馬偉，徐巖，皺宜勇，徐少林

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.中航工業(yè)昌河飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，江西景德鎮(zhèn)333002)

0 引言

加工仿真是虛擬制造的重要組成部分，其方法是通過建模軟件建立機(jī)床模型，并模擬機(jī)床的實(shí)際運(yùn)動，以便事先發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤、干涉等情況，進(jìn)而提高實(shí)際加工過程的安全性和可靠性［1］。隨著自動鉆鉚設(shè)備的廣泛普及，及加工仿真在自動鉆鉚技術(shù)上的應(yīng)用，極大的提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。而加工仿真的實(shí)現(xiàn)要靠運(yùn)動仿真支撐，反映到自動鉆鉚技術(shù)上即如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動定位。對于平板件蒙皮的定位相對簡單，只需進(jìn)行x，y和z向的移動即可完成產(chǎn)品的定位，而對于非平板件，如單曲度和雙曲度蒙皮，就無法通過單純的移動來實(shí)現(xiàn)其精確定位了。另外，自動鉆鉚設(shè)備運(yùn)動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，加工過程中各運(yùn)動組件易發(fā)生碰撞和干涉；大部分鉚接件上有眾多鉚接點(diǎn)，需要合理規(guī)范鉚接路徑，以減少無效的機(jī)構(gòu)運(yùn)動和姿態(tài)調(diào)整［2］。

1 CATIA的二次開發(fā)方式概述

CATIA是法國達(dá)索(DASSAULT)公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，它為用戶開放了一定的接口，并提供了完整的一套工具，用來定制用戶所需的界面和對數(shù)模進(jìn)行操作等［3］。CATIA二次接口與外部程序通信的方式有兩種:進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序方式［4-5］。

進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序方式也稱為內(nèi)嵌機(jī)制，是指腳本與程序在同一進(jìn)程內(nèi)運(yùn)行，這種方式主要通過宏(Macro)命令執(zhí)行，宏命令程序簡單易懂，但這種方式的人機(jī)交互性較差，不能適應(yīng)復(fù)雜的操作過程，用該方式開發(fā)的軟件也不夠穩(wěn)定。進(jìn)程外應(yīng)用程序被稱為外部開發(fā)機(jī)制，也是軟件二次開發(fā)者普遍使用的方法，利用該方式并結(jié)合CATIA提供的接口，可以實(shí)現(xiàn)CATIA中大部分功能，但這種方法操作相對復(fù)雜，需要二次開發(fā)者熟練掌握CATIA軟件并有過硬的編程能力。

通過對上述兩種方法的比較，考慮到所要實(shí)現(xiàn)功能的復(fù)雜性，以及需要保證所開發(fā)的軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此采用進(jìn)程外應(yīng)用程序方式進(jìn)行二次開發(fā)，即利用組件應(yīng)用架構(gòu)CAA(component application architecture)在CATIA原有功能基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

2 自動鉆鉚定位模塊的開發(fā)

2.1 自動定位模塊劃分

基于五軸數(shù)控托架自動定位方法其大體思路如下:1)建立五軸自動鉆鉚機(jī)床數(shù)模，并搭載有雙曲度蒙皮的托架；然后拾取制鉚點(diǎn)和待鉚接點(diǎn)等特征，計(jì)算出托架需要沿x和y旋轉(zhuǎn)的角度A和B；2)通過制鉚點(diǎn)和待鉚接點(diǎn)之間的坐標(biāo)差值，得到托架在x，y和z方向的位移；3)再利用以上計(jì)算的數(shù)據(jù)完成自動鉆鉚定位。

自動鉆鉚自動定位可以劃分為以下幾個(gè)模塊:確定曲面待鉚接點(diǎn)法式模塊、計(jì)算待鉚接點(diǎn)法式與制鉚頭軸線夾角模塊、計(jì)算待鉚接點(diǎn)與制鉚點(diǎn)距離模塊和運(yùn)動仿真定位模塊，如圖1所示。

圖1 自動定位模塊劃分

2.2 自動鉆鉚定位模塊實(shí)現(xiàn)方法

1)確定曲面待鉚接點(diǎn)法式模塊

首先應(yīng)通過相應(yīng)的代理(CATFeatureImportAgent)選取的蒙皮和其上面的待鉆鉚點(diǎn)并把所選點(diǎn)和面的相關(guān)信息保存在相關(guān)鏈表和變量中；然后通過調(diào)用CreatePlaneTangent()函數(shù)獲待鉚接點(diǎn)與蒙皮的切平面，最后再調(diào)用Get-Normal()函數(shù)獲得所需要的法式；實(shí)現(xiàn)該模塊的部分源代碼如下:

CATIGSMPlaneTangent_var iPlane；

iPlane=piGSMFactory-＞CreatePlaneTangent(_pSurfaceObject，_pPointObject)；//創(chuàng)建曲面上某點(diǎn)的切平面

CATISpecObject_variPlaneObject=iPlane；

……

CATPlane*iCATPlane=NULL；

HRESULT rc=iPlaneObject- ＞QueryInterface(IID_CATPlane，(void＊＊)＆iCATPlane)；

CATMathVectoriNormal；//蒙皮上待鉚接點(diǎn)的法式

CATMathPoint iMathPoint；

iCATPlane- ＞GetNormal(iMathPoint，iNormal)；

……

2)計(jì)算待鉚接點(diǎn)法式與制鉚頭軸線夾角模塊

在上一模塊求出了鉚接點(diǎn)的法式，在此模塊需要解決如何使得所求法式與制鉚頭軸線重合問題，因?yàn)槎卟灰欢ㄖ睾希渫鶗幸粋€(gè)角度差。如何計(jì)算出托架旋轉(zhuǎn)所需的角度，使得鉚接點(diǎn)法式和制鉚頭二者重合是這個(gè)模塊需要解決的問題。解決這個(gè)問題的思路:對鉚接點(diǎn)法式進(jìn)行處理，使得該法式和z向的單位矢量方向相同，這樣便于判斷旋轉(zhuǎn)的方向；然后調(diào)用CATMathVector類下的函數(shù)GetAngleTo()，求出兩個(gè)向量之間的夾角。實(shí)現(xiàn)該模塊的部分源代碼如下:

CATMathVectoriVectorX；//與x旋轉(zhuǎn)有關(guān)的向量

double x01，y01，z01，y02，z02，x03，y03，z03；

iNormal.GetCoord(x01，y01，z01)；//iNormal蒙皮上待鉚接點(diǎn)的法式

if(z01＜0)

{

y02=-y01；

z02=fabs(z01)；

iNormal.SetCoord(x01，y02，z02)；

iNormal.GetCoord(x03，y03，z03)；

}

CATMathVectoriRepNormal；//創(chuàng)建方向?yàn)閆正方向的參考法式

iRepNormal.SetCoord(0，0，1) ；

iNormal.GetCoord(x01，y01，z01)；

iVectorX.SetCoord(0，y01，z01)；

AngleX=iVectorX.GetAngleTo(iRepNormal，iRepNormal)；//獲得沿x方向的轉(zhuǎn)角

//判斷x旋轉(zhuǎn)角度的正負(fù)

doubleValue_y=ioNormalx.Gety()；

if(Value_y＞=0)

{

AngleXX=AngleX；//把AngleX賦給全局變量AngleXX

}

else

{

AngleXX=-AngleX；

}

3)計(jì)算待鉚接點(diǎn)與制鉚點(diǎn)距離模塊

在確定待鉚接點(diǎn)法式和制鉚頭軸線重合的夾角后，需要計(jì)算待鉚接點(diǎn)和制鉚點(diǎn)之間在x，y和z方向之間的距離，通過移動托架使得兩點(diǎn)重合，其大體思路:因?yàn)榇T接點(diǎn)和制鉚點(diǎn)不在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)，所以計(jì)算兩點(diǎn)在x，y和z方向的距離，需要計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，然后對這兩點(diǎn)的坐標(biāo)值做差，即獲得所需的數(shù)值。實(shí)現(xiàn)該模塊的核心算法:點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值=點(diǎn)所在part的坐標(biāo)系原點(diǎn)在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值+點(diǎn)在part坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值。

4)運(yùn)動仿真定位模塊

通過以上模塊的計(jì)算，得出托架運(yùn)動所需的角度和位移，使用接口CATIMovable的SetAbsPosition()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)托架的旋轉(zhuǎn)和運(yùn)動仿真。

2.3 自動定位模塊的應(yīng)用

1)應(yīng)用于仿真與干涉檢查

自動鉆鉚定位方法是實(shí)現(xiàn)自動鉆鉚運(yùn)動仿真的必要條件，同時(shí)在運(yùn)動仿真過程中，利用層次包圍盒法、布爾求交方法或空間分解法等可以實(shí)現(xiàn)干涉檢查。

2)應(yīng)用于自動編程

自動鉆鉚仿真的重點(diǎn)并不僅僅是實(shí)現(xiàn)干涉檢測，更重要的是在完成干涉檢測后能夠輸出應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床的NC代碼，而自動定位方法能夠?yàn)樯蒒C代碼提供數(shù)據(jù)來源。

3 功能驗(yàn)證

以雙曲度鉚接件為例，借以驗(yàn)證定位的準(zhǔn)確性。先加載帶有雙曲度蒙皮的機(jī)床數(shù)模，然后利用所開發(fā)的軟件進(jìn)行定位運(yùn)動仿真，軟件界面如圖2(a)、(b)所示。

圖2 軟件界面

通過對運(yùn)動后數(shù)模待鉚接點(diǎn)與制鉚頭之間距離和角度的驗(yàn)證，其定位距離誤差小于0.003mm，角度誤差小于0.001°，造成該誤差的原因是在數(shù)據(jù)處理時(shí)采取了近似值的原因，但由于誤差較小，滿足設(shè)計(jì)的要求。程序的模塊化比較清晰，便于更深層次的研究探索。

4 結(jié)論

介紹了基于CATIA的自動鉆鉚定位方法，該方法可以快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)托架定位，為運(yùn)動仿真及干涉檢測做好鋪墊，同時(shí)也為NC代碼的生成提供了數(shù)據(jù)來源。自動鉆鉚定位方法不僅適用于平板件，而且也適用于單曲度和雙曲度件，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和加工的周期，達(dá)到節(jié)約生產(chǎn)成本提高生產(chǎn)效率的目的。

［1］董伊鑫，席平.基于二次開發(fā)的五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動仿真系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程師，2005(3):41-43.

［2］殷俊清，王仲奇，康永剛，等.仿真技術(shù)在飛機(jī)自動鉆鉚中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2009(24).

［3］蔡錦達(dá)，韓康瑋.基于CATIA的數(shù)控工作臺建模的二次開發(fā)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008(16).

［4］胡挺，吳立軍.CATIA二次開發(fā)基礎(chǔ)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［5］廖炎平，劉莉，王嘉博.無人機(jī)外形參數(shù)化建模及CATIA二次開發(fā)［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2011(5).