陳樹林，杜寶瑞，田世明，方立輝，白玉珍

（中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司，沈陽 100850）

0 引言

當前，國內(nèi)各航空制造企業(yè)的飛機制造體系已從模擬量協(xié)調全面轉換為數(shù)字量協(xié)調，工裝、樣板數(shù)量得到顯著減少。但是，與之相關的數(shù)字化檢測技術發(fā)展相對緩慢，在新機研制及小批量生產(chǎn)過程中難以保證有序生產(chǎn)，再加上樣板使用簡便，因此，目前在大型整體結構件的檢驗、機加零件的常規(guī)加工、鈑金零件下料及檢驗、化銑加工等飛機制造過程中仍然大量使用樣板，各型飛機使用的樣板數(shù)量均達到數(shù)萬項。而這些樣板的設計仍然依靠人工在通用的CAD/CAM平臺上進行交互式設計，重復工作量大、效率低，規(guī)范性不足，主要體現(xiàn)為：1）大型結構件外形檢驗樣板設計：每型飛機約數(shù)百項，在筋條端頭、下陷等位置需要交互構建上千個視口（如圖1(a)所示），過程繁瑣，并且視口形式單一，重復工作量大，每塊樣板設計周期1～2天；2）鈑金樣板設計：每型飛機約上萬項，包括展開樣板及外形樣板，彎邊高度和角度計算過程繁瑣、尺寸標注較多，效率低下，如圖1(b)所示；3）樣板補加：為了在小零件樣板上添加工藝信息、加強樣板強度等，80%~90%的樣板（數(shù)萬項）需要補加，如圖1(c)所示，數(shù)量大，工作量大。上述問題影響了飛機制造生產(chǎn)準備進程，已經(jīng)成為制約新機快速研制的瓶頸因素之一。因此，亟需面向樣板設計環(huán)節(jié)研發(fā)一套支持飛機樣板快速設計的數(shù)字化軟件系統(tǒng)，以顯著提升樣板設計效率，大幅減少設計員的重復工作量。

圖1 常見樣板設計

目前，國內(nèi)外的研究大多集中在飛機樣板數(shù)字化設計制造工藝方面，而在樣板快速設計方面僅有局部探索，例如，劉寶明[1]等在樣板圖形優(yōu)化處理方面做了一些工作，在AutoCAD平臺下研發(fā)了快速去除樣板重線、處理大圓弧、連接短線、處理碎線等功能，實現(xiàn)了樣板激光切割編程前置優(yōu)化處理的自動化，但尚未形成全面解決樣板設計效率低、重復工作量大等問題的數(shù)字化系統(tǒng)。為此，本文提出構建一套“飛機樣板快速設計系統(tǒng)”架構，以CATIA為應用平臺，綜合樣板設計知識庫，突破復雜視口識別、鈑金彎邊特征識別、參數(shù)化樣板補加設計等關鍵技術，實現(xiàn)各類樣板的快速設計。

1 系統(tǒng)架構

如圖2所示，建立“飛機樣板快速設計系統(tǒng)”架構，該系統(tǒng)以CATIA系統(tǒng)為應用平臺，以CAA V5為二次開發(fā)平臺，在樣板設計知識庫的基礎上，實現(xiàn)大型結構件外形樣板、鈑金外形及展開樣板設計、樣板補加等快速設計。其中：

圖2 飛機樣板快速設計系統(tǒng)架構

1）應用平臺：國內(nèi)飛機制造企業(yè)均在CATIA平臺上進行產(chǎn)品的三維模型設計，為了保證樣板的制造精度，樣板設計過程是在同一平臺下，基于產(chǎn)品三維模型進行投影、視口創(chuàng)建、彎邊標注、補加設計等工作，因此本系統(tǒng)也以CATIA系統(tǒng)為應用平臺。

2）開發(fā)平臺：以CAA V5作為開發(fā)平臺，它是CATIA系統(tǒng)的高級二次開發(fā)環(huán)境，通過快速應用開發(fā)環(huán)境RADE（Rapid Application Development Environment）和API接口來實現(xiàn)CATIA二次開發(fā)，其中RADE是一個可視化的集成開發(fā)環(huán)境，它提供完整的編程工具組，以Microsoft Visual Studio VC++為載體，在VC++環(huán)境中內(nèi)置CAA開發(fā)工具，實現(xiàn)程序的編譯、調試及運行。

3）支撐數(shù)據(jù)：樣板設計過程涉及較多的設計經(jīng)驗，以設計知識的形式統(tǒng)一作為樣板快速設計的支持數(shù)據(jù)，存儲在專門的數(shù)據(jù)庫中，便于實現(xiàn)設計過程的規(guī)范化、定制化，以提高設計質量的穩(wěn)定性，設計過程的靈活性。

4）功能模塊：在設計知識的基礎上，分別構建三個模塊，包括大型結構件外形樣板快速設計模塊、鈑金外形及展開樣板快速設計模塊、樣板補加快速設計模塊，實現(xiàn)各類樣板的快速 設計。

2 關鍵技術

2.1 基于主元的視口識別與構建技術

視口構建是大型結構件外形樣板快速設計的主要工作，也是核心技術難點，需要人工識別視口主元、確定斷點位置、添加視口輔助元素等，過程繁瑣，重復工作量大。大型結構件外形樣板設計涉及的典型視口有四類，分別為單視口、串視口、閉視口及并視口，如圖3所示，其中單視口由單一主元，兩側邊界元素（簡稱界元），以及在斷點處的輔助元素（簡稱輔元）所構成，常用于檢驗筋端尺寸，如圖3(a)所示；串視口由多個主元，兩側界元及輔元構成，相當于多個單視口的串聯(lián)，用于檢驗距離較近的多個筋端尺寸，如圖3(b)所示；閉視口由若干單視口串聯(lián)而成并且形成一個自封閉的視口，如圖3(c)所示；并視口由多個單視口或串視口并聯(lián)而成，既用于筋端尺寸檢驗又用于下陷特征尺寸檢驗，分三種類型，如圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)所示。

圖3 典型視口

為實現(xiàn)上述視口的自動設計，提出基于主元的視口識別與構建技術，有以下幾個關鍵點：1）主元識別：以單個視口位置或投影圖形的一部分作為輸入，根據(jù)曲線凹凸性、長度及相鄰曲線連接關系自動識別視口主元；2）主元分組：以最接近切連續(xù)的方式對每個視口主元進行邊界拓展，先進行串聯(lián)，判斷是否封閉，然后再進行并聯(lián)，形成單視口、串視口、閉視口及并視口主元，并進行分組；3）視口構建：根據(jù)視口的類型及主元，再次進行邊界拓展，依據(jù)設計知識庫中定義的界元長度提取界元，并進行斷線操作，形成最終視口。

2.2 基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識別技術

鈑金外形及展開樣板快速設計的關鍵是鈑金彎邊特征的識別，通過識別鈑金彎邊特征才能準確構建相應的截面、計算彎邊特征的高度及角度，為后續(xù)鈑金樣板的尺寸標注提供基礎數(shù)據(jù)。如圖4所示，彎邊特征是由彎邊圓角及彎邊面組合而成，一個鈑金零件可能包含多個彎邊特征。

圖4 彎邊特征

為實現(xiàn)上述鈑金樣板快速設計，提出基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識別技術，主要步驟如下：1）凹凸邊識別：交互選取鈑金零件的腹板面，提取腹板面的拓撲邊及腹板面的共邊關聯(lián)面，在公共邊中點處垂直于公共邊創(chuàng)建平面與腹板面及其共邊關聯(lián)面相交，如表1所示，根據(jù)矢量夾角對該邊中點的凹凸性進行判別，包括六種情況，然后由點的凹凸性，確定其所在拓撲邊的類型，包括凸邊、凹邊、平凸切邊、平凹切邊、凹凸切邊及平切邊；2）彎邊圓角識別：提取平凸切邊的共邊關聯(lián)面，識別為彎邊圓角面；3）圓角面成組：將腹板面關聯(lián)的彎邊圓角面進行分組，原則是當一個圓角面與另一個圓角面存在公共邊，則這兩個面屬于同組；4）彎邊面識別：提取彎邊圓角面組的最外環(huán)，去除腹板面的拓撲邊及凸邊，剩余邊線關聯(lián)的拓撲面即為彎邊面；5）彎邊特征構建：將圓角面組與其關聯(lián)的彎邊面進行合并構成彎邊特征。

表1 凹凸點

2.3 基于關鍵點的樣板快速補加技術

樣板補加設計主要涉及補加投影點及補加邊的構建，如圖5所示，為此，提出基于關鍵點的補加快速構建技術，主要步驟為：1）關鍵點確定：在小樣板臨近的空白區(qū)域交互點擊兩點，認為是關鍵點，如圖5的P1，P2所示；2）投影點構建：以關鍵點為基準，往樣板邊界進行投影，拾取距離最小并且屬于投影邊內(nèi)點的投影點，認定為投影點，如圖5的P1'，P2'所示；3）補加邊提?。河脙蓚€投影點裁減小樣板的邊界，并提取臨近關鍵點的部分作為補加邊，如圖5的P1'P2'所示；4）補加構建：以補加邊為基準，依次連接P1’，P1，P2，P2'，再在P1，P2處倒圓角，添加工藝掛孔，并在P1，P2打斷，完成小樣板的補加構建。

圖5 小樣板補加說明

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證

以CAA V5為開發(fā)平臺，結合樣板設計知識，開發(fā)了“飛機樣板快速設計系統(tǒng)”，包括大型結構件外形樣板快速設計、鈑金外形及展開樣板快速設計、小樣板補加快速設計及知識庫四大模塊，形成了六項工具，其中：

3.1 大型結構件外形樣板快速設計

該模塊包含圖形預處理、簡單視口、聯(lián)合視口3項工具，分別為：1）圖形預處理工具，在給定精度的前提下對細碎線段擬合為直線或圓弧，如圖6所示；2）簡單視口工具，可實現(xiàn)對單視口的快速設計，包括單線視口、雙線視口、三線視口及圓弧視口四種類型，通過點擊視口主元即可自動構建選定類型的視口，如圖7所示；3）并視口工具：可實現(xiàn)對并視口的快速設計，包括并視口I、并視口II及并視口III，通過點擊并視口的兩個主元即可實現(xiàn)視口自動設計，如圖8所示。另外，該模塊還支持框選主元，實現(xiàn)視口的批量化、快速化構建。

圖6 圖形預處理

圖7 簡單視口

圖8 并視口

3.2 鈑金外形、展開樣板快速設計

該模塊包含彎邊數(shù)據(jù)構建與彎邊標注兩項工具，分別為：1）彎邊參數(shù)自動計算：交互選定腹板面，設定角度步距、延伸長度等參數(shù)后，即可自動構建彎邊的外形交線，在關鍵位置創(chuàng)建截面、計算彎邊角度線并計算彎邊高度及角度，如圖9所示，并將結果保存在PPR結構中；2）彎邊參數(shù)快速標注：自動將三維模型與工程投影圖進行關聯(lián)匹配，識別出需標注參數(shù)的部位，并將存儲在PPR結構樹上的彎邊參數(shù)在識別的部位自動優(yōu)化標注，使得標注的參數(shù)可視化程度高，如圖10所示。尤其對于彎邊角度變化復雜的鈑金零件，能夠大幅減少操作時間，降低操作強度，提高數(shù)據(jù)的準確性。

圖9 彎邊參數(shù)自動計算

圖10 彎邊自動標注結果

3.3 樣板快速補加

該模塊包含快速補加1個工具，能夠快速處理標準補加、狹長補加、銷釘補加、狹長視口四類典型補加，只需點擊1~2次關鍵點即可完成，如圖11所示，選定要補加的類型后，在樣板需要添加補加位置的外側點擊兩次鼠標，即可自動生成樣板的補加。

圖11 典型補加

3.4 樣板設計知識庫

鑒于個人偏好、特殊情況、后續(xù)更改等諸多因素，系統(tǒng)對于所應用的技術參數(shù)均給出明確的解釋，各項快速設計工具分別有對應的知識庫（例如，單視口設計知識如表2所示），使得設計員可以根據(jù)實際情況進行定制，實現(xiàn)專業(yè)化的樣板快速設計。

表2 單視口設計知識

3.5 應用驗證

2014年，該系統(tǒng)在沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司制造數(shù)據(jù)中心進行了有效推廣，在多個新機研制中實現(xiàn)了廣泛應用。截至2014年底，應用該系統(tǒng)進行樣板快速設計的零件數(shù)為2646項，平均縮短設計時間65%~80%。其中，大型結構件外形樣板設計應用零件117項，縮短設計時間70%；復雜鈑金件外形樣板及展開樣板應用零件271項，縮短設計時間50%~80%；樣板補加應用零件2312項，縮短設計時間50%；各工具應用零件均超百項，經(jīng)應用證實其可靠性好，適應能力強。從應用情況看，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，從總體上可提高樣板設計效率。

1）大型結構件外形樣板設計應用實例

針對某大型結構件樣板（如圖12(a)所示），其特征為碎線多，曲線扭曲復雜。采用快速設計系統(tǒng)進行設計，通過與傳統(tǒng)交互式設計相似樣板的數(shù)據(jù)進行比較。設計時間、工作量變化及最終設計結果如表3及圖12(b)所示。

圖12 某框類零件外形樣板快速設計應用實例

表3 某大型結構件樣板快速設計與交互設計對比

2）鈑金外形、展開樣板應用實例

針對某復雜鈑金零件如圖13(a)所示，其特點是彎邊缺口多，彎邊角度變化劇烈。采用快速設計系統(tǒng)進行設計，通過與傳統(tǒng)交互式設計方式進行比較，節(jié)省時間及最終設計結果如表4及圖13(b)所示。

表4 某鈑金零件外形及展開樣板快速設計與交互設計對比

圖13 某框類零件外形樣板快速設計應用實例

3）樣板補加應用實例

選取四個小型零件樣板（如圖14(a)所示），需要添加標準補加，傳統(tǒng)采用復制黏貼的方式可適當提高工作效率，但與快速設計方式相比較，仍然有較大差距。應用情況及結果如表5與圖14(b)所示。

圖14 零件樣板應用實例

表5 樣板補加快速設計與交互設計對比

4 結論

作為飛機零件制造及檢驗常用工具的樣板，其設計效率在飛機零件生產(chǎn)中具有重要作用。本文研究了飛機樣板快速設計系統(tǒng)架構及關鍵方法，將專家設計知識與CAD/CAM系統(tǒng)進行深度融合，大幅減少設計時間的同時顯著降低設計人員的勞動強度，實現(xiàn)了飛機樣板設計的快速化。根據(jù)應用情況，得出如下結論：1）該系統(tǒng)能夠解決制約飛機樣板設計效率的瓶頸問題，為新機研制縮短樣板設計周期；2）實現(xiàn)專業(yè)化、快速化的設計思路，可以大幅度減少設計員的重復工作量；3）有效融合了專家設計經(jīng)驗知識，有助于設計過程及結果實現(xiàn)規(guī)范化、標準化。

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