樣板模擬量逆向構(gòu)建數(shù)字模型技術(shù)研究

李仁花，程世明，陳志敏，劉洋洋

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

樣板、樣件及模具等工裝長期以來是制造和檢驗航空鈑金件的依據(jù)。近年來，數(shù)字化技術(shù)在航空制造中的應(yīng)用發(fā)展迅速，在新機(jī)型的生產(chǎn)過程，從設(shè)計到制造的全過程數(shù)字化已經(jīng)可以實現(xiàn)[1]，如：樣板制造采用激光下料、零件下料采用數(shù)控下料銑、成形模具設(shè)計制造也都采用數(shù)字化建模與數(shù)控加工。洪都在產(chǎn)的機(jī)型中存在大量的模擬量，均已不適應(yīng)當(dāng)前數(shù)字化下料和制造的要求，包括以XX1為代表的老機(jī)型，只有理論外形數(shù)模，無樣板、模具等數(shù)據(jù)量作為制造或檢驗依據(jù)；以XX2為代表的新機(jī)型，使用的展開樣板由于生產(chǎn)過程中反復(fù)手工更改，與現(xiàn)存的電子數(shù)據(jù)之間存在較大偏差。因此，迫切需要開展樣板模擬量逆向構(gòu)建數(shù)字模型技術(shù)研究與開發(fā)。

在航空領(lǐng)域中，目前西飛、哈飛和沈飛等單位已開展逆向工程相關(guān)的研究，并且取得了一定的成果。

西飛公司較早開展了逆向工程，采用LaserQC高精度二維激光掃描設(shè)備自動識別樣板的輪廓邊界[2]，對輪廓進(jìn)行擬合和光順處理，最終生成樣板的二維輪廓圖，用于數(shù)控下料；并且通過相應(yīng)的切面樣板數(shù)據(jù)在CATIA中重構(gòu)出三維產(chǎn)品數(shù)模。

沈飛公司通過逆向設(shè)計把展開校正后的展開件生成二維dxf數(shù)據(jù)，用于數(shù)控切割，使加工過程得以簡化，精度得以提高，大大縮短了加工周期；用三維激光測量系統(tǒng)進(jìn)行產(chǎn)品實物掃描，獲取零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在CATIA軟件中建立三維數(shù)模，完成逆向工程工作，保證了模具零件設(shè)計和制造工藝及NC加工程序中的正常使用[3]。

目前，洪都面臨老機(jī)型樣板電子數(shù)據(jù)空白的現(xiàn)狀，急需從根本上改變企業(yè)老機(jī)型傳統(tǒng)的制造方式，可進(jìn)行數(shù)字化制造，提高產(chǎn)品制造精度和生產(chǎn)效率。

（1）建立XX2機(jī)型展開樣板電子數(shù)據(jù)，便于數(shù)控下料

XX2機(jī)型總共4000多個零件圖號的樣板，展開樣板大概3000多塊，其中2500多塊展開樣板沒有電子數(shù)據(jù)，導(dǎo)致鈑金件毛料不能完全實行數(shù)控下料，極大影響了XX2零件的批量生產(chǎn)；并且由于XX2研制過程中零件的頻繁更改，導(dǎo)致展開樣板的反復(fù)手工更改，造成重新設(shè)計的展開樣板與以往老樣板出現(xiàn)很大誤差，因此，產(chǎn)生了部分樣板無電子數(shù)據(jù)、部分樣板電子數(shù)據(jù)與實際有偏差而無法直接用于生產(chǎn)的問題。

（2）建立XX1老機(jī)型展開樣板電子數(shù)據(jù)，便于數(shù)控下料和模具再制造

XX1均有共8000至9000塊的樣板，只有全機(jī)理論外形數(shù)模，無零件數(shù)模，無樣板、模線的電子數(shù)據(jù)。由于大部分樣板存在變形、生銹、腐爛、字跡模糊等問題，無法使用；對于某些無法翻修的模具，則需要重新設(shè)計和數(shù)控加工。目前，每年XX1仍有幾十架份的訂貨，迫切需要開展樣板數(shù)據(jù)的逆向重建，形成用于數(shù)字化制造的電子數(shù)據(jù)集。

1 樣板模擬量逆向構(gòu)建數(shù)字模型研究內(nèi)容

本文以XX1、XX2為載體，以樣板、模具為對象，開展模擬量數(shù)字測量逆向重構(gòu)數(shù)字模型方法的研究。

在模擬量逆向重構(gòu)數(shù)字化模型技術(shù)開發(fā)過程中，模線所人員需要提供缺少電子數(shù)據(jù)的樣板和模具實物，并且配置相應(yīng)的測量設(shè)備，搭建測量系統(tǒng)。因此，本項目首先需要研究數(shù)據(jù)的測量方法和測量規(guī)范，因為不同類型的零件其測量方法和測量規(guī)范是不同的；其次，通過測量系統(tǒng)獲得實物的輪廓數(shù)據(jù)或表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)[4]；將輪廓數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到CATIA中，用相應(yīng)的算法對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，并擬合成符合精度要求的樣條線，即可得到樣板的二維輪廓外形[5]；進(jìn)而通過切面樣板平面在飛機(jī)坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確定位，構(gòu)成零件外形的三維線架模型，最后經(jīng)過相應(yīng)的算法進(jìn)行曲面重構(gòu)；將點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入CATIA中，首先需要經(jīng)過相應(yīng)的算法對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，最后再重構(gòu)出零件的理論外形[6]。

1.1 數(shù)據(jù)獲取

本文采用理論分析、算法設(shè)計和試驗驗證相結(jié)合的方法建立模擬量數(shù)字測量逆向重構(gòu)數(shù)字模型技術(shù)方案。

1）數(shù)字測量方法和規(guī)范的研究：不同類型零件有不同的測量方法和規(guī)范，對于樣板等二維零件，需要用二維測量裝置對其輪廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，還要對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的篩選，使數(shù)據(jù)更合理。該方面主要是通過借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的測量方法和規(guī)范，并且通過做大量的測量實驗來形成一套新的適用于企業(yè)發(fā)展的測量方法和規(guī)范[7]。

2）樣板掃描后二維輪廓重構(gòu)算法研究：利用二維激光掃描系統(tǒng)能夠自動識別樣板的輪廓邊界，并自動生成二維矢量圖。在對曲線進(jìn)行擬合處理時，首先計算出建曲線需要的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的分布根據(jù)曲線曲率分布的不同而采用不同的方法。在曲線建立過程中，先用較少的點(diǎn)生成曲線，然后根據(jù)理論圖公式計算出曲線各點(diǎn)之間的中間點(diǎn)，與曲線進(jìn)行距離分析，若超差，則在超差部分加點(diǎn)，再生成曲線[8]。重復(fù)以上過程，直到曲線滿足逼近精度要求。曲線逼近精度選在±0.02mm以內(nèi)。生成的曲線還要進(jìn)行光順處理，光順的偏差要保持在±0.01mm以內(nèi)，對曲線連續(xù)性、多項式次數(shù)、波動及自相交等分析檢查。

3）切面樣板數(shù)據(jù)重構(gòu)零件理論外形算法研究：將樣板圖形矢量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA中，根據(jù)基準(zhǔn)線結(jié)合樣板圖及圖樣，利用CATIA曲面造型模塊中的移動、旋轉(zhuǎn)及平移等相關(guān)功能得到這些樣板輪廓在飛機(jī)坐標(biāo)系中的真實準(zhǔn)確位置，構(gòu)建曲面的最終三維線架模型，最后通過掃掠得到零件的理論外形，這些都可通過相應(yīng)的算法實現(xiàn)[9]。

由于企業(yè)新老機(jī)型并存，數(shù)字量和模擬量并存，鈑金件制造模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換是實現(xiàn)無紙化設(shè)計、數(shù)字化定義制造的有效方法之一。

1.1.1 模擬量的實物來源

模擬量的實物來源分為以下兩類：

1）樣板：樣板是表示工件真實形狀的平面型剛性量具，反映飛機(jī)零組件的外形、展開、切面、工藝孔位、彎邊、下陷等具體特征。

2）二維展開毛料：表示有彎邊的平面零件或者單曲面零件展平后的準(zhǔn)確形狀的平面型剛性量具，用于鈑金件下料。

1.1.2 向數(shù)字量轉(zhuǎn)換目的

針對老舊機(jī)型的樣板、展開毛料等實物，當(dāng)前生產(chǎn)機(jī)型的零件實物等模擬量，通過測量、預(yù)處理和建模，轉(zhuǎn)換成數(shù)字模型，作為零件建模、工裝設(shè)計、工裝制造、下料等制造環(huán)節(jié)的依據(jù)，提高鈑金件制造的效率和準(zhǔn)確度。

1）用于毛坯數(shù)字化下料：通過對展開樣板、展開毛料轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實現(xiàn)毛坯數(shù)字化切割下料。

2）用于工裝數(shù)字化制造：通過對樣板、工裝轉(zhuǎn)換數(shù)字量，實現(xiàn)工裝的數(shù)字化設(shè)計和制造。

3）用于零件數(shù)字化建模：通過對樣板掃描，逆向建立零件三維模型。

1.1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換基本流程

從模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換的基本流程如圖1所示，包括4個步驟：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型構(gòu)造和偏差分析。

圖1制造模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過程

1.1.4 數(shù)據(jù)采集要求

1）過程描述

①對樣板等進(jìn)行必要的修整，以提高轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的精度；

②校核掃描設(shè)備，如有必要需執(zhí)行對應(yīng)的補(bǔ)償程序，在保證掃描精度、測量環(huán)境溫度滿足要求的情況下開展掃描工作，以提高掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；

③通過測量設(shè)備掃描模擬量的整體外形輪廓或表面，將掃描形成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)離散點(diǎn)或三角網(wǎng)格格式輸出，形成數(shù)據(jù)文件。

2）使用的軟硬件設(shè)備：平板件掃描設(shè)備。

平板件掃描設(shè)備：對于樣板、展開毛料等二維模擬量，采用如圖2所示的VQC（Visual Quality Contro視覺質(zhì)量控制）系統(tǒng)進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)采集。

圖2 VQC掃描設(shè)備

1.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換基本原則

1）原始定義不變

應(yīng)盡量采用原始工件的形位數(shù)據(jù)，尤其是各類功能性和定位性的約束，要予以保留；延續(xù)零組件初始設(shè)計時采用的方案和設(shè)計意圖，縮小自由發(fā)揮的空間。

2）協(xié)調(diào)關(guān)系不變

不突破原始實物與協(xié)調(diào)配合零件的分界面與邊界，如果因?qū)嵨锾卣魅笔?、曲線曲面光順困難等情況，須引入與原始實物相協(xié)調(diào)配合的外部約束，以進(jìn)行整體優(yōu)化。

3）建模偏差可控

盡可能地減小每一步的偏差，將每一步的近似或擬合最大化地向原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)靠攏，使最終數(shù)字模型與點(diǎn)云的最大偏差控制在允許范圍之內(nèi)。

2 樣板模擬量逆向構(gòu)建數(shù)字模型過程

二維模擬量向數(shù)字量轉(zhuǎn)換是通過掃描樣板、毛料等平板件，將外形和內(nèi)形輪廓數(shù)字化，得到工作邊數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)去噪、篩選和修補(bǔ)，通過曲線擬合、拼接轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量。

2.1 樣板檢修

因樣板在復(fù)雜工況下使用，不可避免存在工作邊磨損或超差、局部翹曲、局部不平整、工作邊毛刺、標(biāo)記不清等問題，樣板的檢修包括：①校平；②對使用磨損痕跡進(jìn)行修復(fù)；③比對樣板與模線，檢查各形位數(shù)據(jù)的有效性。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用VQC設(shè)備掃描的樣板數(shù)據(jù)是使用直線、圓、圓弧對樣板實際曲線擬合而成，連線不夠光順，有很微小的鋸齒和臺階，掃描軟件也會出現(xiàn)連線錯誤問題。因此，掃描擬合數(shù)據(jù)會在局部特征上存在較大的偏差，如圖3所示。

圖3切面樣板的掃描數(shù)據(jù)及存在的較大偏差圖

圖示典型擬合誤差均為使用短的小直線段近似擬合生成的較長樣條曲線，可通過以下步驟進(jìn)行處理，減小誤差：

1）將掃描擬合數(shù)據(jù)經(jīng)過CAD軟件圖形處理，直觀顯示，經(jīng)人工判斷，找到偏差明顯較大的地方，使用近似直連法處理。

2）掃描線點(diǎn)云一般采用等間距縮減方法來精簡。

3）通過CAD軟件對圖形進(jìn)行修改，與實物比對，標(biāo)識誤差較大的局部位置，對較大誤差進(jìn)行修正。

4）根據(jù)輔助工具線進(jìn)行修補(bǔ)轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)線，再去掉多余的樣板輪廓，如圖4所示。

圖4修整后樣板圖

2.3 模型構(gòu)造

在對數(shù)據(jù)噪點(diǎn)進(jìn)行篩選、對缺陷進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)之后，將測量點(diǎn)擬合成光順樣條，生成數(shù)據(jù)為平面二維樣條圖，根據(jù)生成的二維樣條圖可構(gòu)建曲面的最終三維線架模型，要求二維樣條光順、平滑，零件特征明顯、準(zhǔn)確，并且符合精度要求。

1）在曲線擬合時，并不一定嚴(yán)格要求擬合曲線一定要經(jīng)過每一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，只要擬合曲線能反映這些離散點(diǎn)數(shù)據(jù)的變化趨勢，且數(shù)據(jù)點(diǎn)的總誤差平方和最小，一般要求擬合的光順曲線與掃描數(shù)據(jù)的誤差范圍在±0.02mm以內(nèi)。

2）為了獲得較為理想的工作邊線，要將小直線段擬合為長曲線，如圖5所示利用樣條線定義，選取控制點(diǎn)擬合光順曲線。

圖5光順曲線曲率

3）對于曲率變化較大的局部區(qū)域 （如圖6所示），若存在較大偏差，采用增加控制點(diǎn)或局部加密點(diǎn)的方法，以得到較為理想的曲線。如圖7所示迭代擬合曲線，直至CAD軟件數(shù)據(jù)與實物數(shù)據(jù)最大誤差降低至誤差允許范圍內(nèi)。

4）曲線的光順直接決定由曲線生成的曲面的精度和光順性。對曲線的分析對比如圖8所示，通過將原曲線特征點(diǎn)云化，經(jīng)采點(diǎn)后重新擬合為曲線，對曲線進(jìn)行光順優(yōu)化，得到曲率較為連續(xù)的B樣條曲線，新光順曲線和原曲線的偏差要盡量控制在±0.01mm以內(nèi)。

5）二維樣條圖構(gòu)建曲面的最終三維線架模型：

導(dǎo)入優(yōu)化后的各切面樣板的樣條線二維圖到CATIA軟件，按照樣板實際使用的位置建立坐標(biāo)系，把各個切面樣條線依次移動到實際使用的站位，在飛機(jī)坐標(biāo)系中的準(zhǔn)確定位，依次選擇各站位上的樣條線進(jìn)行曲面的建立，構(gòu)成零件外形的三維線架模型，如圖9所示，最后經(jīng)過相應(yīng)的算法進(jìn)行曲面重構(gòu)。

圖8曲線光順性優(yōu)化圖

圖9三維線架模型圖

2.4 偏差分析

1）將掃描后生成的數(shù)據(jù)制成數(shù)字模型，對于樣板數(shù)據(jù)，使用高精度模線繪圖機(jī)繪制明膠圖，對于毛料數(shù)據(jù)，則使用數(shù)字下料機(jī)制成毛坯。

2）與檢修后的平板件進(jìn)行比對，校核數(shù)字模型的精度。對于局部數(shù)據(jù)超差較大的情況，對超差數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，再對電子掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的模型進(jìn)行迭代修形，直到與模擬量偏差在±0.2mm內(nèi)，以滿足精度要求。

3 結(jié)語

本文研究了以輪廓點(diǎn)集數(shù)據(jù)重建光順曲線的技術(shù)，建立了一套對掃描后的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和快速、準(zhǔn)確地擬合的方案，實現(xiàn)了無數(shù)字模型樣板電子數(shù)據(jù)的建立，便于批產(chǎn)后的數(shù)控下料，改變了研制過程中零件頻繁更改引起樣板的反復(fù)手工更改的現(xiàn)狀，可進(jìn)行樣板數(shù)字模型的直接更改，使新樣板的電子數(shù)據(jù)得到有效驗證。對無法使用和缺失的樣板和模具進(jìn)行再制造，改變老機(jī)型部分樣板和模具無法使用的狀況，同時可擴(kuò)展至其它型號產(chǎn)品的電子數(shù)據(jù)的建立，在企業(yè)中應(yīng)用前景比較廣闊。