屈力剛，李嘉淞，張丹雅，王碧玲，孫鵬飛

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng) 110136；3.中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，遼寧沈陽(yáng) 110031)

0 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷提升，航空工業(yè)領(lǐng)域迎來(lái)了飛速發(fā)展，因此對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量以及制造周期提出了更高的要求。飛機(jī)裝配就是按照?qǐng)D紙上的要求把各部分零件組裝起來(lái)，該過(guò)程耗費(fèi)巨大的人力和時(shí)間。數(shù)據(jù)表明，飛機(jī)裝配的工作量甚至可以超過(guò)飛機(jī)總體工作量的40%。飛機(jī)裝配時(shí)，結(jié)構(gòu)件大多通過(guò)機(jī)械連接的方式，例如鉚接和螺栓連接。往往單個(gè)飛機(jī)在裝配時(shí)就會(huì)消耗100萬(wàn)個(gè)連接件，且在連接處發(fā)生破壞的比例非常高，因此要提前預(yù)備好對(duì)應(yīng)數(shù)量的連接孔。而在飛機(jī)裝配中，80%的連接孔是沉頭孔。所以沉頭孔的工藝質(zhì)量影響飛機(jī)的疲勞壽命，并直接關(guān)系到飛機(jī)的服役壽命。

飛機(jī)部件上的加工孔數(shù)量極其龐大，據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，某機(jī)翼生產(chǎn)線(xiàn)上的制孔量每個(gè)月高達(dá)300萬(wàn)次。并且由于材料種類(lèi)繁多、工藝水平參差不齊等原因，人工制孔的效率、工藝匹配性、重復(fù)性等已經(jīng)不能被當(dāng)代制造接受。隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化制孔技術(shù)由于過(guò)程穩(wěn)定、加工精度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)的裝配過(guò)程中。自動(dòng)化制孔技術(shù)最早應(yīng)用于1950年，該技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等，是一門(mén)多學(xué)科交叉的綜合技術(shù)。最早是美國(guó)通用公司將該技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線(xiàn)中，開(kāi)創(chuàng)了行業(yè)內(nèi)的先例。德國(guó)BROETJE公司開(kāi)發(fā)了雙機(jī)器人協(xié)同鉆鉚系統(tǒng)，大大提升了裝配效率。國(guó)內(nèi)1990年開(kāi)始，西飛公司引進(jìn)了兩臺(tái)二手的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備，分別是G400和G900。

相比于傳統(tǒng)的手工編制自動(dòng)制孔程序，隨著數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，利用軟件系統(tǒng)為制孔設(shè)備編譯代碼的方式被更廣泛地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。西飛公司的羅群等人提出了基于數(shù)據(jù)庫(kù)的離線(xiàn)編程技術(shù)，可做到迅速提取工藝數(shù)據(jù)，從而提高了編程的效率和準(zhǔn)確率。關(guān)于自動(dòng)制孔軟件的研究，目前僅停留在根據(jù)要求自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的孔，并且只能在規(guī)則曲面上制孔，還不能很好地適應(yīng)于現(xiàn)代制造業(yè)并應(yīng)用于實(shí)際工程應(yīng)用中去。本文作者針對(duì)零件曲面厚度不均勻且不同位置螺釘頭打孔深度不一的情況，基于CATIA/CAA平臺(tái)，在自動(dòng)制孔的基礎(chǔ)上增添了智能沉頭功能，彌補(bǔ)了之前的等深度沉頭功能只能在規(guī)則曲面打孔的不足，從而能更好地應(yīng)用于制孔現(xiàn)場(chǎng)，節(jié)省人力和時(shí)間，并大大提高工作效率。

1 特征識(shí)別與提取

特征識(shí)別是基于產(chǎn)品的實(shí)體模型，生成具有實(shí)際工程意義的幾何圖形。在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，存在數(shù)量巨大的連接件及連接孔，孔、槽等特征及一些相交特征的尺寸和形狀參差不齊，使得現(xiàn)場(chǎng)存在較大的工作量，因此進(jìn)行特征識(shí)別顯得尤為重要。特征在1975年被英國(guó)劍橋大學(xué)的GRAYER首次提出，并將它用于刀具軌跡計(jì)算。之后，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員對(duì)特征識(shí)別領(lǐng)域展開(kāi)了深入研究，目前主要有基于邊界匹配和基于體分解2種方法。基于邊界匹配理論包括基于圖論、基于規(guī)則、基于痕跡等方法。其中，基于圖論的識(shí)別方法具有可以準(zhǔn)確識(shí)別獨(dú)立特征的優(yōu)點(diǎn)，成功率高；但是只能用于多面體零件，在添加虛連接時(shí)會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，并且在子圖匹配時(shí)耗費(fèi)大量時(shí)間?；趫D論和基于規(guī)則的識(shí)別方法有一個(gè)共同點(diǎn)，都難以識(shí)別相交特征?；诤圹E的方法對(duì)于相交特征有著更好的識(shí)別方法，但是幾乎沒(méi)有合適的痕跡去匹配復(fù)雜特征，并且依賴(lài)具體的特征類(lèi)型?；隗w分解的理論識(shí)別方法可以更好地解決相交特征問(wèn)題，但是整體識(shí)別效率不高。

1.1 特征識(shí)別過(guò)程

常見(jiàn)的特征識(shí)別一般從總體特征開(kāi)始，接下來(lái)分別是曲線(xiàn)特征、曲面特征和輔助特征。通過(guò)分析各種曲面和曲線(xiàn)的特征得出特征提取結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 特征提取結(jié)構(gòu)

1.2 特征識(shí)別算法

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員使用最多的是基于邊界的特征識(shí)別算法，該算法主要分為基于屬性鄰接圖和基于規(guī)則。屬性鄰接圖(Attributed Adjacency Graph，AAG)是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)表示零件模型，在近幾年更為常見(jiàn)。該算法需要定義特征庫(kù)并且相對(duì)復(fù)雜，常用于識(shí)別非規(guī)則結(jié)構(gòu)的零件。零件結(jié)構(gòu)以及屬性鄰接如圖2和圖3所示。圖中的節(jié)點(diǎn)表示面，節(jié)點(diǎn)之間的虛線(xiàn)表示凹邊，實(shí)線(xiàn)表示凸邊。

圖2 零件結(jié)構(gòu)

圖3 屬性鄰接

在對(duì)機(jī)翼蒙皮進(jìn)行打孔時(shí)，螺釘頭與目標(biāo)曲面會(huì)形成相交特征，則采用相關(guān)的特征識(shí)別算法。相交特征一般分為3類(lèi)：封閉的邊界線(xiàn)、開(kāi)放的邊界線(xiàn)和不直接相連的邊界線(xiàn)。相交特征在特征識(shí)別中屬于較難的部分，一般方法通常只能識(shí)別常見(jiàn)的相交特征，而且會(huì)發(fā)生一定程度幾何和拓?fù)湫畔⒌膩G失。高曙明提出特征最小子圖的概念來(lái)識(shí)別相交特征，但是得出的特征之間會(huì)存在公共體積。文中在特征主基面的相交特征識(shí)別算法的基礎(chǔ)上，引入了幾何信息提取算法，有效地改進(jìn)了識(shí)別效果并且提高了識(shí)別效率。特征識(shí)別過(guò)程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 特征識(shí)別總流程

(1)通過(guò)CATIA零件數(shù)模圖，生成屬性鄰接圖。

(2)通過(guò)幾何信息提取算法，引入對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)，結(jié)合拓?fù)渌阉?，從而完成?duì)應(yīng)的特征識(shí)別。幾何信息提取算法如圖5所示。

圖5 幾何信息提取算法流程

(3)利用特征優(yōu)先級(jí)約束和面邊關(guān)系屬性，從而判定相交特征的存在。

(4)將一個(gè)面定為主基面，該面的法向一般與軸向保持一致。

(5)存儲(chǔ)零件的屬性鄰接圖，并與鄰接矩陣進(jìn)行匹配，從而完成特征識(shí)別。

2 機(jī)翼蒙皮打孔智能沉頭關(guān)鍵技術(shù)

飛機(jī)在裝配過(guò)程中，蒙皮制孔一般采用制孔機(jī)器人、自動(dòng)制孔設(shè)備等來(lái)完成。自動(dòng)制孔工藝屬于自動(dòng)化制孔里重要的一部分，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)中不僅能指出孔的位置，還能指出制孔的順序以及布局等?；谲浖淖詣?dòng)制孔技術(shù)，其中包含了研究人員的設(shè)計(jì)思想，形成自動(dòng)制孔工藝，這樣可大大節(jié)省人力并提高制孔效率。

2.1 孔位信息拾取

在蒙皮制孔之前，首先需要將蒙皮在裝配的部件上進(jìn)行定位，從而滿(mǎn)足蒙皮的正確位置和制孔過(guò)程的穩(wěn)定性。在CATIA數(shù)模中，測(cè)壓孔點(diǎn)的位置是已知的，并且是依據(jù)弦線(xiàn)排列好的，如圖6所示。同一個(gè)測(cè)壓剖面中，測(cè)壓孔會(huì)分布在不同的零件上，如一部分在機(jī)翼主體上、一部分在蓋板上。在CATIA中具有足夠完善的應(yīng)用接口(Application Programming Interface, API)，需要時(shí)通過(guò)調(diào)出對(duì)應(yīng)的API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。

圖6 測(cè)壓點(diǎn)數(shù)模示意

2.2 孔的類(lèi)型

完成測(cè)壓點(diǎn)的選取后，定義孔的類(lèi)型和孔的直徑?？椎念?lèi)型可分為簡(jiǎn)單孔、錐形孔、沉頭孔、埋頭孔和倒鉆孔。由于CATIA軟件中本身就包含這5種孔的類(lèi)型，所以?xún)H需要分別調(diào)用相關(guān)指針，便可設(shè)置孔的類(lèi)型，如表1所示。

表1 不同孔類(lèi)型分別對(duì)應(yīng)的指針

2.3 智能沉頭功能

在使用CATIA自帶的打孔命令時(shí)，一般是基于規(guī)則的曲面打孔并且打孔方向一般是曲面的法線(xiàn)方向。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，零件外形面大多是不規(guī)則曲面，不同螺釘孔位置的零件厚度不一樣。若還是采用常規(guī)的等深度沉頭方法進(jìn)行打孔，勢(shì)必導(dǎo)致不能根據(jù)工程需要完成打孔要求。為保證螺釘頭能完全沉入曲面，每個(gè)孔的沉頭深度應(yīng)根據(jù)曲面表面點(diǎn)的不同位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證螺釘頭外形尺寸完全沉入。所以文中在CATIA/CAA平臺(tái)下，基于相交特征識(shí)別算法和幾何信息提取算法，開(kāi)發(fā)出一個(gè)智能沉頭功能，能夠很好地解決上述問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)翼蒙皮打孔時(shí)可大大解放了人力，提高了效率并能很好地滿(mǎn)足工程需要。

孔位信息拾取出來(lái)之后，需要對(duì)孔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行特征識(shí)別，從而滿(mǎn)足打孔需求。文中利用CATIA/CAA平臺(tái)，對(duì)屬于CAD模型的底層構(gòu)造數(shù)據(jù)的B-rep數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。首先依據(jù)CATIA模型文件獲取文檔指針(CATDocument),進(jìn)而獲得(CATContainerOfDocument)；接著利用方法GetSpecContainer獲取零件模型所在容器CATIContainer；再?gòu)腃ATIContainer中獲取CATIPrtContainer，并利用方法GetPart()獲取對(duì)應(yīng)的指針。之后的提取思路如圖7所示：找到拓?fù)潴wCATBody對(duì)象，接著依次按照CATBody→CATVolum→CATVertex等過(guò)程進(jìn)行B-rep數(shù)據(jù)的提取。

圖7 B-rep信息特征識(shí)別

在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)翼蒙皮打孔時(shí)，打孔平面一般為非規(guī)則曲面，并且打孔方向垂直于水平面。在識(shí)別出孔位信息之后，對(duì)單個(gè)孔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行特征識(shí)別。智能沉頭功能實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下所示：

(1)拾取圓柱面。對(duì)沉頭螺釘桿部進(jìn)行特征識(shí)別，生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的圓柱面。

(2)識(shí)別相交邊界。沉頭螺釘在打孔時(shí)會(huì)與機(jī)翼蒙皮曲面相交形成一個(gè)近似于橢圓形的邊界，對(duì)這個(gè)相交特征進(jìn)行識(shí)別。

(3)分布采樣點(diǎn)。在橢圓形邊界上分布若干個(gè)采樣點(diǎn)，并且拾取每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。

(4)各個(gè)點(diǎn)向軸線(xiàn)上投影。將這些點(diǎn)分別對(duì)圓柱面的軸線(xiàn)進(jìn)行投影，使它分布在軸線(xiàn)上。

(5)判定距離。在對(duì)曲面進(jìn)行打孔時(shí)，數(shù)模上的孔位點(diǎn)作為打孔基準(zhǔn)點(diǎn)，該點(diǎn)的坐標(biāo)值記為。以該點(diǎn)為基準(zhǔn)，判定軸線(xiàn)上各點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的距離。接著找出最低點(diǎn)即軸線(xiàn)上距離基準(zhǔn)點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)，最低點(diǎn)的軸坐標(biāo)為。如圖8所示：圓柱面軸線(xiàn)上最高的點(diǎn)為打孔基準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)1～點(diǎn)5分別為相交圓柱面上5個(gè)點(diǎn)在軸線(xiàn)上的投影。其中點(diǎn)1為最高點(diǎn)，點(diǎn)5為最低點(diǎn)。打孔基準(zhǔn)點(diǎn)和最低點(diǎn)點(diǎn)5在軸線(xiàn)上的間距為。

圖8 打孔深度判定

(6)得出沉頭深度。如圖9所示，螺釘頭未完全沉入曲面。當(dāng)沉頭螺釘沉入到圖8的最低點(diǎn)時(shí)，即可保證完全沉入曲面，如圖10所示。

圖9 螺釘頭未完全沉入示意

圖10 螺釘頭完全沉入示意

設(shè)相交橢圓線(xiàn)上各點(diǎn)的坐標(biāo)值為，兩點(diǎn)距離為：

=-

通過(guò)極大值算法可以找到最低點(diǎn)并求得，該算法流程如圖11所示。

圖11 理論打孔深度dmax求取算法流程

根據(jù)相關(guān)工程要求，在值的基礎(chǔ)上加上1 mm得到最終所求的沉頭深度，這樣更能保證沉頭螺釘完全沉入曲面，使它滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)翼蒙皮測(cè)壓孔沉頭深度要求。

3 CATIA軟件開(kāi)發(fā)實(shí)例

以某機(jī)型的機(jī)翼部件數(shù)模為例，介紹快速打孔過(guò)程。拾取孔位信息并且選擇孔的類(lèi)型、直徑和深度，對(duì)機(jī)翼蒙皮上對(duì)應(yīng)的點(diǎn)實(shí)現(xiàn)智能沉頭功能。機(jī)翼蒙皮打孔智能沉頭技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)于CATIA軟件中，基于二次開(kāi)發(fā)做出的功能孔快速創(chuàng)建對(duì)話(huà)框如圖12所示，各選項(xiàng)可自行進(jìn)行編輯。首先選擇孔的類(lèi)型，再依次輸入孔的直徑和深度；然后依次選擇孔表面、孔參考面，進(jìn)行測(cè)壓點(diǎn)和草圖的拾?。蛔詈簏c(diǎn)擊確定按鈕，實(shí)現(xiàn)螺釘頭完全沉入曲面。最終CATIA中的機(jī)翼蒙皮沉頭示意和沉頭孔示意分別如圖13和圖14所示。

圖12 功能孔快速創(chuàng)建對(duì)話(huà)框

圖13 機(jī)翼蒙皮沉頭示意

圖14 沉頭孔示意

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)機(jī)翼蒙皮沉頭孔深度優(yōu)化的研究，解決了實(shí)際機(jī)翼部件打孔時(shí)，不規(guī)則曲面螺釘頭不同位置打孔深度不同從而不能實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化制孔的問(wèn)題。文中將特征主基面的相交特征識(shí)別算法和幾何信息提取算法融合起來(lái)，彌補(bǔ)了之前算法對(duì)相交特征識(shí)別不足的劣勢(shì)。基于CATIA/CAA平臺(tái)，并借助Visual Studio軟件，開(kāi)發(fā)了機(jī)翼蒙皮自動(dòng)打孔以及智能沉頭軟件平臺(tái)。提出一種根據(jù)曲面不同點(diǎn)位置自動(dòng)沉頭的方法，可以保證螺釘頭在不規(guī)則曲面中自動(dòng)識(shí)別出每個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的打孔深度，完全沉入表面。從而現(xiàn)場(chǎng)工藝人員可以通過(guò)此軟件平臺(tái)對(duì)不同的機(jī)翼蒙皮模型進(jìn)行快速自動(dòng)制孔，大大解放了人力，縮短了時(shí)間，提高了效率，對(duì)縮短飛機(jī)制造周期具有很大的工程意義。