摘 要：針對(duì)飛機(jī)三通導(dǎo)管零件工裝型胎的磨損，通過(guò)采集現(xiàn)有三通導(dǎo)管零件或其工裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA模塊逆向建模，實(shí)現(xiàn)零件或原有工裝的數(shù)字化。這一過(guò)程，順應(yīng)了當(dāng)今飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的模擬量傳遞方法開(kāi)始向現(xiàn)代的數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，既保留了傳統(tǒng)互換協(xié)調(diào)的原始依據(jù)，又為今后的數(shù)字化制造、數(shù)字化協(xié)調(diào)提供了電子數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：CATIA；數(shù)字化；三通導(dǎo)管零件；逆向；建模

1 背景

在當(dāng)前三維數(shù)字化技術(shù)的沖擊下，傳統(tǒng)的模擬量傳遞方法開(kāi)始向現(xiàn)代的數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，以工裝為加工制造依據(jù)的零件，需要在保證原始依據(jù)不變的情況下，逐步形成其電子數(shù)據(jù)。因此，使用三維掃描儀器采集零件工裝的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA逆向模塊建立零件數(shù)模，從而形成了零件的電子數(shù)據(jù)，應(yīng)用于數(shù)字化條件下的工裝制造和零件生產(chǎn)。

在逆向建模中，三通導(dǎo)管類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多數(shù)情況下不是單曲率曲面，而是雙曲率曲面，而且三通接頭處的曲面形成有一定的困難。在目前常規(guī)加工多采用打?qū)崢舆M(jìn)行生產(chǎn)，有的工藝采用打半個(gè)實(shí)樣之后焊接的方式形成。不僅手工工藝繁雜，成形困難，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。通過(guò)逆向建模，實(shí)現(xiàn)三通導(dǎo)管類(lèi)零件及工裝型胎數(shù)字化，進(jìn)行數(shù)控加工生產(chǎn)，提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期。下面就以三通導(dǎo)管類(lèi)零件為例，描述其逆向建模的要點(diǎn)。

2 逆向建模過(guò)程

三通導(dǎo)管類(lèi)零件逆向建模步驟分為：掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、處理；基于CATIA實(shí)體模型的構(gòu)建；曲面誤差分析及檢測(cè)。以圖1為例來(lái)說(shuō)明。

2.1 掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、處理

2.1.1 掃描

三通導(dǎo)管零件主要掃描的是其配套型胎，采用激光掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，然后形成iges、cgo等點(diǎn)云格式的文件（見(jiàn)圖2）。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

Iges格式的文件可以直接將其拖拽到CATIA界面就可打開(kāi)，也可以利用CLOUD IMPORT導(dǎo)入。

圖1 三通導(dǎo)管零件 圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA后，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，為減小數(shù)模體積，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行篩選，降低點(diǎn)云的密度。同時(shí)，過(guò)濾或去除一些多余元素或者偏差較大元素，可以減小點(diǎn)云曲率突變的概率。

通過(guò)分析零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大致可斷定零件的外形趨勢(shì)。根據(jù)外形趨勢(shì)，應(yīng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成特征單一、互不重疊的區(qū)域，使每一區(qū)域點(diǎn)云都能用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述。通常可用數(shù)學(xué)函數(shù)描述的曲面類(lèi)型有解析曲面和自由曲面兩種，解析曲面包括平面、圓錐面、圓柱面、球面等，掃描儀采集后直接形成的曲面通常是不規(guī)則自由曲面，對(duì)自由曲面分塊的原則是區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云曲率沒(méi)有突變，或者是曲率雖有變化，但是沿某一方向上的變化情況一致。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割的關(guān)鍵是找到塊的邊界，分塊時(shí)還應(yīng)注意塊的數(shù)量應(yīng)盡可能較少，以減少曲面拼接帶來(lái)的困難。

三通導(dǎo)管零件通常分割成單一圓柱面或單一圓錐面，如圖3所示。

2.2 基于CATIA實(shí)體模型的構(gòu)建

2.2.1 導(dǎo)管零件中心線擬合

中心線是重新設(shè)計(jì)各個(gè)截面的參考元素，作為設(shè)計(jì)曲面時(shí)的引導(dǎo)線。擬合的中心線越接近于真實(shí)，越能形成特征近似的截面線，也就能更好的進(jìn)行曲面操作。

針對(duì)三通導(dǎo)管零件可將每一塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別做出各自的中心線（見(jiàn)圖5）。

2.2.2 曲線的形成、光順與修正

曲線是曲面構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵的一步。以各自的中心線為引導(dǎo)線，運(yùn)用CATIA截面線創(chuàng)建命令，選定合適的間距，可以得到一系列特征接近的截面線。直接利用這些曲線進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)，單曲率的情況下可能會(huì)形成一個(gè)粗糙的曲面，但是大多數(shù)情況下為雙曲率的情況，這樣就較難生成曲面，甚至不能生成。這是因?yàn)榍€不是嚴(yán)格規(guī)范的曲線，為了得到較高質(zhì)量的曲面，需要對(duì)曲線進(jìn)行光順和修正。

對(duì)于所有曲線，應(yīng)先將它們用同一個(gè)平面切斷成兩段曲線，進(jìn)行光順，消除曲線上的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)使所有曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)保持在同一平面上。對(duì)于曲率有突變的區(qū)域，可將突變部分剪掉，用樣條曲線補(bǔ)齊的方法進(jìn)行修正。對(duì)于三通導(dǎo)管相貫的區(qū)域，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失區(qū)域，為了使曲面光滑，先用樣條曲線將其補(bǔ)齊成封閉光滑曲線，然后再形成多截面曲面。（見(jiàn)圖4）。

圖4 樣條曲線缺失處的補(bǔ)齊

2.2.3 曲面構(gòu)建

選擇合理的曲面造型技術(shù)進(jìn)行擬合，生成若干個(gè)封閉、光滑的曲面，再將各塊曲面通過(guò)拼接、延伸、過(guò)渡、裁剪、光順等技術(shù)處理，最終獲得實(shí)體表面形狀、尺寸精度范圍內(nèi)的曲面模型。曲面模型必須保證單張曲面的性能和各個(gè)連接曲面之間光滑、平順、封閉和連續(xù)，這樣才能保證曲面模型的整體性能。

為了避免接合后的曲面出現(xiàn)不封閉的現(xiàn)象，曲面與相鄰曲面的拼接必須采用同一條曲線。三通接頭的過(guò)渡處是一個(gè)特殊的地方，可以將相貫的兩個(gè)曲面分別延伸，采用倒圓角的方式，以合適的倒角進(jìn)行倒圓，形成規(guī)則的相貫通曲面。

通常情況下，掃描工裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要比實(shí)體零件稍大一點(diǎn)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的斷開(kāi)處可以近似擬合出一個(gè)平面，用此平面裁剪曲面，形成零件的終止端面。或者通過(guò)拾取點(diǎn)云邊界點(diǎn)，形成一條影線，得到零件的邊緣線，用它分割曲面即可。

圖5 中心線、截面線及曲面的構(gòu)建

2.2.4 形成實(shí)體

根據(jù)掃描對(duì)象類(lèi)型，用構(gòu)建好的曲面加厚形成實(shí)體。由于三通導(dǎo)管零件掃描的是工裝型胎，需要考慮零件內(nèi)表面貼合在工裝型胎上，由此將曲面向外偏移加厚（如圖1所示）。

2.3 曲面誤差分析及檢測(cè)

工裝模具作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的工藝裝備，在使用過(guò)程中發(fā)生自然磨損，對(duì)于進(jìn)口模具經(jīng)過(guò)常年的使用，會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，因此逆向建模產(chǎn)生的誤差之一就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差，實(shí)體模型構(gòu)建過(guò)程中，光順和修正曲線時(shí)也會(huì)造成曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的差異。

針對(duì)不同的零件，工藝性要求根據(jù)生產(chǎn)需要而定。工藝性一方面要求曲面質(zhì)量，達(dá)到平滑程度和連續(xù)性，另一方面要求符合點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如果一個(gè)曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全吻合，該曲面必然會(huì)有很多波動(dòng)。在大多數(shù)情況下，只要誤差沒(méi)有超過(guò)允許范圍，可以側(cè)重要求高質(zhì)量的曲面。此外，在小批量生產(chǎn)初期，還需要經(jīng)過(guò)首件驗(yàn)證，在實(shí)際生產(chǎn)中得到認(rèn)可。

一般情況下，三通導(dǎo)管零件表面與點(diǎn)云偏差應(yīng)在0.5mm以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖6），具體可根據(jù)生產(chǎn)需要確定。通過(guò)偏差分析，生成曲面與點(diǎn)云偏差在0.5mm以?xún)?nèi)的比例占95%以上，精確度較高，滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的看來(lái)，逆向建模是一種快速開(kāi)發(fā)產(chǎn)品數(shù)字化的重要技術(shù)手段，它為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向建模根據(jù)已存在的零件或其工裝型胎設(shè)計(jì)數(shù)模，由此形成零件或其工裝的電子數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)零件的改進(jìn)、互換協(xié)調(diào)、工裝修復(fù)、型胎復(fù)制等。同時(shí)，逆向建模應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，有效地保留了飛機(jī)零件原有的制造依據(jù)，大力地促進(jìn)了從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的發(fā)展，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[2]金濤，童水光.逆向工程技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]尤春風(fēng)，CATIA V5高級(jí)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[4]中航工業(yè)沈飛制造工程部.工藝員手冊(cè)第二分冊(cè)模線樣板及制造數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)管理[K].沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任.公司內(nèi)部資料，2009.

作者簡(jiǎn)介：李彥（1975-），女，漢族，1998年畢業(yè)于大連工業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事工藝裝備與生產(chǎn)準(zhǔn)備、數(shù)字制造技術(shù)等方面工作。

摘 要：針對(duì)飛機(jī)三通導(dǎo)管零件工裝型胎的磨損，通過(guò)采集現(xiàn)有三通導(dǎo)管零件或其工裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA模塊逆向建模，實(shí)現(xiàn)零件或原有工裝的數(shù)字化。這一過(guò)程，順應(yīng)了當(dāng)今飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的模擬量傳遞方法開(kāi)始向現(xiàn)代的數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，既保留了傳統(tǒng)互換協(xié)調(diào)的原始依據(jù)，又為今后的數(shù)字化制造、數(shù)字化協(xié)調(diào)提供了電子數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：CATIA；數(shù)字化；三通導(dǎo)管零件；逆向；建模

1 背景

在當(dāng)前三維數(shù)字化技術(shù)的沖擊下，傳統(tǒng)的模擬量傳遞方法開(kāi)始向現(xiàn)代的數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，以工裝為加工制造依據(jù)的零件，需要在保證原始依據(jù)不變的情況下，逐步形成其電子數(shù)據(jù)。因此，使用三維掃描儀器采集零件工裝的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA逆向模塊建立零件數(shù)模，從而形成了零件的電子數(shù)據(jù)，應(yīng)用于數(shù)字化條件下的工裝制造和零件生產(chǎn)。

在逆向建模中，三通導(dǎo)管類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多數(shù)情況下不是單曲率曲面，而是雙曲率曲面，而且三通接頭處的曲面形成有一定的困難。在目前常規(guī)加工多采用打?qū)崢舆M(jìn)行生產(chǎn)，有的工藝采用打半個(gè)實(shí)樣之后焊接的方式形成。不僅手工工藝繁雜，成形困難，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。通過(guò)逆向建模，實(shí)現(xiàn)三通導(dǎo)管類(lèi)零件及工裝型胎數(shù)字化，進(jìn)行數(shù)控加工生產(chǎn)，提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期。下面就以三通導(dǎo)管類(lèi)零件為例，描述其逆向建模的要點(diǎn)。

2 逆向建模過(guò)程

三通導(dǎo)管類(lèi)零件逆向建模步驟分為：掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、處理；基于CATIA實(shí)體模型的構(gòu)建；曲面誤差分析及檢測(cè)。以圖1為例來(lái)說(shuō)明。

2.1 掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、處理

2.1.1 掃描

三通導(dǎo)管零件主要掃描的是其配套型胎，采用激光掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，然后形成iges、cgo等點(diǎn)云格式的文件（見(jiàn)圖2）。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

Iges格式的文件可以直接將其拖拽到CATIA界面就可打開(kāi)，也可以利用CLOUD IMPORT導(dǎo)入。

圖1 三通導(dǎo)管零件 圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA后，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，為減小數(shù)模體積，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行篩選，降低點(diǎn)云的密度。同時(shí)，過(guò)濾或去除一些多余元素或者偏差較大元素，可以減小點(diǎn)云曲率突變的概率。

通過(guò)分析零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大致可斷定零件的外形趨勢(shì)。根據(jù)外形趨勢(shì)，應(yīng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成特征單一、互不重疊的區(qū)域，使每一區(qū)域點(diǎn)云都能用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述。通常可用數(shù)學(xué)函數(shù)描述的曲面類(lèi)型有解析曲面和自由曲面兩種，解析曲面包括平面、圓錐面、圓柱面、球面等，掃描儀采集后直接形成的曲面通常是不規(guī)則自由曲面，對(duì)自由曲面分塊的原則是區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云曲率沒(méi)有突變，或者是曲率雖有變化，但是沿某一方向上的變化情況一致。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割的關(guān)鍵是找到塊的邊界，分塊時(shí)還應(yīng)注意塊的數(shù)量應(yīng)盡可能較少，以減少曲面拼接帶來(lái)的困難。

三通導(dǎo)管零件通常分割成單一圓柱面或單一圓錐面，如圖3所示。

2.2 基于CATIA實(shí)體模型的構(gòu)建

2.2.1 導(dǎo)管零件中心線擬合

中心線是重新設(shè)計(jì)各個(gè)截面的參考元素，作為設(shè)計(jì)曲面時(shí)的引導(dǎo)線。擬合的中心線越接近于真實(shí)，越能形成特征近似的截面線，也就能更好的進(jìn)行曲面操作。

針對(duì)三通導(dǎo)管零件可將每一塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別做出各自的中心線（見(jiàn)圖5）。

2.2.2 曲線的形成、光順與修正

曲線是曲面構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵的一步。以各自的中心線為引導(dǎo)線，運(yùn)用CATIA截面線創(chuàng)建命令，選定合適的間距，可以得到一系列特征接近的截面線。直接利用這些曲線進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)，單曲率的情況下可能會(huì)形成一個(gè)粗糙的曲面，但是大多數(shù)情況下為雙曲率的情況，這樣就較難生成曲面，甚至不能生成。這是因?yàn)榍€不是嚴(yán)格規(guī)范的曲線，為了得到較高質(zhì)量的曲面，需要對(duì)曲線進(jìn)行光順和修正。

對(duì)于所有曲線，應(yīng)先將它們用同一個(gè)平面切斷成兩段曲線，進(jìn)行光順，消除曲線上的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)使所有曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)保持在同一平面上。對(duì)于曲率有突變的區(qū)域，可將突變部分剪掉，用樣條曲線補(bǔ)齊的方法進(jìn)行修正。對(duì)于三通導(dǎo)管相貫的區(qū)域，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失區(qū)域，為了使曲面光滑，先用樣條曲線將其補(bǔ)齊成封閉光滑曲線，然后再形成多截面曲面。（見(jiàn)圖4）。

圖4 樣條曲線缺失處的補(bǔ)齊

2.2.3 曲面構(gòu)建

選擇合理的曲面造型技術(shù)進(jìn)行擬合，生成若干個(gè)封閉、光滑的曲面，再將各塊曲面通過(guò)拼接、延伸、過(guò)渡、裁剪、光順等技術(shù)處理，最終獲得實(shí)體表面形狀、尺寸精度范圍內(nèi)的曲面模型。曲面模型必須保證單張曲面的性能和各個(gè)連接曲面之間光滑、平順、封閉和連續(xù)，這樣才能保證曲面模型的整體性能。

為了避免接合后的曲面出現(xiàn)不封閉的現(xiàn)象，曲面與相鄰曲面的拼接必須采用同一條曲線。三通接頭的過(guò)渡處是一個(gè)特殊的地方，可以將相貫的兩個(gè)曲面分別延伸，采用倒圓角的方式，以合適的倒角進(jìn)行倒圓，形成規(guī)則的相貫通曲面。

通常情況下，掃描工裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要比實(shí)體零件稍大一點(diǎn)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的斷開(kāi)處可以近似擬合出一個(gè)平面，用此平面裁剪曲面，形成零件的終止端面?；蛘咄ㄟ^(guò)拾取點(diǎn)云邊界點(diǎn)，形成一條影線，得到零件的邊緣線，用它分割曲面即可。

圖5 中心線、截面線及曲面的構(gòu)建

2.2.4 形成實(shí)體

根據(jù)掃描對(duì)象類(lèi)型，用構(gòu)建好的曲面加厚形成實(shí)體。由于三通導(dǎo)管零件掃描的是工裝型胎，需要考慮零件內(nèi)表面貼合在工裝型胎上，由此將曲面向外偏移加厚（如圖1所示）。

2.3 曲面誤差分析及檢測(cè)

工裝模具作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的工藝裝備，在使用過(guò)程中發(fā)生自然磨損，對(duì)于進(jìn)口模具經(jīng)過(guò)常年的使用，會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，因此逆向建模產(chǎn)生的誤差之一就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差，實(shí)體模型構(gòu)建過(guò)程中，光順和修正曲線時(shí)也會(huì)造成曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的差異。

針對(duì)不同的零件，工藝性要求根據(jù)生產(chǎn)需要而定。工藝性一方面要求曲面質(zhì)量，達(dá)到平滑程度和連續(xù)性，另一方面要求符合點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如果一個(gè)曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全吻合，該曲面必然會(huì)有很多波動(dòng)。在大多數(shù)情況下，只要誤差沒(méi)有超過(guò)允許范圍，可以側(cè)重要求高質(zhì)量的曲面。此外，在小批量生產(chǎn)初期，還需要經(jīng)過(guò)首件驗(yàn)證，在實(shí)際生產(chǎn)中得到認(rèn)可。

一般情況下，三通導(dǎo)管零件表面與點(diǎn)云偏差應(yīng)在0.5mm以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖6），具體可根據(jù)生產(chǎn)需要確定。通過(guò)偏差分析，生成曲面與點(diǎn)云偏差在0.5mm以?xún)?nèi)的比例占95%以上，精確度較高，滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的看來(lái)，逆向建模是一種快速開(kāi)發(fā)產(chǎn)品數(shù)字化的重要技術(shù)手段，它為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向建模根據(jù)已存在的零件或其工裝型胎設(shè)計(jì)數(shù)模，由此形成零件或其工裝的電子數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)零件的改進(jìn)、互換協(xié)調(diào)、工裝修復(fù)、型胎復(fù)制等。同時(shí)，逆向建模應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，有效地保留了飛機(jī)零件原有的制造依據(jù)，大力地促進(jìn)了從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的發(fā)展，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]范玉青.現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

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[4]中航工業(yè)沈飛制造工程部.工藝員手冊(cè)第二分冊(cè)模線樣板及制造數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)管理[K].沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任.公司內(nèi)部資料，2009.

作者簡(jiǎn)介：李彥（1975-），女，漢族，1998年畢業(yè)于大連工業(yè)大學(xué)，工程師，主要從事工藝裝備與生產(chǎn)準(zhǔn)備、數(shù)字制造技術(shù)等方面工作。

摘 要：針對(duì)飛機(jī)三通導(dǎo)管零件工裝型胎的磨損，通過(guò)采集現(xiàn)有三通導(dǎo)管零件或其工裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA模塊逆向建模，實(shí)現(xiàn)零件或原有工裝的數(shù)字化。這一過(guò)程，順應(yīng)了當(dāng)今飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的模擬量傳遞方法開(kāi)始向現(xiàn)代的數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，既保留了傳統(tǒng)互換協(xié)調(diào)的原始依據(jù)，又為今后的數(shù)字化制造、數(shù)字化協(xié)調(diào)提供了電子數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：CATIA；數(shù)字化；三通導(dǎo)管零件；逆向；建模

1 背景

在當(dāng)前三維數(shù)字化技術(shù)的沖擊下，傳統(tǒng)的模擬量傳遞方法開(kāi)始向現(xiàn)代的數(shù)字量傳遞方法轉(zhuǎn)變，以工裝為加工制造依據(jù)的零件，需要在保證原始依據(jù)不變的情況下，逐步形成其電子數(shù)據(jù)。因此，使用三維掃描儀器采集零件工裝的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA逆向模塊建立零件數(shù)模，從而形成了零件的電子數(shù)據(jù)，應(yīng)用于數(shù)字化條件下的工裝制造和零件生產(chǎn)。

在逆向建模中，三通導(dǎo)管類(lèi)零件的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多數(shù)情況下不是單曲率曲面，而是雙曲率曲面，而且三通接頭處的曲面形成有一定的困難。在目前常規(guī)加工多采用打?qū)崢舆M(jìn)行生產(chǎn)，有的工藝采用打半個(gè)實(shí)樣之后焊接的方式形成。不僅手工工藝繁雜，成形困難，而且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高。通過(guò)逆向建模，實(shí)現(xiàn)三通導(dǎo)管類(lèi)零件及工裝型胎數(shù)字化，進(jìn)行數(shù)控加工生產(chǎn)，提高加工效率，縮短生產(chǎn)周期。下面就以三通導(dǎo)管類(lèi)零件為例，描述其逆向建模的要點(diǎn)。

2 逆向建模過(guò)程

三通導(dǎo)管類(lèi)零件逆向建模步驟分為：掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、處理；基于CATIA實(shí)體模型的構(gòu)建；曲面誤差分析及檢測(cè)。以圖1為例來(lái)說(shuō)明。

2.1 掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、處理

2.1.1 掃描

三通導(dǎo)管零件主要掃描的是其配套型胎，采用激光掃描儀進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集，然后形成iges、cgo等點(diǎn)云格式的文件（見(jiàn)圖2）。

2.1.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

Iges格式的文件可以直接將其拖拽到CATIA界面就可打開(kāi)，也可以利用CLOUD IMPORT導(dǎo)入。

圖1 三通導(dǎo)管零件 圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA后，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理。如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，為減小數(shù)模體積，應(yīng)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行篩選，降低點(diǎn)云的密度。同時(shí)，過(guò)濾或去除一些多余元素或者偏差較大元素，可以減小點(diǎn)云曲率突變的概率。

通過(guò)分析零件的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，大致可斷定零件的外形趨勢(shì)。根據(jù)外形趨勢(shì)，應(yīng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割成特征單一、互不重疊的區(qū)域，使每一區(qū)域點(diǎn)云都能用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)描述。通?？捎脭?shù)學(xué)函數(shù)描述的曲面類(lèi)型有解析曲面和自由曲面兩種，解析曲面包括平面、圓錐面、圓柱面、球面等，掃描儀采集后直接形成的曲面通常是不規(guī)則自由曲面，對(duì)自由曲面分塊的原則是區(qū)域內(nèi)點(diǎn)云曲率沒(méi)有突變，或者是曲率雖有變化，但是沿某一方向上的變化情況一致。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割的關(guān)鍵是找到塊的邊界，分塊時(shí)還應(yīng)注意塊的數(shù)量應(yīng)盡可能較少，以減少曲面拼接帶來(lái)的困難。

三通導(dǎo)管零件通常分割成單一圓柱面或單一圓錐面，如圖3所示。

2.2 基于CATIA實(shí)體模型的構(gòu)建

2.2.1 導(dǎo)管零件中心線擬合

中心線是重新設(shè)計(jì)各個(gè)截面的參考元素，作為設(shè)計(jì)曲面時(shí)的引導(dǎo)線。擬合的中心線越接近于真實(shí)，越能形成特征近似的截面線，也就能更好的進(jìn)行曲面操作。

針對(duì)三通導(dǎo)管零件可將每一塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別做出各自的中心線（見(jiàn)圖5）。

2.2.2 曲線的形成、光順與修正

曲線是曲面構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是關(guān)鍵的一步。以各自的中心線為引導(dǎo)線，運(yùn)用CATIA截面線創(chuàng)建命令，選定合適的間距，可以得到一系列特征接近的截面線。直接利用這些曲線進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)，單曲率的情況下可能會(huì)形成一個(gè)粗糙的曲面，但是大多數(shù)情況下為雙曲率的情況，這樣就較難生成曲面，甚至不能生成。這是因?yàn)榍€不是嚴(yán)格規(guī)范的曲線，為了得到較高質(zhì)量的曲面，需要對(duì)曲線進(jìn)行光順和修正。

對(duì)于所有曲線，應(yīng)先將它們用同一個(gè)平面切斷成兩段曲線，進(jìn)行光順，消除曲線上的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)使所有曲線的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)保持在同一平面上。對(duì)于曲率有突變的區(qū)域，可將突變部分剪掉，用樣條曲線補(bǔ)齊的方法進(jìn)行修正。對(duì)于三通導(dǎo)管相貫的區(qū)域，是點(diǎn)云數(shù)據(jù)缺失區(qū)域，為了使曲面光滑，先用樣條曲線將其補(bǔ)齊成封閉光滑曲線，然后再形成多截面曲面。（見(jiàn)圖4）。

圖4 樣條曲線缺失處的補(bǔ)齊

2.2.3 曲面構(gòu)建

選擇合理的曲面造型技術(shù)進(jìn)行擬合，生成若干個(gè)封閉、光滑的曲面，再將各塊曲面通過(guò)拼接、延伸、過(guò)渡、裁剪、光順等技術(shù)處理，最終獲得實(shí)體表面形狀、尺寸精度范圍內(nèi)的曲面模型。曲面模型必須保證單張曲面的性能和各個(gè)連接曲面之間光滑、平順、封閉和連續(xù)，這樣才能保證曲面模型的整體性能。

為了避免接合后的曲面出現(xiàn)不封閉的現(xiàn)象，曲面與相鄰曲面的拼接必須采用同一條曲線。三通接頭的過(guò)渡處是一個(gè)特殊的地方，可以將相貫的兩個(gè)曲面分別延伸，采用倒圓角的方式，以合適的倒角進(jìn)行倒圓，形成規(guī)則的相貫通曲面。

通常情況下，掃描工裝的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要比實(shí)體零件稍大一點(diǎn)，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)的斷開(kāi)處可以近似擬合出一個(gè)平面，用此平面裁剪曲面，形成零件的終止端面。或者通過(guò)拾取點(diǎn)云邊界點(diǎn)，形成一條影線，得到零件的邊緣線，用它分割曲面即可。

圖5 中心線、截面線及曲面的構(gòu)建

2.2.4 形成實(shí)體

根據(jù)掃描對(duì)象類(lèi)型，用構(gòu)建好的曲面加厚形成實(shí)體。由于三通導(dǎo)管零件掃描的是工裝型胎，需要考慮零件內(nèi)表面貼合在工裝型胎上，由此將曲面向外偏移加厚（如圖1所示）。

2.3 曲面誤差分析及檢測(cè)

工裝模具作為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的工藝裝備，在使用過(guò)程中發(fā)生自然磨損，對(duì)于進(jìn)口模具經(jīng)過(guò)常年的使用，會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，因此逆向建模產(chǎn)生的誤差之一就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)的誤差，實(shí)體模型構(gòu)建過(guò)程中，光順和修正曲線時(shí)也會(huì)造成曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的差異。

針對(duì)不同的零件，工藝性要求根據(jù)生產(chǎn)需要而定。工藝性一方面要求曲面質(zhì)量，達(dá)到平滑程度和連續(xù)性，另一方面要求符合點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如果一個(gè)曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全吻合，該曲面必然會(huì)有很多波動(dòng)。在大多數(shù)情況下，只要誤差沒(méi)有超過(guò)允許范圍，可以側(cè)重要求高質(zhì)量的曲面。此外，在小批量生產(chǎn)初期，還需要經(jīng)過(guò)首件驗(yàn)證，在實(shí)際生產(chǎn)中得到認(rèn)可。

一般情況下，三通導(dǎo)管零件表面與點(diǎn)云偏差應(yīng)在0.5mm以?xún)?nèi)（見(jiàn)圖6），具體可根據(jù)生產(chǎn)需要確定。通過(guò)偏差分析，生成曲面與點(diǎn)云偏差在0.5mm以?xún)?nèi)的比例占95%以上，精確度較高，滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

總的看來(lái)，逆向建模是一種快速開(kāi)發(fā)產(chǎn)品數(shù)字化的重要技術(shù)手段，它為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向建模根據(jù)已存在的零件或其工裝型胎設(shè)計(jì)數(shù)模，由此形成零件或其工裝的電子數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)零件的改進(jìn)、互換協(xié)調(diào)、工裝修復(fù)、型胎復(fù)制等。同時(shí)，逆向建模應(yīng)用到飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)領(lǐng)域，有效地保留了飛機(jī)零件原有的制造依據(jù)，大力地促進(jìn)了從模擬量傳遞到數(shù)字量傳遞的發(fā)展，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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