帶缺口飛機框肋類零件展開工藝數(shù)?？焖僭O計??

韓志仁 王 毛 張 敏 余志良

(①沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧沈陽110136；②沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，遼寧沈陽110136；③中航飛機漢中飛機分公司模線中心，陜西漢中723215)

飛機框肋類零件是機體框架中的組件.框肋類零件的腹板通常是平的,且四周有彎邊[1].在制造過程中,彎邊零件需要根據(jù)展開圖計算出展開尺寸進行下料,或根據(jù)展開樣板進行下料[2].彎邊展開工作多以手工計算為主,計算機計算為輔,隨著復雜零件彎邊截面的曲率、高度、角度的多變,以及長桁缺口的附加,需要對截面逐一展開計算尺寸,并設計長桁缺口處外形,工作量大、精度低、周期長[3-6].我國在飛機設計時已經(jīng)全面推行基于MBD的模型設計技術,各個主機廠針對特定機型在數(shù)字化制造方面施行基于數(shù)字化無圖三維制造技術,軟件普遍采用CATIA.用CATIA鈑金模塊中的展開功能對三維零件數(shù)模進行展開,再投影生成展開模線,會造成二維展開圖中彎邊終線多出,外形交叉線、長桁軸線、倒角缺失,缺口線不規(guī)范,外形交叉線不是雙點劃線等諸多問題,在此基礎上設計展開樣板既繁瑣又費時.

國內外研究人員在該領域進行了大量研究.盧元杰[7]等通過分析鈑金零件展開的復雜性,對典型零件展開計算方法進行了綜述,分別有:經(jīng)驗公式法、滑移線法、勢場模擬法、幾何映射法、解析法和反向模擬法.曹蔚[8]等提出了三種展開方法:輪廓擴大法、旋轉平移法和法向截面展開法,并進行了展開軟件的開發(fā),其中,法向截面展開法以彎邊始線為參考線做相應展開處理,仍存在著一定誤差.陳樹林[9]等在樣板設計的展開模塊中提出了基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識別技術,并提供了彎邊參數(shù)自動計算和快速標注工具.

本文通過分析復雜鈑金件的幾何特征,開展了帶缺口飛機框肋類零件展開工藝數(shù)?？焖僭O計的研究.以多截面外形交叉線法為基礎,使用采樣平面對零件進行多截面切分,經(jīng)對比分析后以獲取最合適的展開參數(shù),再進行彎邊展開值的計算并繪制展開線,最后由邊界約束、點約束進行缺口繪制、以及倒角、工藝孔添加等處理.通過對CATIA進行二次開發(fā),利用CAA(component application architecture)的模塊化獨立性和可擴展性優(yōu)勢,并以參數(shù)化設計思維為橋梁,提高了展開工藝數(shù)模設計的標準性、快速性和可修改性.

1 系統(tǒng)設計

1.1 展開工藝數(shù)模的信息體現(xiàn)方式

飛機零件工藝數(shù)模包含制造、協(xié)調、裝配等信息,分為二維工藝數(shù)模和三維工藝數(shù)模兩種,可直接用于生產(chǎn)制造[10].系統(tǒng)設計時,綜合二維數(shù)模和三維數(shù)模的優(yōu)缺點,在三維數(shù)學模型中選擇保留原有彎邊零件實體,并以添加二維點、線、面的形式體現(xiàn)展開工藝數(shù)模的幾何信息；同時,結構樹中添加相關工藝信息.再由系統(tǒng)自動搜索選擇需要的三維線、面進行投影生成二維展開圖,并在圖中標注相關工藝信息.

這種設計方式在三維中保留了三維數(shù)模逼真立體的優(yōu)點,又清晰地表現(xiàn)了展開后的用料情況,同時也保證了三維、二維數(shù)模之間的關聯(lián)性.區(qū)別于在三維中直接將三維零件實體展開的方法,本方式更便于理解、觀察,有助于后期修改工作的高效進行.

1.2 可展開的零件類型

系統(tǒng)功能可實現(xiàn)多個彎邊同時展開(n≥1),如圖1中的零件,可實現(xiàn)兩個彎邊同時展開,不會因為彎邊類型的不同而影響展開效率.系統(tǒng)具體可展開的零件類型有:

(1)單彎邊零件:直彎邊、(凸、凹)曲面彎邊、帶缺口、帶多個彎邊的零件.

(2)多次彎邊零件:雙彎邊零件等.

2 多截面外形交叉線法

2.1 單彎邊零件展開

多截面外形交叉線法是系統(tǒng)設計的基本方法,分為外形交叉線平移法和外形交叉線光順法兩種.兩者均以外形交叉線為參考線做相應展開處理,可解決變曲率、高度、角度零件的展開問題,使得系統(tǒng)適用零件范圍更廣.

采用多截面外形交叉線法,單彎邊零件展開的具體實現(xiàn)步驟如下:

步驟1:生成外形交叉線

導入數(shù)模后,拾取零件幾何特征信息(如圖2所示):腹板面、彎邊面、彎邊始線、彎邊終線、兩邊界、工具孔參考點.分別過彎邊始線作腹板面的外插延伸面,過彎邊終線作彎邊面的外插延伸面,兩外插延伸面相交得到外形交叉線.

步驟2:設定采樣平面位置

過彎邊始線兩端點作垂線交外形交叉線于點a、b.在外形交叉線上,分別作距離a、b兩點10 mm(由用戶給定距離,10 mm僅舉例)的兩點c、d(如圖2所示,此處ac＝bd＝10 mm作參數(shù)化處理),過c、d兩點作外形交叉線的法平面,即采樣平面.若此時外形交叉線過長,系統(tǒng)則在c、d兩點間按n(n≥2)等分點均勻增加采樣平面.增加采樣平面公式如下:

其中:Ni表示線段cd間添加的第i個采樣平面；L為線段cd的長度；w為外形交叉線長度；n由用戶給定.

步驟3:獲取展開參數(shù)

采樣平面與零件實體相交,得到展開參數(shù):彎曲內半徑R、斜角值α以及彎邊實際寬度H.

針對零件可展開彎邊類型的不同,斜角值α以及彎邊實際寬度H的計算方法也不盡相同(如圖3所示):

(1)直彎邊框肋類零件:斜角值α為腹板面和彎邊面的夾角.彎邊寬度H為采樣平面上外形交叉線至彎邊面的終線間垂直距離.

(2)(凸、凹)曲面彎邊的零件:斜角值α的計算作割線處理.彎邊寬度H為在采樣平面上彎邊面外插延伸后至外形交叉線的曲線長度.

步驟4:查詢K值

系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中查詢K值(如表1所示),進行展開值Z值的計算.

步驟5:對比分析選擇合適的展開值Z值

由于利用多個采樣平面切分,計算出來的展開值不一定相同,對比、分析選擇合適的展開值Z值進行下一步操作:

(1)如果角度變化小,則選擇最大的展開值進行下一步操作,例如角度值分別為95°、97°,最終計算出來的展開值分別為16.261 mm、16.469 mm,則選擇Z＝16.469 mm進行步驟6操作.

表1 K值數(shù)據(jù)庫(部分)

(2)如果角度變化大,則增加高密度采樣平面(此時,在外形交叉線上,每隔0.1 mm設置一個采樣平面),并獲取每個采樣平面對應的展開值Z值進行步驟7操作.增加采樣平面公式如下:

其中,i＝0,1,…,i,…,n.

步驟6:外形交叉線平移法

在腹板面的外插延伸面上,將外形交叉線沿法向平移Z個單位,繪制展開線L.

步驟7:外形交叉線光順法

在腹板面的外插延伸面上,過每一個采樣平面與外形交叉線的交點,作外形交叉線的垂線,垂線長度為Z,并用光滑的曲線依此連接這些垂線的終點,即展開線L.

步驟8:倒角

利用邊界條件判斷是否需要倒角,并選擇倒角類型,有:倒圓角、倒斜角.

步驟9:缺口

判斷是否有缺口,利用邊界條件、工具孔參考點條件繪制長桁缺口線及工藝孔.工藝孔包括工具孔和導孔等,工具孔規(guī)格隨長桁缺口樣式變動、導孔均勻位于外形交叉線上.

步驟10:三維展開效果補充

長桁軸線處標注計算Z值時采用的斜角值；線型改變:外形交叉線變雙點劃線；結構樹中展開線及作圖過程的體現(xiàn)等.

步驟11:二維展開圖

系統(tǒng)自動選擇三維展開效果中的腹板面、展開線L、長桁缺口線、長桁軸線、倒角等進行投影生成二維展開圖.

二維展開圖中配有輔助功能:補加功能、開視孔功能.

彎邊展開流程如圖4所示.

2.2 多次彎邊零件展開

如果零件有多次彎邊,如ㄇ、幾、ㄣ截面形狀盒形零件等,則依次展開.每次展開的斜角值α和彎邊寬度H與單彎邊零件展開時相同,需要注意區(qū)分對應的腹板面、彎邊面等.

如圖5所示為帶有兩個彎邊的零件,其中,右側彎邊為雙彎邊.以該復雜零件為例闡述其中注意事項:

(1)如圖5a所示,零件左側彎邊展開時,對應的腹板面為中間腹板的下表面；右側展開時,對應的腹板面為中間腹板的上表面.

(2)零件右側雙彎邊展開時(如圖5b所示),展開值相當于兩次展開的累加.第一次展開,對應的腹板面、彎邊面分別是腹板面1、彎邊面1,展開值為Z1.第二次展開,對應的腹板面、彎邊面分別是腹板面2、彎邊面2,展開值為Z2.外形交叉線1為腹板面1與彎邊面1兩者的外插延伸面的交線,最終以外形交叉線1為參考線做展開處理,總展開值為Z＝Z1+Z2.

3 缺口的設計

3.1 定制缺口

標準缺口類型有:角形型材桁條的缺口、丁字型材桁條的缺口、槽型型材桁條的缺口、Z字型材桁條的缺口等,缺口類型繁多(如圖6).每一類缺口中,由于桁條位置的變化(如圖7中距離A的變化),工具孔的位置參數(shù)也將隨之發(fā)生改變.為營造良好的用戶交互性環(huán)境,構建缺口數(shù)據(jù)庫是十分必要的.

3.2 缺口的參數(shù)化設計

缺口的參數(shù)化設計主要是對彎邊展開部分以及工具孔位置進行設計,為了滿足桁條所需空間,零件內部彎邊展開時需要倒斜角,靠近邊界的彎邊展開時需要倒圓角,以角形型材桁條的缺口HBO-26-B6為例介紹,如圖7所示.

系統(tǒng)通過控制關鍵點的約束關系(如表2所示),實現(xiàn)缺口的參數(shù)化設計.約束關系主要有:弧EF分別與DE、FG相切,BC與垂線夾角為7°,CD與垂線夾角為30°,DE距外形交叉線的距離為展開值Z值.

表2 關鍵點約束關系

表2中,B點坐標由零件外形決定,w表示外形交叉線長度,Z為展開值.

4 實例及驗證

4.1 快速展開工藝數(shù)模功能實現(xiàn)

以某一型號飛機帶缺口直彎邊補償件為例(如圖8a所示),介紹快速展開工藝數(shù)模功能的實現(xiàn).進入CATIA界面,打開需要展開的零件數(shù)模.按照圖8b中示意圖提示,拾取零件相應特征信息,并設定初始參數(shù).點擊預覽,此時三維數(shù)模中增添展開線、外形交叉線、長桁軸線、工具孔、導孔、斜角標注,如圖8c中添加線所示.左方結構樹中增添工藝信息作圖過程、工藝協(xié)調數(shù)模信息、斜角標注集等信息.點擊生成二維圖按鈕,系統(tǒng)遍歷結構樹自動選定要投影的幾何信息,如圖8c中對話框所示.點擊確定生成二維展開圖,分別點擊開視孔、補加功能按鈕添加相應幾何信息,二維展開最終效果圖如圖8d所示.

4.2 效率驗證

分別對帶單個彎邊的零件、帶單個曲面彎邊的零件、帶多個彎邊的復雜零件(如圖1所示零件)、帶缺口多個彎邊的零件(如圖8a所示零件)進行測試.記錄工藝人員和軟件對四種零件展開所花費的時間,具體結果如表3所示,并將結果繪制成折線圖,如圖9所示.

表3 花費時間記錄表 min

由表3和圖9可以看出,隨著零件復雜度的增大,工藝人員和軟件展開工作所花費時間均逐漸增長,但工藝人員所花時間增長更快,和軟件所花時間的差距越來越大.所以,對于結構簡單的零件,效率已提高3倍以上,隨著零件復雜程度的增大,利用軟件進行彎邊展開的優(yōu)勢將愈來愈明顯.

5 結語

通過研究復雜框肋類零件展開工藝數(shù)模建模方法,提出一套快速展開工藝數(shù)模技術.有效地提取零件幾何特征信息并計算展開尺寸,保證了零件展開信息的有效性,實現(xiàn)了:

(1)利用計算機技術優(yōu)勢,程序內部通過循環(huán)語句實現(xiàn)多個彎邊同時展開,而不是對每個彎邊進行逐一展開,解決了帶有多個彎邊的狹長零件在展開時效率低、精度不高的問題.

(2)完成了工藝信息:工藝孔、角度線、缺口等的標準化、參數(shù)化、快速化設計.

(3)由本文提出的基于CATIA/CAA的帶缺口飛機框肋類零件展開工藝數(shù)模快速設計的方法將展開設計工作效率至少提高3倍以上,降低了工藝人員工作負擔,提高了數(shù)字化制造水平.