基于CATIA/CAA的機翼蒙皮沉頭孔深度優(yōu)化研究

屈力剛，李嘉淞，張丹雅，王碧玲，孫鵬飛

(1.沈陽航空航天大學機電工程學院，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.中國航空工業(yè)空氣動力研究院，遼寧沈陽 110031)

0 前言

近年來，隨著我國綜合國力的不斷提升，航空工業(yè)領域迎來了飛速發(fā)展，因此對產(chǎn)品質量以及制造周期提出了更高的要求。飛機裝配就是按照圖紙上的要求把各部分零件組裝起來，該過程耗費巨大的人力和時間。數(shù)據(jù)表明，飛機裝配的工作量甚至可以超過飛機總體工作量的40%。飛機裝配時，結構件大多通過機械連接的方式，例如鉚接和螺栓連接。往往單個飛機在裝配時就會消耗100萬個連接件，且在連接處發(fā)生破壞的比例非常高，因此要提前預備好對應數(shù)量的連接孔。而在飛機裝配中，80%的連接孔是沉頭孔。所以沉頭孔的工藝質量影響飛機的疲勞壽命，并直接關系到飛機的服役壽命。

飛機部件上的加工孔數(shù)量極其龐大，據(jù)統(tǒng)計得出，某機翼生產(chǎn)線上的制孔量每個月高達300萬次。并且由于材料種類繁多、工藝水平參差不齊等原因，人工制孔的效率、工藝匹配性、重復性等已經(jīng)不能被當代制造接受。隨著數(shù)字化裝配技術的發(fā)展，自動化制孔技術由于過程穩(wěn)定、加工精度高等特點，被廣泛應用于飛機的裝配過程中。自動化制孔技術最早應用于1950年，該技術綜合了計算機技術、機器人技術等，是一門多學科交叉的綜合技術。最早是美國通用公司將該技術應用于飛機裝配生產(chǎn)線中，開創(chuàng)了行業(yè)內(nèi)的先例。德國BROETJE公司開發(fā)了雙機器人協(xié)同鉆鉚系統(tǒng)，大大提升了裝配效率。國內(nèi)1990年開始，西飛公司引進了兩臺二手的自動鉆鉚設備，分別是G400和G900。

相比于傳統(tǒng)的手工編制自動制孔程序，隨著數(shù)字化技術的飛速發(fā)展，利用軟件系統(tǒng)為制孔設備編譯代碼的方式被更廣泛地應用于實際生產(chǎn)中。西飛公司的羅群等人提出了基于數(shù)據(jù)庫的離線編程技術，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確率。關于自動制孔軟件的研究，目前僅停留在根據(jù)要求自動生成對應的孔，并且只能在規(guī)則曲面上制孔，還不能很好地適應于現(xiàn)代制造業(yè)并應用于實際工程應用中去。本文作者針對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，在自動制孔的基礎上增添了智能沉頭功能，彌補了之前的等深度沉頭功能只能在規(guī)則曲面打孔的不足，從而能更好地應用于制孔現(xiàn)場，節(jié)省人力和時間，并大大提高工作效率。

1 特征識別與提取

特征識別是基于產(chǎn)品的實體模型，生成具有實際工程意義的幾何圖形。在機翼結構中，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)場存在較大的工作量，因此進行特征識別顯得尤為重要。特征在1975年被英國劍橋大學的GRAYER首次提出，并將它用于刀具軌跡計算。之后，國內(nèi)外相關研究人員對特征識別領域展開了深入研究，目前主要有基于邊界匹配和基于體分解2種方法?；谶吔缙ヅ淅碚摪ɑ趫D論、基于規(guī)則、基于痕跡等方法。其中，基于圖論的識別方法具有可以準確識別獨立特征的優(yōu)點，成功率高；但是只能用于多面體零件，在添加虛連接時會出現(xiàn)錯誤，并且在子圖匹配時耗費大量時間?；趫D論和基于規(guī)則的識別方法有一個共同點，都難以識別相交特征?；诤圹E的方法對于相交特征有著更好的識別方法，但是幾乎沒有合適的痕跡去匹配復雜特征，并且依賴具體的特征類型。基于體分解的理論識別方法可以更好地解決相交特征問題，但是整體識別效率不高。

1.1 特征識別過程

常見的特征識別一般從總體特征開始，接下來分別是曲線特征、曲面特征和輔助特征。通過分析各種曲面和曲線的特征得出特征提取結構，如圖1所示。

圖1 特征提取結構

1.2 特征識別算法

近年來，國內(nèi)外研究人員使用最多的是基于邊界的特征識別算法，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)結構，用來表示零件模型，在近幾年更為常見。該算法需要定義特征庫并且相對復雜，常用于識別非規(guī)則結構的零件。零件結構以及屬性鄰接如圖2和圖3所示。圖中的節(jié)點表示面，節(jié)點之間的虛線表示凹邊，實線表示凸邊。

圖2 零件結構

圖3 屬性鄰接

在對機翼蒙皮進行打孔時，螺釘頭與目標曲面會形成相交特征，則采用相關的特征識別算法。相交特征一般分為3類：封閉的邊界線、開放的邊界線和不直接相連的邊界線。相交特征在特征識別中屬于較難的部分，一般方法通常只能識別常見的相交特征，而且會發(fā)生一定程度幾何和拓撲信息的丟失。高曙明提出特征最小子圖的概念來識別相交特征，但是得出的特征之間會存在公共體積。文中在特征主基面的相交特征識別算法的基礎上，引入了幾何信息提取算法，有效地改進了識別效果并且提高了識別效率。特征識別過程如圖4所示，具體步驟如下：

圖4 特征識別總流程

(1)通過CATIA零件數(shù)模圖，生成屬性鄰接圖。

(2)通過幾何信息提取算法，引入對應的接口函數(shù)，結合拓撲搜索，從而完成對應的特征識別。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)先級約束和面邊關系屬性，從而判定相交特征的存在。

(4)將一個面定為主基面，該面的法向一般與軸向保持一致。

(5)存儲零件的屬性鄰接圖，并與鄰接矩陣進行匹配，從而完成特征識別。

2 機翼蒙皮打孔智能沉頭關鍵技術

飛機在裝配過程中，蒙皮制孔一般采用制孔機器人、自動制孔設備等來完成。自動制孔工藝屬于自動化制孔里重要的一部分，對應的設計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淖詣又瓶准夹g，其中包含了研究人員的設計思想，形成自動制孔工藝，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行定位，從而滿足蒙皮的正確位置和制孔過程的穩(wěn)定性。在CATIA數(shù)模中，測壓孔點的位置是已知的，并且是依據(jù)弦線排列好的，如圖6所示。同一個測壓剖面中，測壓孔會分布在不同的零件上，如一部分在機翼主體上、一部分在蓋板上。在CATIA中具有足夠完善的應用接口(Application Programming Interface, API)，需要時通過調出對應的API函數(shù)來實現(xiàn)相應功能。

圖6 測壓點數(shù)模示意

2.2 孔的類型

完成測壓點的選取后，定義孔的類型和孔的直徑。孔的類型可分為簡單孔、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種孔的類型，所以僅需要分別調用相關指針，便可設置孔的類型，如表1所示。

表1 不同孔類型分別對應的指針

2.3 智能沉頭功能

在使用CATIA自帶的打孔命令時，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方向。而在實際工程應用中，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行打孔，勢必導致不能根據(jù)工程需要完成打孔要求。為保證螺釘頭能完全沉入曲面，每個孔的沉頭深度應根據(jù)曲面表面點的不同位置進行調節(jié)，保證螺釘頭外形尺寸完全沉入。所以文中在CATIA/CAA平臺下，基于相交特征識別算法和幾何信息提取算法，開發(fā)出一個智能沉頭功能，能夠很好地解決上述問題，在現(xiàn)場機翼蒙皮打孔時可大大解放了人力，提高了效率并能很好地滿足工程需要。

孔位信息拾取出來之后，需要對孔的拓撲結構進行特征識別，從而滿足打孔需求。文中利用CATIA/CAA平臺，對屬于CAD模型的底層構造數(shù)據(jù)的B-rep數(shù)據(jù)進行提取。首先依據(jù)CATIA模型文件獲取文檔指針(CATDocument),進而獲得(CATContainerOfDocument)；接著利用方法GetSpecContainer獲取零件模型所在容器CATIContainer；再從CATIContainer中獲取CATIPrtContainer，并利用方法GetPart()獲取對應的指針。之后的提取思路如圖7所示：找到拓撲體CATBody對象，接著依次按照CATBody→CATVolum→CATVertex等過程進行B-rep數(shù)據(jù)的提取。

圖7 B-rep信息特征識別

在現(xiàn)場機翼蒙皮打孔時，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。在識別出孔位信息之后，對單個孔的拓撲結構進行特征識別。智能沉頭功能實現(xiàn)的具體步驟如下所示：

(1)拾取圓柱面。對沉頭螺釘桿部進行特征識別，生成一個對應的圓柱面。

(2)識別相交邊界。沉頭螺釘在打孔時會與機翼蒙皮曲面相交形成一個近似于橢圓形的邊界，對這個相交特征進行識別。

(3)分布采樣點。在橢圓形邊界上分布若干個采樣點，并且拾取每個點的坐標。

(4)各個點向軸線上投影。將這些點分別對圓柱面的軸線進行投影，使它分布在軸線上。

(5)判定距離。在對曲面進行打孔時，數(shù)模上的孔位點作為打孔基準點，該點的坐標值記為。以該點為基準，判定軸線上各點和基準點的距離。接著找出最低點即軸線上距離基準點最遠的點，最低點的軸坐標為。如圖8所示：圓柱面軸線上最高的點為打孔基準點，點1～點5分別為相交圓柱面上5個點在軸線上的投影。其中點1為最高點，點5為最低點。打孔基準點和最低點點5在軸線上的間距為。

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。當沉頭螺釘沉入到圖8的最低點時，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

設相交橢圓線上各點的坐標值為，兩點距離為：

=-

通過極大值算法可以找到最低點并求得，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)相關工程要求，在值的基礎上加上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，使它滿足現(xiàn)場機翼蒙皮測壓孔沉頭深度要求。

3 CATIA軟件開發(fā)實例

以某機型的機翼部件數(shù)模為例，介紹快速打孔過程。拾取孔位信息并且選擇孔的類型、直徑和深度，對機翼蒙皮上對應的點實現(xiàn)智能沉頭功能。機翼蒙皮打孔智能沉頭技術主要實現(xiàn)于CATIA軟件中，基于二次開發(fā)做出的功能孔快速創(chuàng)建對話框如圖12所示，各選項可自行進行編輯。首先選擇孔的類型，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，進行測壓點和草圖的拾取；最后點擊確定按鈕，實現(xiàn)螺釘頭完全沉入曲面。最終CATIA中的機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)建對話框

圖13 機翼蒙皮沉頭示意

圖14 沉頭孔示意

4 結論

通過對機翼蒙皮沉頭孔深度優(yōu)化的研究，解決了實際機翼部件打孔時，不規(guī)則曲面螺釘頭不同位置打孔深度不同從而不能實現(xiàn)高效自動化制孔的問題。文中將特征主基面的相交特征識別算法和幾何信息提取算法融合起來，彌補了之前算法對相交特征識別不足的劣勢。基于CATIA/CAA平臺，并借助Visual Studio軟件，開發(fā)了機翼蒙皮自動打孔以及智能沉頭軟件平臺。提出一種根據(jù)曲面不同點位置自動沉頭的方法，可以保證螺釘頭在不規(guī)則曲面中自動識別出每個測壓點的打孔深度，完全沉入表面。從而現(xiàn)場工藝人員可以通過此軟件平臺對不同的機翼蒙皮模型進行快速自動制孔，大大解放了人力，縮短了時間，提高了效率，對縮短飛機制造周期具有很大的工程意義。