（中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，西安 710089）

飛機(jī)的幾何形狀一定要具備以下基本條件：滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)要求、光滑流線性，因其許多零部件的外形往往為相對(duì)繁瑣的曲面，所以在制造飛機(jī)過(guò)程中，往往通過(guò)模線樣板技術(shù)來(lái)進(jìn)行，該方法和普通的機(jī)械生產(chǎn)方法存在很大的差異，以充分確保所生產(chǎn)零件與設(shè)備相匹配。對(duì)于模線來(lái)說(shuō)，其主要是按照?qǐng)D紙?jiān)O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在圖板上以1∶1比例進(jìn)行繪制，用來(lái)描述零件結(jié)構(gòu)周線與理論外形的圖樣。同時(shí)可為制造飛機(jī)時(shí)提供參考，是充分確保不同零部件尺寸相匹配的基本手段。模擬量飛機(jī)是指通過(guò)上述傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的飛機(jī)，其制造過(guò)程中零件沒(méi)有實(shí)體數(shù)模，因而外形變化復(fù)雜的飛機(jī)零件采用綜合切面模線定義其外形。飛機(jī)零件的綜合切面模線是指一組表示飛機(jī)零件切面輪廓的縱橫交錯(cuò)的平面曲線。由于以往手工繪圖的局限性，切面模線通過(guò)描述飛機(jī)零件的特定位置的切面輪廓來(lái)定義整個(gè)飛機(jī)外形。一般情況下，一個(gè)飛機(jī)的切面模線繪制在數(shù)張圖板上，各切面模線之間的三維位置關(guān)系通過(guò)定位基準(zhǔn)確定。

隨著制造技術(shù)的不斷更新?lián)Q代，對(duì)于航空領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，普及推廣CAD/ CAM 技術(shù)已是今后的一大方向。因飛機(jī)研制領(lǐng)域開(kāi)始進(jìn)入到重大變革時(shí)期，引入高級(jí)的數(shù)字化設(shè)計(jì)/ 制造技術(shù)來(lái)替換過(guò)去的方法已經(jīng)成為大勢(shì)所趨。但是在實(shí)踐中卻缺少模擬量飛機(jī)零件數(shù)模，正是由于這方面的原因，在很大程度上影響到新技術(shù)手段在國(guó)內(nèi)航空公司的引入與普及，造成了很多問(wèn)題，例如制造準(zhǔn)備任務(wù)繁重、成本相對(duì)較高、質(zhì)量不能得到保障以及大規(guī)模制造能力相對(duì)較低等，并且在很大程度上影響到模擬量飛機(jī)的優(yōu)化。而逆向建模方法則屬于進(jìn)一步提升實(shí)業(yè)界公司數(shù)字化設(shè)計(jì)制造水平的有效途徑，同時(shí)還屬于推動(dòng)模擬量飛機(jī)實(shí)現(xiàn)不斷優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)要求。所以將數(shù)字化理論引入其中，同時(shí)在充分保留當(dāng)前工裝的基礎(chǔ)上，通過(guò)逆向建模技術(shù)來(lái)構(gòu)建滿(mǎn)足當(dāng)前制造協(xié)調(diào)關(guān)系的數(shù)模已經(jīng)發(fā)展成為飛機(jī)制造公司的當(dāng)務(wù)之急。

實(shí)踐中較為普及的零件逆向設(shè)計(jì)技術(shù)的基本過(guò)程如下：首先利用CAD軟件處理零件的數(shù)據(jù)點(diǎn)云，接著在點(diǎn)云的基礎(chǔ)上重構(gòu)曲面并且完成建模工作。楊倩[1]、張良[2]、譚昌波等[3]在研究過(guò)程中通過(guò)上述步驟來(lái)展開(kāi)探討。張雙俠[4]、范換換等[5]在研究過(guò)程中考慮到提升設(shè)計(jì)能力，闡明正、逆向的建模技術(shù)，自數(shù)據(jù)中獲得相應(yīng)的特征等，然后實(shí)施再設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)建模過(guò)程。上述逆向設(shè)計(jì)技術(shù)主要存在以下幾處不足：

（1）應(yīng)用時(shí)必須對(duì)許多零件數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，涉及到的任務(wù)非常繁重，同時(shí)存在難度，容易造成一定的誤差；在長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行后，由于零件將受到磨損等影響，就會(huì)產(chǎn)生一定的逆向誤差。

（2）該過(guò)程所采集數(shù)據(jù)為三維的，同時(shí)為無(wú)序的，由于這方面的原因，在對(duì)零件結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行識(shí)別與提取過(guò)程中不容易進(jìn)行，建模工作不容易成功，另外，對(duì)零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化產(chǎn)生極大的阻礙。

為有效應(yīng)對(duì)該技術(shù)的上述弊端，本文采取了新的技術(shù)手段：基于綜合切面模線的飛機(jī)零件逆向建模方法。該方法針對(duì)采用綜合切面模線定義外形的飛機(jī)零件，首先通過(guò)平板式掃描設(shè)備掃描零件的綜合切面模線形成二維光柵圖像，然后通過(guò)正交網(wǎng)格線對(duì)二維光柵圖像進(jìn)行失真校正和矢量化處理，最后通過(guò)矢量化的切面模線對(duì)飛機(jī)零件進(jìn)行逆向建模，可以較為準(zhǔn)確地建立符合現(xiàn)有的制造協(xié)調(diào)關(guān)系的飛機(jī)零件實(shí)體數(shù)模。

1 基于切面模線逆向建模原則

1.1 原始定義不變

構(gòu)建模型時(shí)，必須盡可能地保持過(guò)去的設(shè)計(jì)思想與構(gòu)思，嚴(yán)禁對(duì)原零件設(shè)計(jì)的型面分界線造成損壞，必須確保其曲線、曲面原始定義類(lèi)型不變[6-7]。為充分確保與過(guò)去的理論、可靠性保持一致，數(shù)字化模型構(gòu)建過(guò)程中選擇原定義曲線形式，通過(guò)這種方法來(lái)降低誤差概率。

1.2 協(xié)調(diào)關(guān)系不變

建立零件實(shí)體數(shù)模應(yīng)符合現(xiàn)有的制造協(xié)調(diào)關(guān)系，零件的外形應(yīng)與相關(guān)制造依據(jù)和裝配狀態(tài)匹配一致[8]。綜上所述，模線是保證飛機(jī)外形和結(jié)構(gòu)軸線正確與協(xié)調(diào)的唯一原始依據(jù)，新的技術(shù)能夠充分確保當(dāng)前體系中的協(xié)調(diào)關(guān)系，從而可防止當(dāng)前工裝失去作用。

1.3 建模誤差低于設(shè)計(jì)公差

對(duì)飛機(jī)來(lái)說(shuō)，其零件生產(chǎn)過(guò)程中必須滿(mǎn)足非常高的精度標(biāo)準(zhǔn)，正是由于這一標(biāo)準(zhǔn)，建模時(shí)必須時(shí)刻控制好誤差，以確保其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)公差要求。

2 基于切面模線逆向建模方法

基于上述逆向建模原則，下文結(jié)合某飛機(jī)外翼翼稍外形組件逆向建模過(guò)程，詳細(xì)描述基于理論模線的飛機(jī)零件逆向建模方法。某飛機(jī)蒙皮零件的理論模線及其定位基準(zhǔn)如圖1所示。

圖1 某飛機(jī)蒙皮零件模線及其定位基準(zhǔn)Fig.1 Lofting of aircraft skin part and locating datum

基于綜合切面模線的飛機(jī)零件逆向建模方法包括理論模線掃描、掃描圖像的失真校正和矢量化處理、矢量模線的光順和零件的實(shí)體建模等過(guò)程[8-9]。

2.1 綜合切面模線掃描

綜合切面模線即根據(jù)飛機(jī)工藝與圖紙，在金屬平板等材料上以1∶1的比例繪制的包括外形與結(jié)構(gòu)軸線在內(nèi)的圖樣[10]。綜合切面模線掃描的軟硬件環(huán)境：選用Kongsberg平板繪圖機(jī)作為繪圖掃描設(shè)備，選用聚酯薄膜膠板作為繪制正交網(wǎng)格線的透明介質(zhì)，選用Vpmax軟件作為掃描圖像的失真校正和矢量化工具。掃描過(guò)程主要涉及以下技術(shù)環(huán)節(jié)。

（1）為了消除圖像的非線性變形，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和分析，確定采用密度為50mm×50mm的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格覆蓋在圖板圖形上矯正這種非線性變形，在試驗(yàn)中采用52.5mm×52.5mm的網(wǎng)格對(duì)介質(zhì)進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格精確校正后與原圖像對(duì)比，其精度誤差在0.015mm之內(nèi)，基本消除了圖板的非線性變形，滿(mǎn)足某型機(jī)圖板的圖像掃描精度要求。

（2）將零件的切面模線圖板平鋪在平板式掃描設(shè)備的工作臺(tái)上，將標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格膠板平鋪在切面模線圖板上方，并采用多個(gè)3mm小塊徑鉛塊壓在標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格上，以保證標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格與圖板圖形的嚴(yán)格貼合，其基本原理是使用高密度的局部線性變形來(lái)逼近大面積的非線性變形。

（3）采用平板式CCD掃描設(shè)備掃描切面模線圖板，得到二維光柵圖像。圖2為掃描后經(jīng)降噪處理得到的該零件的綜合切面模線及其定位基準(zhǔn)局部示意圖。

2.2 掃描圖像的失真校正和矢量化處理

由于鋁質(zhì)圖板使用年代過(guò)久，加之多次拆裝等原因造成圖板很不平整，表面波動(dòng)大多超過(guò)3mm，這種誤差使得成像物距產(chǎn)生變化，因此所獲得的掃描圖像相對(duì)于真實(shí)的圖板圖形產(chǎn)生了非線性變形。這種翹曲變形在圖板圖像掃描過(guò)程中由于物距的改變，引起圖像在CCD鏡頭有效幅寬內(nèi)的非線性變形。圖3（a）所表示的是掃描介質(zhì)沿平臺(tái)平面X向假想等分的情況下，X掃描介質(zhì)的高度波動(dòng)時(shí)所引起的掃描圖像在X向所出現(xiàn)的非線性變形。由于這種波動(dòng)的不確定性，這種變形無(wú)法量化定義，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)這種失真進(jìn)行糾正，因此在圖像掃描時(shí)有必要給所獲得的圖像的X向進(jìn)行精確標(biāo)定，其具體方法是在掃描介質(zhì)的X向表面設(shè)定標(biāo)尺，如圖3（b）所示。

通過(guò)矯正光柵圖形中標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格的尺寸，間接對(duì)切面模線進(jìn)行失真矯正。將校正后的二維光柵圖像矢量化，并以三維CAD軟件兼容的文件格式保存，結(jié)果如圖4所示。

圖2 掃描得到的零件理論模線及其定位基準(zhǔn)Fig.2 Theoretical lofting of part and locating datum by scanning

圖3 單向非線性失真Fig.3 Unidirectional nonlinear distortion

圖4 校正后的理論模線及其定位基準(zhǔn)Fig.4 Theoretical lofting and locating position datum after correcting

2.3 矢量模線的光順和零件的實(shí)體建模

將綜合切面模線矢量圖導(dǎo)入三維CAD軟件中，在保證精度的前提下通過(guò)樣條曲線對(duì)切面模線進(jìn)行光順處理，具體步驟如下：對(duì)于任意一條切面模線，在其上均勻提取若干個(gè)點(diǎn)；通過(guò)提取的點(diǎn)構(gòu)造樣條曲線，作為光順后的切面模線；通過(guò)繪圖機(jī)繪制光順后的切面模線，與原始切面模線進(jìn)行對(duì)比檢測(cè),并且進(jìn)行曲線連續(xù)性分析及優(yōu)化，如圖5所示。

通過(guò)平移和旋轉(zhuǎn)操作，借助切面模線中的定位基準(zhǔn)，將光順后的切面模線定位到工作位置，結(jié)果如圖6所示。

參考零件圖紙，采用三維CAD軟件，通過(guò)定位在理論工作位置的切面模線作出飛機(jī)零件的外形曲面，進(jìn)而作出飛機(jī)零件的基礎(chǔ)蒙皮，最后在基礎(chǔ)蒙皮上添加零件的局部特征，結(jié)果如圖7所示。

圖5 曲線連續(xù)性?xún)?yōu)化Fig.5 Optimization of curve continuity

圖6 定位到工作位置的理論模線及其定位基準(zhǔn)Fig.6 Theoretical lofting and locating position datum pitched at working positon

圖7 零件實(shí)體數(shù)模Fig.7 Solid model part

3 結(jié)論

（1）由于采用綜合切面模線作為逆向建模的數(shù)據(jù)來(lái)源，而綜合切面模線是飛機(jī)零件制造的原始依據(jù)，因此本文所建立的零件實(shí)體數(shù)模符合現(xiàn)有的生產(chǎn)協(xié)調(diào)關(guān)系，不會(huì)造成現(xiàn)有工裝的報(bào)廢，可直接代替原有綜合切面模線作為數(shù)字化環(huán)境下的制造數(shù)模。

（2）針對(duì)圖板掃描過(guò)程產(chǎn)生的圖像失真，借助正交網(wǎng)格線實(shí)現(xiàn)了圖像失真的快速校正，避免了建立失真模型和標(biāo)定失真參數(shù)等復(fù)雜的圖像校正過(guò)程，提高了逆向建模的準(zhǔn)確性。

（3）直接把綜合切面模線作為零件實(shí)體建模的特征線，無(wú)需識(shí)別和提取零件結(jié)構(gòu)特征即可實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化逆向建模。

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