韓志仁 ， 李子牮 ， 彩 輝

（1.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航工程學(xué)部， 沈陽 110136；3.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110850）

在航空數(shù)字化制造環(huán)境下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中機(jī)加件不斷增加，而且這些機(jī)加件一般采用數(shù)控加工的方法制造，檢驗(yàn)采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)進(jìn)行測(cè)量[1]。檢測(cè)前需要導(dǎo)入零件CATIA數(shù)模外形面上點(diǎn)的坐標(biāo)和法矢值，通過獲得的測(cè)量點(diǎn)、法矢規(guī)劃測(cè)量路徑和測(cè)量位置，進(jìn)行檢驗(yàn)。我國(guó)航空發(fā)展速度快，新型號(hào)投入多，數(shù)字化測(cè)量的工作量大。

數(shù)字化制造中數(shù)字化設(shè)備加工得到的零件優(yōu)先使用數(shù)字化的測(cè)量設(shè)備[2]。加工后的零件在測(cè)量設(shè)備中定位，并通過零件上的基準(zhǔn)將零件的坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系擬合在一起，然后通過數(shù)字化測(cè)量設(shè)備可以得到一些離散點(diǎn)的坐標(biāo)。這些測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)是檢驗(yàn)零件的原始數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)布點(diǎn)方式的缺點(diǎn)如下：

（1）由于CATIA部分功能的局限性，傳統(tǒng)方式生成零件上的測(cè)量點(diǎn)存在著很大的難度，工藝員需要做大量的中間輔助工作。

（2）布點(diǎn)過程中摻雜了過多的人為因素（點(diǎn)位的控制、點(diǎn)的數(shù)量等），使得后續(xù)輸出的測(cè)量數(shù)據(jù)不能完全滿足測(cè)量?jī)x要求而導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性下降。

（3）采用傳統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)生成方式，工藝員每次操作只能生成單個(gè)點(diǎn)，對(duì)于外形面復(fù)雜多變且尺寸巨大的零件（框類、壁板類等），需要重復(fù)上百甚至上千次這種技術(shù)含量極低的工作而且消耗大量時(shí)間，從而嚴(yán)重影響產(chǎn)品的生產(chǎn)進(jìn)度和后續(xù)的測(cè)量進(jìn)度。

在手工輸出測(cè)量數(shù)據(jù)過程中，由于耗時(shí)長(zhǎng)不能保證工作的連貫性，很容易出現(xiàn)人為錯(cuò)誤，比如法矢出錯(cuò)會(huì)造成測(cè)量?jī)x探測(cè)頭的探針的損壞。

測(cè)量數(shù)據(jù)布點(diǎn)非常煩瑣，手工布點(diǎn)效率低，容易出現(xiàn)漏布和布點(diǎn)不規(guī)范。為了實(shí)現(xiàn)快速布點(diǎn)功能，提高布點(diǎn)效率，提高測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和規(guī)范性，保證測(cè)量精度，有必要開發(fā)按工藝要求針對(duì)模型檢測(cè)快速布點(diǎn)的軟件。

圖1 軟件原理圖Fig.1 Principle diagram of the software

布點(diǎn)系統(tǒng)

快速布點(diǎn)系統(tǒng)主要的作用是輔助工藝人員快速布置測(cè)量點(diǎn)和獲取測(cè)量點(diǎn)信息。在飛機(jī)的梁、框、壁板、翼肋等曲面上快速、準(zhǔn)確地生成測(cè)量點(diǎn)，并自動(dòng)生成法矢、測(cè)量簡(jiǎn)圖和測(cè)量數(shù)據(jù)。軟件原理如圖1所示。

關(guān)鍵技術(shù)研究

工藝員在CATIA平臺(tái)通過選取零部件簡(jiǎn)單特征實(shí)現(xiàn)測(cè)量點(diǎn)的快速生成[3-6]。系統(tǒng)開發(fā)采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，按照結(jié)構(gòu)化程序的思想，飛機(jī)主要機(jī)加件梁、框、壁板、翼肋、曲面等都需要測(cè)量和檢驗(yàn)，成形模具的型面也需要進(jìn)行測(cè)量和檢驗(yàn)。本文以框類零件為例說明測(cè)量點(diǎn)快速布點(diǎn)技術(shù)。框類零件表面分為側(cè)面內(nèi)型面、腹板面、加強(qiáng)筋。框類零件布點(diǎn)可分為內(nèi)測(cè)量、腹板、筋條3部分。總體操作流程如圖2所示。

圖2 總體操作流程圖Fig.2 Overall operation flow chart

1 側(cè)面布點(diǎn)

傳統(tǒng)操作中工藝員手工生成檢測(cè)點(diǎn)需要進(jìn)行以下幾個(gè)方面：選擇準(zhǔn)線并等分、提取零件側(cè)面、做交線、做交點(diǎn)、判斷點(diǎn)的位置。這幾個(gè)方面都需要大量重復(fù)手工操作。

通過側(cè)面布點(diǎn)模塊進(jìn)行布點(diǎn)時(shí)，按照工藝要求內(nèi)外側(cè)形面間隔值取點(diǎn)，在形面上取兩排點(diǎn)，工藝員需要選擇側(cè)面邊線、零件側(cè)面，然后定制間隔值。拾取的側(cè)面邊線生成與零件側(cè)面垂直的參考平面，通過制定的間隔值平移參考平面并與零件側(cè)面相交得出交線，在交線上生成測(cè)點(diǎn)，如圖3～4所示。詳細(xì)流程如圖5所示。

2 腹板槽布點(diǎn)

工藝人員在對(duì)零件腹板槽檢測(cè)時(shí)，需要按照指定要求在零件腹板槽上設(shè)計(jì)檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)點(diǎn)的生成不僅要符合檢測(cè)要求，還需要按照設(shè)計(jì)要求在結(jié)構(gòu)樹上生成對(duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)幾何圖形集。這些都需要大量的手工操作。

通過加強(qiáng)筋面布點(diǎn)模塊布點(diǎn)時(shí)，根據(jù)腹板每個(gè)槽內(nèi)取3個(gè)點(diǎn)（腹板面為平面或曲面）的工藝要求。工藝人員通過簡(jiǎn)單的CATIA拾取腹板槽面，通過拾取腹板槽面找到腹板槽面形心然后以形心為圓心做圓并向腹板槽面投影。在投影圓周上可直接生成檢測(cè)點(diǎn)，如圖6～7所示。

考慮到所選擇腹板面平面和曲面的差異，根據(jù)結(jié)構(gòu)化程序的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了腹板槽布點(diǎn)的算法，算法詳細(xì)流程如圖8所示。

圖3 側(cè)面布點(diǎn)界面Fig.3 Interface of arranging measurement point on the side

圖4 側(cè)面布點(diǎn)實(shí)例Fig.4 Instance of arranging measurement point on the side

圖5 零件側(cè)面布點(diǎn)流程Fig.5 Flow of arranging measurementpoint on the side

圖6 腹板槽布點(diǎn)界面Fig.6 Interface of arranging measurement point on the web slot

圖7 腹板槽布點(diǎn)實(shí)例Fig.7 Instance of arranging measurement point on the web slot

圖8 腹板槽布點(diǎn)流程Fig.8 Flow of arranging measurement point on the web slot

圖9 加強(qiáng)筋側(cè)面布點(diǎn)界面Fig.9 Interface of arranging measurement point on the side of stiffener

圖10 加強(qiáng)筋側(cè)面布點(diǎn)實(shí)例Fig.10 Instance of arranging measurement point on the side of stiffener

圖11 加強(qiáng)筋側(cè)面布點(diǎn)流程Fig.11 Flow of arranging measurement point on the side of stiffener

3 加強(qiáng)筋側(cè)面布點(diǎn)

由于MBD模型加強(qiáng)筋側(cè)面一般為較為規(guī)則平面或曲面，情況與側(cè)面布點(diǎn)類似。按照加強(qiáng)筋在單側(cè)面取點(diǎn)的原則，通過加強(qiáng)筋布點(diǎn)模塊進(jìn)行布點(diǎn)時(shí)，工藝人員需要拾取參考面、加強(qiáng)筋面，制定偏移距離，通過制定的偏移距離平移參考面與加強(qiáng)筋面相交，在生成的交線上生成檢測(cè)點(diǎn)，如圖9～10所示。詳細(xì)算法流程如圖11所示。

4 應(yīng)用實(shí)例

以基于MBD 的某型號(hào)飛機(jī)的機(jī)身數(shù)模為例，介紹快速布點(diǎn)過程。先拾取幾何元素，設(shè)置需要元素?cái)?shù)值，即可快速生成檢測(cè)點(diǎn)。

用基于CATIA/CAA二次開發(fā)技術(shù)，通過快速布點(diǎn)模塊生成大量點(diǎn)，直接獲取到每個(gè)點(diǎn)位相對(duì)于當(dāng)前坐標(biāo)系下的X、Y、Z坐標(biāo)軸上的坐標(biāo)信息，并按規(guī)定要求生成TXT數(shù)據(jù)文件和測(cè)量簡(jiǎn)圖。檢測(cè)點(diǎn)、測(cè)量簡(jiǎn)圖生成和測(cè)量數(shù)據(jù)輸出，如圖12～14所示。

圖12 快速生成檢測(cè)點(diǎn)實(shí)例Fig.12 Instance of rapidly generating measurement point

圖13 測(cè)量簡(jiǎn)圖生成Fig.13 Generation of measuring diagram

圖14 測(cè)量數(shù)據(jù)輸出Fig.14 Output of the measured data

結(jié)論

通過對(duì)基于MBD模型的快速布點(diǎn)生成技術(shù)研究，解決實(shí)際生產(chǎn)過程中工藝設(shè)計(jì)部門、生產(chǎn)部門在MBD模型檢測(cè)使用中檢測(cè)點(diǎn)統(tǒng)一快速大量生成的問題。以CAA/CATIA為平臺(tái)，建立了檢測(cè)點(diǎn)快速生成軟件。通過對(duì)零件進(jìn)行分類，總結(jié)布點(diǎn)規(guī)律和測(cè)量要求，實(shí)現(xiàn)了以批量方式在零件表面上快速生成測(cè)量點(diǎn)，并生成檢測(cè)點(diǎn)信息文檔功能，實(shí)現(xiàn)了零件側(cè)面布點(diǎn)、腹板槽布點(diǎn)、加強(qiáng)筋側(cè)面布點(diǎn)等功能，在很大程度上提高了飛機(jī)制造的效率。

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