工過程的失誤。

　　(3)必須注意運用并行化思想，通過并行作業(yè)，可以有效地實現(xiàn)組織扁平化，在模型設計初期時，即考慮可制造性、可裝配性，這樣可以減少反復，縮短模型制造開發(fā)時間。

　　飛機模型在展覽時往往會具有比真品更直觀的效果，特別是飛機解剖模型，其剖面結(jié)構(gòu)可使飛機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方案特征一目了然。然而要使模型購買和參觀者獲得更多的認同，還要在飛機模型制造方面下更大的功夫，這就需要吸納先進的科學技術(shù)，采用更多的、更先進模型設計及制造工藝技術(shù)和方法， 而飛機模型CAD/CAM一體化制造技術(shù)是一個不錯的選擇。