程 旭，車劍昭，白 揚，韓志仁，1b，宮 雪

(1.沈陽航空航天大學 a.航空宇航學院 b.航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，沈陽 110136；2.西安飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，西安 710089)

復合材料蒙皮是飛機外表皮零件，是保證飛機氣動外形的重要組成部件[1]，具有尺寸大、種類多、形狀復雜以及易變形等特點[2-3]。飛機復合材料蒙皮外形復雜，加工精度要求高，因此復合材料蒙皮的制造一直是工業(yè)界的難題[4]。為檢驗復合材料蒙皮產(chǎn)品合格與否，復合材料蒙皮檢驗夾具應運而生。設(shè)計人員對比不同方案的優(yōu)缺點、成本、可操作性等諸多因素[5]，最終確定檢驗卡板的工裝結(jié)構(gòu)以及使用真空吸附的氣槽對復合材料蒙皮進行吸附[6-7]。蒙皮零件的尺寸、特征等不同，因此檢驗卡板位置與尺寸差異性較大。設(shè)計復合材料蒙皮檢驗夾具結(jié)構(gòu)時，檢驗卡板尺寸、位置均需工程人員憑經(jīng)驗進行復雜計算[8]，因此會導致夾具設(shè)計總體耗時長。

本文通過分析檢驗卡板設(shè)計原則，設(shè)計了邊界及定位塊特征識別，檢驗卡板尺寸與位置的計算方法，提出了檢驗卡板分割曲面構(gòu)造方案，并根據(jù)真空吸附原理，提出了氣槽設(shè)計方法。再結(jié)合組件應用架構(gòu)(Component Application Architecture，即CAA)對CATIA進行二次開發(fā)[9]，實現(xiàn)了智能化快速設(shè)計生成檢驗夾具的目標。

1 結(jié)構(gòu)分析

復合材料蒙皮檢驗夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示，基體采用整體框架結(jié)構(gòu)，表面層采用特定材料予以保護，且與基體貼合，其上表面定位型面用于蒙皮零件周圈外形銑切的檢驗[10]。檢驗卡板尺寸和位置由蒙皮零件的尺寸和裝夾位置確定。

圖1 蒙皮檢驗夾具結(jié)構(gòu)

一套檢驗夾具上可以檢驗幾個零件，每個蒙皮零件對應一組檢驗卡板，檢驗卡板組由若干檢驗卡板組成，蒙皮定位型面貼合蒙皮，定位型面擬合的多點平均面盡量平行于基準平面，定位型面定位在基準型面5 mm以上；蒙皮型面支撐周圈外形比蒙皮外形縮短2 mm；定位型面上應作出密封槽和抽氣槽的中心線。復合材料蒙皮檢驗夾具設(shè)計元素如圖2所示，預處理建立全局參考坐標系，x、y、z方向與基體的長、寬、高方向平行。

圖2 設(shè)計元素示意圖

2 建模設(shè)計流程

2.1 主要設(shè)計難點

(1)設(shè)計真空設(shè)備時，經(jīng)過驗證實際可行性，使用了密封槽、抽氣槽和吸附沉孔的設(shè)計。密封槽和抽氣槽統(tǒng)稱為氣槽，氣槽是夾具可真空吸附的決定因素。為了保證復合材料蒙皮夾緊的均勻性，定位型面上要有足夠的氣槽，而且氣槽的排布及大小要合理，孔徑不能太小，如果孔徑過小氣槽的密度會相應增加，這會給蒙皮的放置帶來困難。如果個別氣槽不能密封，蒙皮不易吸牢，也會造成蒙皮報廢。為了更好地吸附蒙皮，如何設(shè)計出合理的氣槽布局尤為關(guān)鍵，因此氣槽設(shè)計是難點之一。

(2)復合材料蒙皮厚度方向的檢驗采用的是檢驗卡板，檢驗卡板是檢驗夾具可以實現(xiàn)檢驗蒙皮的決定因素。為了保證檢驗夾具檢驗出產(chǎn)品的質(zhì)量，檢驗卡板位置要盡量均勻分布，以達到最好的檢驗效果,并且尺寸要相對合理符合設(shè)計要求。因此如何智能地確定檢驗卡板的尺寸和位置，尤其是兩組卡板的相對位置關(guān)系的確定是難點之一。

2.2 建模方案設(shè)計

首先基于獲得的全部蒙皮實體，通過智能算法得到邊界特征。通過氣槽設(shè)計算法自動生成每個蒙皮的密封槽及抽氣槽中心線，并采用自動或手動方式生成每個蒙皮實體的吸附沉孔特征，然后用類比法將定位塊、吸附沉孔特征整合至同一參考特征組?；谶吔缣卣?、輸入?yún)?shù)及得到的每個實體參考特征組，利用分治法確定每個蒙皮實體對應的檢驗卡板毛坯草圖位置、尺寸。通過構(gòu)造分割面分割毛坯，再通過智能避讓算法確定每個蒙皮實體的檢驗卡板尺寸、位置，如圖3所示，自動生成基體并裝配夾具附件。

圖3 檢驗卡板

2.3 智能算法研究

2.3.1 蒙皮邊界特征的智能算法

蒙皮零件是由曲面和邊線組成的實體，可分為單件、對稱件和非對稱雙件蒙皮。基于蒙皮輪廓邊界的幾何特點，設(shè)計出智能識別蒙皮邊界特征的算法，涉及的幾何元素如圖4所示，其流程如下：

圖4 幾何元素

步驟1 首先通過遍歷結(jié)構(gòu)樹[11]獲得全部零件實體，將全部實體存入到數(shù)組Group_1中，聲明變量i=1。

步驟2 特征是具有一定關(guān)系的拓撲元素，基于CAA拓撲接口對數(shù)組Group_1中第i個實體進行拓撲算法，獲得零件實體全部邊線。將這些邊線存入到數(shù)組Cell_1中，聲明變量j=1。

步驟3 通過智能算法獲取貼合零件下型面和型面質(zhì)心，以下型面作為判斷基準，記作Plane；型面質(zhì)心記作Point，建立參考坐標系，記作Axis。

步驟4 在Axis參考坐標系下對Cell_1數(shù)組中第j號拓撲元素進行MeasureDistance函數(shù)操作，將得到的距離與判斷基準進行比較。當符合判斷基準時，將該元素記作Project1，插入結(jié)構(gòu)樹并存入數(shù)組Cell_2，中便于后續(xù)識別。反之執(zhí)行步驟5；若判斷失敗，結(jié)束該次判斷，進行元素j=j+1,繼續(xù)迭代步驟3。

步驟5 當步驟4判斷結(jié)束后，進行元素i=i+1,繼續(xù)迭代步驟2，直到獲得每個蒙皮的邊界特征，循環(huán)結(jié)束。

2.3.2 定位參考特征組的建立

定位特征有吸附沉孔特征和定位塊特征兩部分。吸附沉孔特征通常自動生成獲得，用戶也可根據(jù)經(jīng)驗手動拾取定位點來生成孔位，提高人機交互的可用性。再通過遍歷結(jié)構(gòu)樹算法，獲得每個蒙皮零件的定位塊特征。用類比思想將蒙皮零件吸附沉孔特征與對應的全部定位塊特征整合在一起，整合后稱其為定位參考特征組如圖5所示。如果存在兩個或兩個以上蒙皮零件，則有兩個或兩個以上定位參考特征組。

圖5 特征類比

2.3.3 氣槽設(shè)計

在氣槽設(shè)計中，氣槽與蒙皮邊界特征存在緊密的尺寸關(guān)聯(lián)。人工設(shè)計氣槽時，計算設(shè)計草圖尺寸和邊界關(guān)系非常繁瑣。本文采用的真空吸附裝置為抽氣管道，并基于尺寸關(guān)聯(lián)設(shè)計算法，計算出密封槽中心線所在區(qū)域的尺寸和位置；再根據(jù)真空吸附力計算公式[12]：F=(P1-P2)S=ΔPS智能計算出每個蒙皮零件的氣槽間距在密封槽中心線上均勻布點，進一步確定抽氣槽中心線所在區(qū)域的尺寸和位置。快速確定氣槽設(shè)計中的尺寸關(guān)聯(lián)、草圖設(shè)計可以將設(shè)計人員從繁瑣的設(shè)計工作中解放出來，減輕設(shè)計人員工作量，減少人為錯誤，提高設(shè)計效率。

2.3.4 基于特征驅(qū)動的檢驗卡板尺寸和位置計算

檢驗卡板是通過毛坯分割得到的，毛坯與檢驗卡板在蒙皮相對坐標系下x、y方向的尺寸、位置一致。由于檢驗卡板與毛坯基本等效，為了方便表述與圖示觀察，用檢驗卡板代替毛坯。在符合設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，基于參考特征確定每個蒙皮零件檢驗卡板的尺寸和位置，需要引入分治策略。分治策略在于“分而治之”，是將一個復雜的問題分成多個相似子問題，子問題可以分成更小的子問題[13-14],遞歸地解決這些子問題，再將子問題的解合并作為全局最優(yōu)解[15]。檢驗卡板尺寸計算、位置確定的分治策略如下：

步驟1 蒙皮零件組的檢驗卡板布局問題可以劃分為若干個蒙皮零件的檢驗卡板布局問題。將單一的蒙皮零件自動分為若干區(qū)域，每個區(qū)域包含一個檢驗卡板，如圖6所示。分區(qū)原則：根據(jù)蒙皮零件的區(qū)域大小自動等分為一個個小區(qū)域。

圖6 分區(qū)示意圖

步驟2 在步驟1中得到的每個檢驗卡板所在的區(qū)域，草圖位置、尺寸需根據(jù)零件邊界特征來進一步確定。用X_max(i,j)表示第i個蒙皮第j個區(qū)域的檢驗卡板草圖在x方向的極大值，X_min(i,j)為極小值。X1=X_max(i,j)-L1；…;Xn=X_max(i,j)-L1+nL2。X1為該檢驗卡板的起始端在參考坐標系下的x坐標值，L1為檢驗卡板到X_max(i,j)的距離，L2為檢驗卡板間距。

步驟3 對于每個區(qū)域，針對參考特征位置對檢驗卡板草圖進行位置、尺寸調(diào)整。為了保證檢驗卡板與相鄰蒙皮零件檢驗卡板不發(fā)生干涉，采用智能避讓原則進行優(yōu)化。

智能避讓原則：當存在兩個及兩個以上蒙皮零件時，相鄰檢驗卡板之間可能會發(fā)生干涉。因此在步驟3中得到檢驗卡板草圖時，需將檢驗卡板草圖與相鄰蒙皮零件區(qū)域檢驗卡板草圖進行相交處理。當發(fā)生干涉時，從第一個發(fā)生干涉處對草圖位置進行調(diào)整，然后將這些草圖元素存進一個臨時數(shù)組，按照x坐標值對數(shù)組元素進行冒泡排序。依次進行迭代運算，直至優(yōu)化到無干涉并符合設(shè)計要求時結(jié)束，從而實現(xiàn)智能避讓。

步驟4 依次對每個區(qū)域進行迭代運算，確定每個蒙皮零件檢驗卡板位置、尺寸的計算結(jié)果。將單一蒙皮零件檢驗卡板位置、尺寸計算結(jié)果進行合并，將其作為蒙皮零件組的檢驗卡板位置、尺寸的計算結(jié)果。

2.3.5 分割型面的構(gòu)造與分割方向判別

為了使檢驗卡板更好地檢驗蒙皮，需使用分割型面對卡板毛坯進行分割。分割型面構(gòu)造方式：通過遍歷結(jié)構(gòu)樹的方法獲取蒙皮定位型面，再通過對蒙皮定位型面平移分割得到所需的分割型面，如圖7所示。

由于使用型面分割毛胚實體時分割方向存在二義性，需要通過CATGSM Orientation類別下的分割函數(shù)來控制正確的分割方向。具體需要通過方向參數(shù)Same Orientation、Invert Orientation判斷來實現(xiàn)。其中Same Orientation表示默認方向，Invert Orientation則表示反方向。將毛胚實體沿著這兩個方向分別分割一次，得到兩個分割毛胚體。比較二者質(zhì)心在蒙皮參考坐標系下某方向的坐標分量，根據(jù)比較結(jié)果確定分割方向及分割后的實體。分割后用實體用函數(shù)F(Face,Body,L,K)表示。其中：Face為分割型面；Body為待分割的毛胚實體；L∈N{1,2,3}，L的3個取值與坐標系的x、y、z軸的方向一一映射。根據(jù)L的值，分別獲取兩個方向的分割體質(zhì)心在相對坐標系中L方向的坐標分量；K∈N{0,1}，K=0表示質(zhì)心坐標下分量較大的實體為保留的實體，K=1表示質(zhì)心坐標下分量較小的實體為保留的實體。

變量初始化：如圖7所示，檢驗卡板最終保留實體區(qū)域的數(shù)學表示為：F(Face1,Body,3,0)。Body為檢驗卡板毛坯；Face1為分割型面；3為質(zhì)心坐標下z方向。

圖7 檢驗卡板示意圖

3 實例功能驗證

基于CAA開發(fā)出了飛機復合材料蒙皮檢驗夾具快速設(shè)計方法。第一步選擇設(shè)計參考結(jié)構(gòu)，然后導入設(shè)計參考。第二步進入夾具設(shè)計模塊，如圖8所示，該對話框?qū)⑦M一步確定夾具組成方案信息，缺省參數(shù)框內(nèi)放入自動獲得的部分尺寸、缺省參數(shù)，并支持修改。確認缺省參數(shù)框中的參數(shù)符合要求后點擊預覽按鈕，程序自動生成氣槽、吸附沉孔檢驗卡板等；若上述輸入的參數(shù)無需修改缺省參數(shù)，點擊預覽則會生成夾具。第三步進入裝配模塊，參考控件中的提示信息，依次點擊對話框?qū)霕藴始粹o，導入目標文件夾下的標準件，再點擊自動裝配按鈕，程序?qū)⑼ㄟ^軸系相合約束裝配標準件。以非對稱雙件蒙皮為實例，需要導入吊環(huán)、對刀塊與機床連接用插銷，抽氣用的二通、三通、密封膠圈，以及堵頭、真空膠管等附件，最后點擊裝配按鈕完成夾具標準件的裝配，如圖9所示，通用化蒙皮檢驗夾具設(shè)計流程如圖10所示。

圖8 夾具設(shè)計模塊

圖9 生成夾具預覽

圖10 通用化蒙皮檢驗夾具設(shè)計流程圖

4 結(jié)論

本文針對蒙皮檢驗夾具設(shè)計中存在的特征識別困難，檢驗卡板與氣槽位置、尺寸設(shè)計繁瑣等問題，提出了基于CATIA/CAA的蒙皮檢驗夾具智能快速設(shè)計方案，在VC++中編寫代碼，開發(fā)了飛機復合材料蒙皮零件檢驗夾具智能快速設(shè)計軟件。該軟件在保證設(shè)計質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)了復合材料蒙皮檢驗夾具的快速建模、智能優(yōu)化以及附件的快速裝配。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，通過該軟件設(shè)計蒙皮檢驗夾具耗時，設(shè)計效率提高了20倍左右，節(jié)省了時間，縮短了設(shè)計制造周期，為智能化蒙皮檢驗夾具設(shè)計提供一個參考方案。