劉 平，方憶湘，靳江艷,胡海霞

(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018)

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通航曲面產(chǎn)品數(shù)字化測量工藝規(guī)劃*

劉 平，方憶湘，靳江艷,胡海霞

(河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018)

先進(jìn)的數(shù)字化測量技術(shù)逐步被應(yīng)用到通航曲面產(chǎn)品的檢測中,為了精確、高效地測量通航曲面產(chǎn)品,應(yīng)該制定規(guī)范可行的數(shù)字化測量工藝規(guī)劃。文章提出一種基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)和光學(xué)測量技術(shù)的通航曲面產(chǎn)品數(shù)字化測量工藝規(guī)劃。首先，使用自由度定位基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)對齊與最近點(diǎn)云對齊相結(jié)合的方法將產(chǎn)品實(shí)物測量坐標(biāo)映射到設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下擬合坐標(biāo)，完成數(shù)字化測量坐標(biāo)系的統(tǒng)一；然后，研究模型定義的零件模型中公差項(xiàng)目與幾何要素關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立工件測量信息模型，利用CATIA的開發(fā)接口采用 CAA C++技術(shù)作為二次開發(fā)手段識別并獲取測量信息，測量信息文本與測量軟件完成數(shù)據(jù)通信之后，利用宏腳本語言(MSCL)編輯程序?qū)y量信息點(diǎn)云進(jìn)行可視化路徑仿真；最后，按照工藝規(guī)劃對通航曲面產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化測量，測量應(yīng)用實(shí)例表明：這種測量工藝規(guī)劃可以高效、精確、實(shí)用地利用數(shù)字化設(shè)備檢測通航曲面產(chǎn)品。

數(shù)字化測量；工藝規(guī)劃；擬合坐標(biāo)；信息模型

0 引言

現(xiàn)階段的測量技術(shù)領(lǐng)域中以激光跟蹤儀為代表的數(shù)字化測量光學(xué)定位測量設(shè)備已逐步成為通航產(chǎn)品質(zhì)量檢測中的主要技術(shù)手段，一方面能為現(xiàn)有機(jī)械加工技術(shù)生產(chǎn)的飛機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行精確地質(zhì)量檢測，另一方面通過測量結(jié)果不斷匯總、分析以及提取檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性以及在加工裝配過程中的產(chǎn)品質(zhì)量控制的薄弱易損環(huán)節(jié)，建立檢測結(jié)果和產(chǎn)品質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)之間的影響關(guān)系，為通航產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供信息反饋和實(shí)踐參考，從而使通航產(chǎn)品的制造品質(zhì)持續(xù)提升[1]。

現(xiàn)階段對曲面產(chǎn)品的測量時(shí)，激光跟蹤儀配套的通用測量軟件不具備計(jì)算機(jī)輔助三維軟件的曲面特征構(gòu)造、曲面信息提取等功能，模型上的手動(dòng)錨定點(diǎn)無法在實(shí)物上對應(yīng)采樣對坐標(biāo)進(jìn)行精確擬合同時(shí)在對曲面點(diǎn)的掃描亦是經(jīng)驗(yàn)式的手持掃描，國內(nèi)航空制造業(yè)還沒有形成一個(gè)曲面產(chǎn)品數(shù)字化測量規(guī)劃，并且未實(shí)現(xiàn)高效率、高準(zhǔn)確率的曲面質(zhì)量檢測往往出現(xiàn)一些測量重復(fù)、測量數(shù)據(jù)遺漏、測量路徑混亂、測量順序不一的問題，在產(chǎn)品檢測以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集時(shí)帶來大量的初始數(shù)據(jù)誤差。本文充分利用數(shù)字化測量技術(shù)提出自由度定位基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)對齊和最近點(diǎn)迭代算法對齊點(diǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法對曲面類產(chǎn)品的數(shù)字化測量進(jìn)行坐標(biāo)統(tǒng)一，利用CATIA的外部接口使用CAA C++二次開發(fā)組件驅(qū)動(dòng)零件MBD模型的公差對曲面測量信息進(jìn)行規(guī)劃與獲取，同時(shí)完成CATIA與測量軟件數(shù)據(jù)通信，將曲面的數(shù)字化測量信息生成可視化的測量路徑，對激光跟蹤儀的測量過程進(jìn)行工藝規(guī)劃，科學(xué)有效指導(dǎo)通航曲面類產(chǎn)品的現(xiàn)場數(shù)字化測量[2]。

1 曲面輪廓特征的坐標(biāo)擬合

曲面輪廓中沒有直接應(yīng)用的特征點(diǎn)、輪廓線、基準(zhǔn)面平面等特征，或者一個(gè)幾何特征被分割在不同的視圖中，由于缺乏完整的拓?fù)浜吞卣餍畔?，無法進(jìn)行特征創(chuàng)建以及者特征提取[3]。只能使用對測量數(shù)據(jù)與數(shù)字模型對齊的方法將測量坐標(biāo)系與數(shù)模坐標(biāo)系進(jìn)行擬合，統(tǒng)一坐標(biāo)系。

曲面特征復(fù)雜，曲面測量點(diǎn)集各個(gè)區(qū)域存在的曲率與撓率、切矢與法矢以及輪廓度等曲面性質(zhì)存在不同程度的相似性。數(shù)字模型上各個(gè)面域中曲線曲面類型、連續(xù)性、參數(shù)方程等拓?fù)湫畔⑼瑯哟嬖诓煌潭鹊南嗨菩?。測量坐標(biāo)系下的測量點(diǎn)與MBD定于的曲面模型在遠(yuǎn)距離空間范圍內(nèi)搜索最近點(diǎn)的最優(yōu)匹配結(jié)果無法正確擬合坐標(biāo)系。根據(jù)曲面特征，借鑒基準(zhǔn)點(diǎn)對齊的方法，使用自由度定位與最近點(diǎn)迭代算法對齊點(diǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法完成測量實(shí)物與MBD定義的數(shù)字模型完成擬合同時(shí)意味著測量坐標(biāo)系與數(shù)字模型坐標(biāo)系的基準(zhǔn)統(tǒng)一。

1.1 基于六自由度基準(zhǔn)點(diǎn)的初步對齊方法

利用激光跟蹤儀進(jìn)行數(shù)字化測量時(shí)，在曲面模型上設(shè)立定位點(diǎn)，按照基準(zhǔn)點(diǎn)選取的原則在曲面的上不同位置采點(diǎn)，為保證產(chǎn)品自由度利用“3-2-1”法在進(jìn)行零件表面錨定6個(gè)點(diǎn)，定位方式分別是“面-線-點(diǎn)”，在不同坐標(biāo)系下采集的數(shù)據(jù)，通過自由度定位基準(zhǔn)點(diǎn)移動(dòng)對齊，將數(shù)字模型與測量實(shí)物進(jìn)行擬合，從而將包含兩類數(shù)據(jù)的兩個(gè)坐標(biāo)系變換到同一個(gè)坐標(biāo)系下。通過坐標(biāo)定位點(diǎn)對齊的方法進(jìn)行坐標(biāo)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[4-5]，如圖1所示。

圖1 曲面定位擬合過程

基準(zhǔn)點(diǎn)“3-2-1”幾何坐標(biāo)系變換方法為：①變換包含三點(diǎn)P1、P2、P3的平面到包含Q1、Q2、Q3的平面。②變換P4(P4-P5)到(Q4-Q5)(只考慮方向)③變換數(shù)模錨定點(diǎn)P6到曲面測量點(diǎn)Q6。

在對定位點(diǎn)進(jìn)行對齊的過程中可以看出，定位點(diǎn)的測量準(zhǔn)確度以及定位點(diǎn)在曲面的分布對其結(jié)果有很大影響。在使用定位基準(zhǔn)點(diǎn)對齊的方法擬合坐標(biāo)時(shí)盡可能的提高擬合基準(zhǔn)點(diǎn)定位精度。設(shè)備測量精度由激光跟蹤儀的距離角度測量精度、測量不確定度以及測量現(xiàn)場外部影響因素決定。而在相同測量誤差的情況下，定位點(diǎn)的分布也會影響對其結(jié)果。因此總結(jié)定位基準(zhǔn)點(diǎn)的選取原則。

(1)主要平面原則：應(yīng)選擇產(chǎn)品在設(shè)計(jì)坐標(biāo)下的坐標(biāo)平面、其投影平面或產(chǎn)品上設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面及其偏置。

(2)最大包容原則：應(yīng)確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的位置將產(chǎn)品的有效功能區(qū)域最大限度的包容在內(nèi)。

(3)直角坐標(biāo)原則：在最大包容原則的基準(zhǔn)上，定位基準(zhǔn)點(diǎn)的分布滿足直角分布。

1.2 最近點(diǎn)迭代的對齊方法

由于數(shù)模手動(dòng)錨定選點(diǎn)、實(shí)物手持測量方式以及曲面實(shí)物上缺少高精加工的基準(zhǔn)孔，基準(zhǔn)點(diǎn)在進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時(shí)數(shù)字模型坐標(biāo)系與測量坐標(biāo)系的坐標(biāo)系統(tǒng)一結(jié)果存在誤差。而對于通航產(chǎn)品的高精度測量要求，坐標(biāo)擬合需要在自由度粗定位的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步地精確擬合。利用在測量坐標(biāo)系下實(shí)物測量的密集點(diǎn)云與MBD數(shù)字模型上設(shè)計(jì)坐標(biāo)系相同位置上的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

(1)

圖2 最近點(diǎn)點(diǎn)云的擬合原理圖[7]

2 曲面輪廓測量信息獲取

現(xiàn)在通用的測量軟件只具備簡單計(jì)算機(jī)輔助三維軟件的幾何造型、特征構(gòu)造的功能無法對外形曲線曲面進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真、特征提取，分析計(jì)算等操作。在對通航曲面類產(chǎn)品外形的測量之前不能為數(shù)字模型的測量信息進(jìn)行識別與提取，測量軟件在提取測量點(diǎn)時(shí)只能在數(shù)字模型上進(jìn)行手動(dòng)錨定測量點(diǎn)、導(dǎo)入以及三維場景單一空間點(diǎn)的坐標(biāo)值手動(dòng)輸入，無法根據(jù)曲面輪廓特點(diǎn)對曲面產(chǎn)品進(jìn)行針對性的測量，因此需要對曲面基于MBD的模型上的測量信息進(jìn)行識別與提取。

零件模型的MBD數(shù)據(jù)集包括幾何模型、零件坐標(biāo)系統(tǒng)、尺寸、公差與標(biāo)注、工程說明、材料需求及其他相關(guān)定義數(shù)據(jù)，可以查詢公差信息與模型幾何要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系。同時(shí)建立工件的測量信息模型[8]。通過識別零件MBD數(shù)據(jù)集中與公差信息關(guān)聯(lián)的幾何元素特征作為數(shù)字化測量的對象，分析二者的關(guān)系，公差項(xiàng)目及其關(guān)聯(lián)幾何要素的類型和屬性共同構(gòu)成了坐標(biāo)測量信息獲取的具體內(nèi)容。MBD中的各個(gè)要素中，零件模型基準(zhǔn)與坐標(biāo)系提供了零件設(shè)計(jì)模型的空間相對位置與基準(zhǔn)的關(guān)系。公差集合包含了零件加工需要滿足的各類互換協(xié)調(diào)行要求，而公差項(xiàng)目則是明確檢測項(xiàng)目、確定提取對象的依據(jù)，同時(shí)根據(jù)待測公差項(xiàng)目確定公差屬性、測量范圍、待測幾何要素及其相關(guān)屬性，各個(gè)公差項(xiàng)目關(guān)聯(lián)標(biāo)注在零件公稱表面模型上拓?fù)浜图夹g(shù)關(guān)聯(lián)表面集結(jié)構(gòu)的方位要素上。將拓?fù)浜图夹g(shù)關(guān)聯(lián)表面集應(yīng)用在MBD模型中，確定各個(gè)表面要素所屬的結(jié)構(gòu)形態(tài)、空間坐標(biāo)、幾何尺寸與其他屬性。下圖所示的測量信息模型明確了測量信息識別與獲取的基本思路，公差項(xiàng)目及其關(guān)聯(lián)幾何要素的類型和屬性共同構(gòu)成了坐標(biāo)測量信息獲取的具體內(nèi)容，建立起幾何要素和公差信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系。依據(jù)測量信息組成部分間的關(guān)聯(lián)關(guān)系定義，構(gòu)建工件坐標(biāo)測量信息表示模型，指導(dǎo)工件測量信息的識別與獲取。TTRS樹在為工件MBD模型添加公差標(biāo)注時(shí)被確定，其底層功能表面就是與公差項(xiàng)目關(guān)聯(lián)的表面幾何要素，通過識別與公差項(xiàng)目關(guān)聯(lián)的樹，即可獲得相關(guān)的幾何要素信息，再此基礎(chǔ)上利用對CATIA二次開發(fā)來識別并獲取坐標(biāo)測量信息，關(guān)系模型如圖3所示[1]。

圖3 公差信息與幾何要素的關(guān)系模型

曲面輪廓是以散點(diǎn)坐標(biāo)及法相矢量的形式構(gòu)成其幾何測量信息。在計(jì)算機(jī)輔助幾何造型CAGD中，曲面可以表達(dá)成雙參數(shù)u和v的矢函數(shù)，即p=p(u,v)[9]?；趗v參數(shù)平面與零件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系/算法，即可得到在零件坐標(biāo)系中復(fù)雜曲面上一系列規(guī)則排列的點(diǎn)的坐標(biāo)及法相矢量，從而獲得曲面輪廓測量信息。

CAA中的CATSurface函數(shù)接口可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的幾何信息獲取。本文利用CATIA的外部接口使用CAAC++二次開發(fā)組件驅(qū)動(dòng)零件MBD模型的公差對曲面測量信息進(jìn)行規(guī)劃與獲取，坐標(biāo)測量信息的識別與獲取流程如圖4所示。

將在曲面輪廓上散點(diǎn)坐標(biāo)提取的同時(shí)輸出文本數(shù)據(jù)文檔作為數(shù)字化測量過程的理論名義值與實(shí)際測量的數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)值進(jìn)行比對，對曲面輪廓進(jìn)行數(shù)字化評價(jià),軟件中形成測量點(diǎn)特征元素，如圖5所示。

圖4 基于MBD的測量信息獲取流程圖

圖5 測量軟件中的測量點(diǎn)特征

3 可視化測量路徑的生成

曲面測量信息以離散點(diǎn)云的形式分布并未賦予數(shù)字化測量采點(diǎn)順序與路徑，防止在現(xiàn)場測量時(shí)會因操作習(xí)慣、操作經(jīng)驗(yàn)、實(shí)物擺放等各種原因出現(xiàn)測量順序混亂對側(cè)路徑經(jīng)規(guī)劃。按照曲面的u和v參數(shù)方向按照測量信息生成的前后順序，在polyworks中將相鄰兩個(gè)測量點(diǎn)生成向量的形式，將此工作流程記錄保存為宏指令的腳本文件。

將記錄宏腳本經(jīng)過基礎(chǔ)編輯后，對其語法及程序命令進(jìn)行調(diào)試與檢測，調(diào)試與檢測后編輯修改、添加順序循環(huán)命令和模塊化編程的整理，實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化實(shí)際任務(wù)中宏腳本的控制導(dǎo)向功能，需要將簡單的宏腳本編輯成能夠循環(huán)命令等任務(wù)導(dǎo)向功能且任務(wù)龐大的宏腳本，將所有的測量點(diǎn)集按順序以向量的形式成測量路徑，圖6所示。

圖6 可視化的測量路徑仿真

4 數(shù)字化測量工藝規(guī)劃實(shí)例應(yīng)用

在飛機(jī)數(shù)字化測量過程中，沒有形成高效、精確、實(shí)用地測量工藝規(guī)劃， 在產(chǎn)品出廠檢測過程中，測量發(fā)現(xiàn)問題時(shí)產(chǎn)品已加工完畢，返工時(shí)間過長，這將導(dǎo)致增加整個(gè)飛機(jī)制造周期?，F(xiàn)以某型飛機(jī)曲面產(chǎn)品檢測過程為例，基于數(shù)字化測量工藝規(guī)劃對產(chǎn)品交付檢測技術(shù)進(jìn)行研究[10]。

4.1 坐標(biāo)系的統(tǒng)一

根據(jù)數(shù)字模型的形狀特點(diǎn)在數(shù)字模型設(shè)計(jì)坐標(biāo)系下的位置選取“Y-Y-Y-X-X-Z”方向錨定6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)將公差半徑選擇100mm實(shí)物進(jìn)行探測，測量完畢并保證偏差半徑在公差半徑范圍內(nèi)，公差半徑可按倍數(shù)逐漸減少重復(fù)測量基準(zhǔn)點(diǎn)，直至測量半徑偏差在公差半徑5mm范圍內(nèi)，完成基準(zhǔn)點(diǎn)初步對齊之后，掃描曲面點(diǎn)云完成最近點(diǎn)點(diǎn)云使測量實(shí)物坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系擬合，坐標(biāo)擬合精度與統(tǒng)一結(jié)果如圖7所示。

圖7 曲面坐標(biāo)擬合

4.2 提取曲面信息

根據(jù)實(shí)際測量檢測要求將并且針對 CATIA 環(huán)境下建立的零件 MBD 模型，基于 Microsoft Visual Studio2005 開發(fā)平臺，利用 CAA C++二次開發(fā)組件，在對曲面輪廓上的散點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行了檢測信息的識別，基于uv參數(shù)平面與零件坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系/算法，即可得到在零件坐標(biāo)系中復(fù)雜曲面上一系列規(guī)則排列的點(diǎn)的坐標(biāo)及法相矢量，從而獲得曲面輪廓測量信息并將其信息存儲指定文檔中，數(shù)據(jù)提取結(jié)果如圖8所示[11]。

圖8 測量點(diǎn)提取

4.3 測量路徑生成與測量結(jié)果

測量人員根據(jù)上述在CATIA提取到的測量點(diǎn)傳遞到測量軟件中可視化顯示，在測量坐標(biāo)系與設(shè)計(jì)坐標(biāo)系統(tǒng)一基礎(chǔ)上，手持光學(xué)工具球的位置可以在測量軟件中的數(shù)字模型中同步顯示出來，為避免測量操作者現(xiàn)場對龐大點(diǎn)云采點(diǎn)時(shí)發(fā)生錯(cuò)行、越位、順序顛倒等操作錯(cuò)誤，利用配套軟件polyworks宏腳本語言將簡單的采點(diǎn)循環(huán)命令進(jìn)行模塊化編程，將數(shù)字模型上的測量點(diǎn)云進(jìn)行可視化仿真指導(dǎo)，操作人員按照測量路徑進(jìn)行手持測量得出測量數(shù)據(jù)完成數(shù)字化測量，如圖9所示。

圖9 曲面產(chǎn)品數(shù)字化測量

5 總結(jié)

基于MBD技術(shù)與數(shù)字化測量技術(shù)在通航產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、工藝制定、加工安裝以及樣機(jī)檢測整個(gè)周期并行協(xié)同可以提高我國通用航空飛機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)、制造以及返修周期，降低成本同時(shí)為后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)航空曲面產(chǎn)品質(zhì)量檢測需要，基于MBD技術(shù)與先進(jìn)的光學(xué)測量技術(shù)制定規(guī)范可行的數(shù)字化測量工藝規(guī)劃對通航曲面產(chǎn)品進(jìn)行精確、高效檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對質(zhì)量超差產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工工藝，加工人員各個(gè)影響因素進(jìn)行排查找到關(guān)鍵影響因素，及時(shí)彌補(bǔ)改善產(chǎn)品缺陷。因此該工藝規(guī)劃對通航飛機(jī)質(zhì)量檢測有積極的地指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

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(編輯 李秀敏)

Digital Measurement Process Planning for General Aviation Surface Types of the Product

LIU Ping,FANG Yi-xiang,JIN Jiang-yan,HU Hai-xia

(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018,China)

Advanced digital measurement technology is gradually applied to measurement of the general aviation surface product. For efficiently and accurately measuring the general aviation surface product, the normative and practicable digital measurement Process planning should be carried out.Digital measurement process planning for general aviation surface types of the Product based on Model Based Definition and Optical measurement techniques is proposed.First，Physical products coordinates can be mapped to the design coordinates using the combination of degrees of freedom locating datum point aligned coordinate and recent point cloud alignment of method for completing unified digital measurement coordinate system.Then relationship in Tolerance project and geometric elements is researched in component mode Based Definition to establish artifacts representation model of measuring information and using CATIA development interface with CAA C++ technology as a second development means the coordinate measurement information is Identified and obtained.After the measuring information text and Measuring software to complete data communication measurement information can take a visual path simulation with the macro scripting language (MSCL) editing program.Finally,general aviation surface product Digital measurement is made According to the process planning.Measurement applications example shows the measurement process planning can detect general aviation surface product with digital equipment product efficiently efficiently and intelligently.

digital measurement; process planning; fitting coordinate; information model

1001-2265(2017)06-0154-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.06.039

2016-09-18；

2016-10-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51075119)；河北科技大學(xué)通用航空產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)工程實(shí)驗(yàn)室開放基金(TY01,2015PT17)； 河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(14961811D)

劉平(1990—)，男，山東泰安人，河北科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)756884617@qq.com；通訊作者：方憶湘(1963—)，男，湖南岳陽人，河北科技大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)fangyixiang_hbkd@163.com。

TH74;TG506

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