飛機(jī)型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞咭?guī)范、智能化快速設(shè)計(jì)

白 揚(yáng)，車劍昭，韓志仁，1b，翟 攀，楊文舉

(1.沈陽航空航天大學(xué) a.航空宇航學(xué)院，b.航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136； 2.西安飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 工程部，西安 710089)

在航空制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，型材零件是機(jī)身骨架的重要組成部分[1-2]，具有種類多、形狀復(fù)雜的特點(diǎn)[3]，通常通過拉彎成形[4-5]和擠壓成形[6-7]兩種方式獲得。腹板彎邊上存在下陷特征[8-9]，在其側(cè)壁通常有漏水孔。為檢驗(yàn)型材零件產(chǎn)品是否合格，型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞邞?yīng)運(yùn)而生。

不同型材零件長度不一致，且側(cè)面與腹板面均有不同程度的彎曲。從形狀上分為L形、T形、Z形；從特征上分為有無下陷和有無漏水孔。檢驗(yàn)塊要覆蓋漏水孔與下陷特征，其走向與型材零件保持一致且與型面、立面(占位面)貼合。因?yàn)樾筒牧慵L度、彎度、特征不同，所以檢驗(yàn)塊位置與尺寸差異性大。設(shè)計(jì)型材檢驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)時(shí)，檢驗(yàn)塊尺寸、位置均需工程人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算獲得[10]，因此導(dǎo)致模具設(shè)計(jì)總體耗時(shí)長。

本文通過分析檢驗(yàn)塊設(shè)計(jì)原則，提出了漏水孔、下陷特征識別、檢驗(yàn)塊尺寸與位置的計(jì)算方法，提出了檢驗(yàn)塊分割曲面構(gòu)造方案。再結(jié)合組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture，CAA)對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了快速、規(guī)范生成檢驗(yàn)塊的目標(biāo)。

1 型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞咛卣鞣治?/h2>

型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)如圖1所示，基體采用整體框架結(jié)構(gòu)，表面層采用環(huán)氧樹脂材料，與基體貼合，其上表面用于型材零件檢驗(yàn)。檢驗(yàn)塊尺寸和位置由型材零件上的漏水孔、下陷特征確定。

每根型材零件對應(yīng)一個(gè)檢驗(yàn)塊組，一個(gè)檢驗(yàn)塊組由若干單一檢驗(yàn)塊組成。檢驗(yàn)塊組要涵蓋型材零件漏水孔、下陷特征。要求該檢驗(yàn)塊一端距離漏水孔心15 mm以上。單一檢驗(yàn)塊長度默認(rèn)為200 mm(人為輸入)，兩個(gè)檢驗(yàn)塊間距默認(rèn)為100 mm(人為輸入)，長度、間距會(huì)因漏水孔、下陷特征而改變。檢驗(yàn)塊寬度、高度均默認(rèn)為50 mm,具體參數(shù)說明如圖2所示。

圖1 型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞呓Y(jié)構(gòu)

圖2 單一檢驗(yàn)塊設(shè)計(jì)參數(shù)

型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)輸入元素如圖3所示，每根型材零件有一個(gè)貼合側(cè)面的立面，所有型材零件的外腹板面貼合于一個(gè)型面，在預(yù)處理階段人為建立全局參考坐標(biāo)系，x、y、z方向與基體的長、寬、高方向平行。

圖3 輸入元素示意圖

2 建模設(shè)計(jì)

2.1 型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)主要難點(diǎn)

(1)漏水孔、下陷特征分布是決定檢驗(yàn)塊尺寸和位置的因素之一；

(2)智能確定檢驗(yàn)塊的尺寸和位置是難點(diǎn)之一。

2.2 方案

(1)用拓?fù)浞▽走吔缣卣鬟M(jìn)行識別，得到漏水孔特征。利用拾取方式選擇下陷特征，用類比法將漏水孔、下陷特征整合至同一特征組。

(2)基于輸入?yún)?shù)與得到的特征組，利用分治策略確定檢驗(yàn)塊毛坯草圖位置、尺寸，如圖4所示。通過構(gòu)造分割面分割毛坯，確定檢驗(yàn)塊尺寸、位置，如圖5所示。

圖4 檢驗(yàn)塊毛坯

圖5 檢驗(yàn)塊

2.3 智能算法

2.3.1 參考特征的識別與獲取

(1)漏水孔特征的自動(dòng)識別

漏水孔特征均為通孔，打孔面有平面與曲面兩種情況。基于零件B-rep信息[11]，孔邊界分別由兩條閉環(huán)線構(gòu)成，平面孔閉環(huán)線為圓形，曲面孔閉環(huán)線為非圓形，如圖6所示?；诳滋卣鬟吔缇€的幾何特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)識別漏水孔特征的算法，其流程如下，流程中提到的各幾何元素如圖6所示。

步驟1：特征是具有一定關(guān)系的拓?fù)湓豙12]，通過CAA拓?fù)浣涌讷@得型材零件實(shí)體所有邊線。將全部線存入數(shù)組Cell_1，聲明變量i=1。

步驟2：對Cell_1數(shù)組第i號元素進(jìn)行填充判斷。若能填充成功，執(zhí)行步驟3，反之執(zhí)行步驟6。

步驟3：找到填充曲面的質(zhì)心，過該質(zhì)心作填充曲面的切平面，記作Tan。

步驟4：將填充曲面的邊界投影到切平面Tan上，將投影線(記作Project1)向MeasurableCircle接口轉(zhuǎn)換，若轉(zhuǎn)換成功，說明投影線為圓形，執(zhí)行步驟5。不成功則執(zhí)行步驟6。

步驟5：該閉環(huán)為孔特征邊界線，在Project1的圓心標(biāo)記孔位點(diǎn)，插入結(jié)構(gòu)樹便于后續(xù)識別。

步驟6：該閉環(huán)為非孔特征邊界線，i=i+1,繼續(xù)迭代步驟2。

圖6 幾何元素

(2)下陷特征的識別與參考特征組的建立

用類比思想拾取下陷特征，將孔特征整合至下陷特征組中，整合之后稱其為參考特征組，特征元素統(tǒng)稱為參考特征。類比思想即遍歷結(jié)構(gòu)樹，獲得全部孔位點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)以該點(diǎn)為中心，兩端沿著全局坐標(biāo)系x軸正、負(fù)方向各延長(孔徑+15)mm建立線段。將這一線段類比為一個(gè)下陷。如圖7所示。

圖7 特征類比

2.3.2 型材零件的檢驗(yàn)塊組與單一檢驗(yàn)塊所占區(qū)域尺寸和位置的確定

(1)前處理流程

步驟1：獲得立面與型面交線的兩端點(diǎn)，并標(biāo)記出在全局坐標(biāo)系下相對x坐標(biāo)值小的點(diǎn)。該點(diǎn)作為型材零件參考坐標(biāo)系原點(diǎn)，記為o點(diǎn)，如圖8所示。

步驟2：在o點(diǎn)建立型材參考坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系xy平面為檢驗(yàn)塊草圖平面。

步驟3：基于此坐標(biāo)系確定檢驗(yàn)塊組所占區(qū)域的尺寸和位置。檢驗(yàn)塊毛坯草圖y方向取值范圍為(-400，400)。因?yàn)橐紤]后續(xù)用曲面分割出與型材零件貼合的檢驗(yàn)塊最終形態(tài)，被分割的凸臺要足夠大，才能保證分割準(zhǔn)確。草圖x方向取值范圍則以立面、型面交線的兩端點(diǎn)的x坐標(biāo)值加減安全距離來界定。

以上3步為前處理流程，如圖9所示。

圖8 幾何元素

圖9 前處理流程

由邏輯樹可知，有n個(gè)型材零件，需要自動(dòng)批量建立n個(gè)數(shù)量的型材零件參考坐標(biāo)系。當(dāng)計(jì)算第i個(gè)型材零件的檢驗(yàn)塊位置、尺寸時(shí)，將對應(yīng)的第i個(gè)型材零件坐標(biāo)系設(shè)為當(dāng)前坐標(biāo)系，用于輔助計(jì)算。

(2)基于下陷、漏水孔特征組驅(qū)動(dòng)的檢驗(yàn)塊尺寸和位置計(jì)算

檢驗(yàn)塊是通過毛坯分割得到的，毛坯是檢驗(yàn)塊草圖拉伸的凸臺。毛坯與檢驗(yàn)塊在型材相對坐標(biāo)系x方向的尺寸、位置一致，且毛坯的尺寸、位置計(jì)算等價(jià)于檢驗(yàn)塊尺寸、位置的計(jì)算。

因毛坯尺寸、位置變化與檢驗(yàn)塊等效，為了方便表述與觀察，用檢驗(yàn)塊代替毛坯。根據(jù)參考特征組信息，對檢驗(yàn)塊在型材參考坐標(biāo)系x方向的尺寸、位置進(jìn)行調(diào)整，使檢驗(yàn)塊在該方向的位置和尺寸趨于合理。

參考特征組是由下陷特征和漏水孔特征組成的集合。基于參考特征組，在符合設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，確定每根型材零件所屬的若干單一檢驗(yàn)塊的尺寸和位置，需要引入分治策略。分治策略重在“分而治之”，是將一個(gè)復(fù)雜的問題分成多個(gè)相似的子問題，子問題可以分成更小的子問題[13-14]。用遞歸方法解決這些子問題，再將子問題的解合并作為全局最優(yōu)解[15]。檢驗(yàn)塊尺寸、位置計(jì)算的分治策略步驟如下：

步驟1：先將型材零件組件的檢驗(yàn)塊布局問題劃分為若干型材零件的檢驗(yàn)塊布局問題。

步驟2：將每個(gè)單一型材零件分為若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含一個(gè)單一檢驗(yàn)塊。型材分區(qū)域示意如圖10所示。分區(qū)域時(shí)，將每個(gè)單一檢驗(yàn)塊及其左右各二分之一的間距作為一個(gè)區(qū)域。

圖10 型材分區(qū)域

步驟3：在步驟2中的檢驗(yàn)塊草圖位置按照輸入?yún)?shù)確定尺寸，此時(shí)不考慮參考特征影響。用F_max(i，j)表示在第i個(gè)型材零件第j個(gè)區(qū)域的單一檢驗(yàn)塊草圖在x方向的極大值，F(xiàn)_min(i，j)為極小值。F_max(i,j)= min+2(j-1)(L1+L2);F_min(i,j)=F_max(i,j)-L1。min為該型材零件檢驗(yàn)塊組的第一個(gè)檢驗(yàn)塊的起始位置在型材零件參考坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)值，L1為200 mm的檢驗(yàn)塊長度，L2為100 mm的檢驗(yàn)塊間距。

步驟4：參考特征組通過CAA的GetPartNum()函數(shù)追溯數(shù)組元素所屬的零件名稱，篩選出屬于每個(gè)單一型材零件的參考特征，再篩選出屬于本型材零件的每個(gè)區(qū)域的參考特征。

步驟5：針對參考特征位置在每個(gè)區(qū)域?qū)我粰z驗(yàn)塊進(jìn)行位置、尺寸調(diào)整。

為避免單一檢驗(yàn)塊草圖與相鄰區(qū)域單一檢驗(yàn)塊草圖自相交，采用始端對齊、終端越界補(bǔ)償原則進(jìn)行處理。所有區(qū)域中參考特征在型材參考坐標(biāo)系x坐標(biāo)最小的一側(cè)為始端，反之為終端。始端、終端示意圖如圖11所示。

始端對齊：將從每個(gè)區(qū)域始端到該區(qū)域單一檢驗(yàn)塊草圖始端的區(qū)域劃分為一個(gè)區(qū)間，篩選出始端處于該區(qū)間的參考特征組元素，將滿足條件的元素存進(jìn)一個(gè)臨時(shí)數(shù)組，按照始端x坐標(biāo)值從小到大對數(shù)組元素進(jìn)行冒泡排序。將標(biāo)記排序后的第一號元素記作Spec1，顯然Spec1始端不能被檢驗(yàn)塊所覆蓋,且為這一區(qū)域本應(yīng)被覆蓋的距離草圖始端最遠(yuǎn)的元素。將檢驗(yàn)塊實(shí)體草圖始端延長至Spec1始端，如圖11中A[1,2]區(qū)域所示。

終端越界補(bǔ)償：篩選出始端處于該區(qū)域的參考特征組元素，并獲得這些元素的終端。在這些元素中，終端超過區(qū)域內(nèi)草圖終端的元素存入臨時(shí)數(shù)組。遞歸對比出臨時(shí)數(shù)組元素的終端x值，選出最大值，這一元素記作Spec2,將草圖終端拉至與Spec2終端平齊，如圖11中A[2,3]區(qū)域所示。

終端越界補(bǔ)償優(yōu)化：經(jīng)上述步驟選出的Spec2的始端必然位于這一區(qū)域區(qū)間。但是終端可能會(huì)越界至下一區(qū)域區(qū)間。當(dāng)?shù)趎個(gè)草圖越界補(bǔ)償超過0.5倍的檢驗(yàn)塊間距，就會(huì)造成與第n+1區(qū)域草圖相交，此時(shí)將兩區(qū)域合并，將第n個(gè)區(qū)域草圖始端最終位置記作Posi1，將該區(qū)域草圖刪除，第n+1個(gè)區(qū)域草圖始端拉至Posi1，再迭代計(jì)算該區(qū)域草圖終端位置變化。數(shù)組元素A[i,j]表示第i個(gè)型材的第j個(gè)區(qū)域。各區(qū)域檢驗(yàn)塊位置變化如圖11所示，A[1,2]為終端越界補(bǔ)償，A[2,3]為始端對齊補(bǔ)償。

圖11 檢驗(yàn)塊局部示意圖

步驟6：依次對每個(gè)區(qū)域進(jìn)行迭代運(yùn)算，得出每根型材零件檢驗(yàn)塊的位置、尺寸的計(jì)算結(jié)果。

步驟7：將單一型材零件檢驗(yàn)塊位置、尺寸計(jì)算結(jié)果合并，作為型材組件的檢驗(yàn)塊位置、尺寸計(jì)算結(jié)果。

2.3.3 分割曲面的構(gòu)造與分割方向判別

為保證檢驗(yàn)塊貼合型材零件，對于圖4中所示毛坯，需要用立面、型面分割。為保證檢驗(yàn)塊厚度均勻且外側(cè)為平面，需構(gòu)造上頂面、外側(cè)面，并用上述曲面分割毛坯，最終生成圖5中所示檢驗(yàn)塊。

將型面沿著型材零件參考坐標(biāo)系z軸平移一個(gè)檢驗(yàn)塊高度建立上頂面。

在貼合單一檢驗(yàn)塊的兩側(cè)設(shè)置采樣平面，求立面與型面交線，然后求交線與各個(gè)采樣平面的交點(diǎn)(圖12框內(nèi))。將交點(diǎn)按型材零件參考坐標(biāo)系中x坐標(biāo)從小到大順序依次相連。將連接線向兩側(cè)外插延伸得到母線A，將母線A向型材零件參考坐標(biāo)系y方向平移一個(gè)檢驗(yàn)塊寬度，生成母線B。建立平行于z軸的引導(dǎo)線，將母線B沿引導(dǎo)線拉伸，即外側(cè)面。

圖12 檢驗(yàn)塊示意圖

因?yàn)榍娣指顚?shí)體存在分割方向的二義性，需要通過分割函數(shù)的CATGSM Orientation類別的參數(shù)來控制分割方向。Same Orientation為默認(rèn)方向，Invert Orientation為反向。將待分割實(shí)體沿著兩個(gè)方向各分割一次，得到兩個(gè)分割體。比較二者質(zhì)心在型材參考坐標(biāo)系下某方向的坐標(biāo)分量大小，根據(jù)比較結(jié)果確定分割方向。分割后的實(shí)體用函數(shù)F(Face,Body,L,K)表示。其中：Face表示分割曲面；Body表示待分割的實(shí)體；L∈N{1,2,3}，L的3個(gè)取值與坐標(biāo)系的x、y、z軸的方向一一映射。根據(jù)L值分別獲取兩個(gè)方向的分割體質(zhì)心在相對坐標(biāo)系中L方向的坐標(biāo)分量;K∈N{0,1}，K=0表示質(zhì)心坐標(biāo)分量較大的實(shí)體為保留的實(shí)體，K=1表示質(zhì)心坐標(biāo)分量較小的實(shí)體為保留的實(shí)體。

變量初始化：Body為檢驗(yàn)塊毛坯，如圖4所示。Face1～Face4分別表示立面、型面、上頂面、外側(cè)面。故檢驗(yàn)塊最終實(shí)體區(qū)域可表示為：F(Face1,Body,2,0)∩F(Face2,Body,3,0)∩F(Face3,Body,3,1)∩F(Face4,Body,2,1)。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 功能驗(yàn)證

通過CATIA開發(fā)完成型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞呖焖僭O(shè)計(jì)，包括導(dǎo)入外部參考模塊、模具設(shè)計(jì)模塊。在導(dǎo)入型材零件組件后，進(jìn)入模具設(shè)計(jì)菜單，在模具設(shè)計(jì)菜單中點(diǎn)選型材零件的下陷特征，可以根據(jù)用戶需要勾選型材零件類別，修改建議值，進(jìn)行模具生成預(yù)覽。程序自動(dòng)確定檢驗(yàn)塊布局方案，生成型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞?。?組不同的型材作為輸入實(shí)例，依托快速設(shè)計(jì)模塊，生成模具如圖13所示。

圖13 生成模具

3.2 效率驗(yàn)證

軟件測試采用含有漏水孔、下陷特征的L、Z、T形型材零件各兩組，分別記錄下工藝人員通過手動(dòng)操作進(jìn)行完整建模和利用軟件完成建模所花費(fèi)的平均時(shí)長,如表1所示。從表1看出，使用該軟件可以將建模效率提升10倍。

表1 效率驗(yàn)證記錄

4 結(jié)論

本文在研究參考特征獲取方法、參考特征組與檢驗(yàn)塊草圖位置、尺寸關(guān)系的基礎(chǔ)上，綜合考慮漏水孔特征自動(dòng)識別方法、檢驗(yàn)塊草圖位置尺寸確定方法等，形成了型材零件檢驗(yàn)?zāi)＞呖焖僭O(shè)計(jì)算法，通過CATIA二次開發(fā)完成了檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)。以“Z”、“L”、“T”型材零件為例完成了實(shí)例測試，結(jié)果表明：檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)有效地解決了型材零件參考特征識別困難、檢驗(yàn)塊位置、尺寸難以確定等關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)的規(guī)范化、智能化、快速化。該系統(tǒng)在航空工業(yè)生產(chǎn)中使用不但可以提高設(shè)計(jì)效率，而且可以提高檢驗(yàn)?zāi)＞叩脑O(shè)計(jì)質(zhì)量，有利于航空工業(yè)數(shù)字化制造水平的提高。