飛機(jī)鈑金零件的數(shù)字化建模及逆向驗(yàn)證

王 軍

（航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610092）

1 飛機(jī)鈑金零件的數(shù)字化建模

飛機(jī)鈑金零件的數(shù)字化建模是先收集精確的鈑金零件模擬量，該文通過(guò)三維建模軟件CATIA 進(jìn)行三維設(shè)計(jì)建模[1]，該三維模型精度較高可以作為鈑金零件的生產(chǎn)和檢驗(yàn)依據(jù)。依托于現(xiàn)有的數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)備和數(shù)字化檢驗(yàn)設(shè)備，零件的生產(chǎn)周期將大量縮短，精度將穩(wěn)步提升，質(zhì)量將大幅改善，成本將明顯降低。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的興起[2]，航空鈑金零件的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造為鈑金數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了巨大的技術(shù)發(fā)展空間，只有數(shù)字化的檢測(cè)技術(shù)才能真正協(xié)助鈑金數(shù)字化制造向成熟發(fā)展。

1.1 飛機(jī)鈑金零件模擬量信息提取

飛機(jī)鈑金零件模擬量信息的提取內(nèi)容主要為零件的具體尺寸、零件的具體位置與零件的技術(shù)狀態(tài)3 個(gè)方面，這3個(gè)方面是零件最基本的屬性，除了部分直型材、直導(dǎo)管及部分標(biāo)準(zhǔn)件不需要零件的具體位置以外，所有鈑金零件三維數(shù)模都應(yīng)包含這3 個(gè)要素。在提取飛機(jī)鈑金零件的具體尺寸模擬量信息時(shí)，要注意將圖紙中所有的模擬量信息提取完畢，特別需要注意某些尺寸需要在特定的剖視圖或者與其相配合的視圖中查找。某些非精確的尺寸需要根據(jù)已知的尺寸或相配合零件的尺寸進(jìn)行計(jì)算得出，對(duì)于下陷、止裂槽等圖紙中未給出的尺寸可根據(jù)相應(yīng)的國(guó)標(biāo)或行標(biāo)計(jì)算得出。在提取飛機(jī)鈑金零件具體位置模擬量信息時(shí)，要提取飛機(jī)坐標(biāo)系下的位置信息，通常圖紙中會(huì)給出鈑金零件在飛機(jī)坐標(biāo)系下BL 和WB 方向上的坐標(biāo)位置，而WL 方向上的位置則需要通過(guò)查閱與其相配合的零件的具體尺寸進(jìn)行計(jì)算而獲得。在提取飛機(jī)鈑金零件技術(shù)狀態(tài)模擬量信息時(shí)，可通過(guò)查閱圖紙中給出的零件狀態(tài)、已發(fā)布文件信息，對(duì)于熱處理及噴漆類關(guān)鍵信息需要多次確認(rèn)，防止出錯(cuò)造成報(bào)廢。飛機(jī)鈑金零件模擬量的提取一定要提取最新發(fā)布圖紙的有效信息，同時(shí)還要注意將工程指令中的信息納入總的模擬量信息中。

1.2 飛機(jī)鈑金零件三維數(shù)字模型構(gòu)造

飛機(jī)鈑金零件三維數(shù)字模型構(gòu)造主要采用CATIA 軟件完成，其強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能和覆蓋面極廣的綜合性能基本滿足了復(fù)雜的飛機(jī)鈑金零件設(shè)計(jì)要求，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的興起，CATIA 應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。圖1 為正向建模過(guò)程示意圖。飛機(jī)鈑金零件三維數(shù)字模型的具體外形通常是由在對(duì)應(yīng)飛機(jī)坐標(biāo)系位置的實(shí)體經(jīng)過(guò)抽殼、分割、打凹槽與倒圓角等命令操作后形成的，每個(gè)三維數(shù)模具體需要什么樣的命令由其自身的外形所決定。為了將設(shè)計(jì)所要求的模擬量完全轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，必須注意特殊情況操作命令的使用順序，例如為了構(gòu)造1 個(gè)長(zhǎng)300 mm、寬100 mm、高50 mm、外圓角100 mm、厚2 mm 的“L”形簡(jiǎn)單鈑金件，需要將分割好的實(shí)體先倒圓角再抽殼才能得到，如果先抽殼后倒圓角，CATIA 則會(huì)報(bào)錯(cuò)。

圖1 正向建模流程示意圖

為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建模，根據(jù)工作原理，可以將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型劃分為多個(gè)子模型。圖2 為建模操作順序示意圖。數(shù)模結(jié)構(gòu)樹的規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化是保證設(shè)計(jì)人員、校對(duì)人員、使用人員正常工作的基礎(chǔ)。

圖2 建模操作順序示意圖

三維數(shù)模的設(shè)計(jì)過(guò)程都統(tǒng)一放置在建模過(guò)程中，引用裝配數(shù)模中的曲面統(tǒng)一放置在標(biāo)準(zhǔn)元素中，各種技術(shù)狀態(tài)需要在對(duì)應(yīng)的注釋后標(biāo)明。經(jīng)初步校對(duì)無(wú)誤后的數(shù)模需要上傳至內(nèi)網(wǎng)供仿真人員進(jìn)行仿真碰撞分析，若仿真結(jié)果顯示碰撞或有間隙時(shí)需數(shù)模設(shè)計(jì)人員復(fù)查數(shù)模構(gòu)建錯(cuò)誤的原因并進(jìn)行修改?？偟膩?lái)說(shuō)，建模錯(cuò)誤的原因可以分為建模操作錯(cuò)誤與模擬量提取錯(cuò)誤，針對(duì)不同的錯(cuò)誤原因采取不同的措施對(duì)數(shù)模進(jìn)行修改直至數(shù)模仿真分析結(jié)果顯示無(wú)誤。數(shù)字化建模的宏觀把控重點(diǎn)在于優(yōu)化建模流程，組織好各工位的工作順序[3]，控制各工位完成時(shí)間，進(jìn)而縮短正向建模時(shí)間，提高建模工作效率。

2 飛機(jī)鈑金零件的逆向驗(yàn)證

相對(duì)于傳統(tǒng)的正向裝配仿真分析驗(yàn)證而言，逆向驗(yàn)證具有針對(duì)性強(qiáng)、覆蓋面廣的特點(diǎn)。逆向驗(yàn)證通過(guò)處理激光掃描工裝表面特征獲取的點(diǎn)云與便攜式柔性測(cè)量臂擬合工裝的刻線，采用逆向工程構(gòu)建鈑金零件與成形工裝相貼合的面，可用于驗(yàn)證飛機(jī)鈑金零件三維數(shù)字模型與實(shí)際鈑金零件在邊緣尺寸與空間外形方面的具體差異值。

2.1 激光掃描工裝表面特征獲取點(diǎn)云

在逆向還原實(shí)樣數(shù)字量時(shí)，首先需要對(duì)模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)分析模型的曲面幾何特征確定整體方案。該方案采用3D 掃描技術(shù)獲取工裝型面的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化得到基礎(chǔ)數(shù)字化模型。結(jié)果表明，移動(dòng)式三維激光掃描儀在掃描工裝中可以明顯提高作業(yè)效率且滿足測(cè)量精度要求，具有較好的應(yīng)用前景。掃描工裝表面特征的儀器采用手持移動(dòng)式激光掃描儀，相對(duì)于傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，它具有使用便攜、成本低廉、效率較高的特點(diǎn)。手持式激光掃描儀獲取工裝型面特征時(shí)需要在其上黏貼靶向點(diǎn)以便于計(jì)算機(jī)更加精準(zhǔn)地?cái)M合點(diǎn)云曲面，靶向點(diǎn)的黏貼要盡量均勻，間距大約為60 mm。圖3 為零件標(biāo)點(diǎn)黏貼示意圖。在安放工裝的平臺(tái)上需要放置3 個(gè)坐標(biāo)球用于定位，坐標(biāo)球的擺放位置應(yīng)盡量分散，不能在一條直線上。為保證掃描結(jié)果精度符合要求，掃描過(guò)程中手持式激光掃描儀速度要盡量保持勻速，移動(dòng)線速度應(yīng)控制在50 mm/s 以內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度應(yīng)控制在72 rad/s 以內(nèi)。

圖3 零件標(biāo)點(diǎn)黏貼示意圖

2.2 測(cè)量臂測(cè)量工裝刻線擬合零件內(nèi)外形線

測(cè)量工裝型面刻線的儀器為便攜式柔性測(cè)量臂，探頭接觸式測(cè)量可人工規(guī)劃測(cè)量路徑，在某些死角區(qū)域也可完成測(cè)量任務(wù)。數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)數(shù)字化高精度裝配的基礎(chǔ)[4]，接觸式測(cè)量方式具有測(cè)量精度較高、使用方便和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，比傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量系統(tǒng)更靈巧、便捷。零件內(nèi)外形線可由測(cè)量臂采集工裝刻線上的樣點(diǎn)經(jīng)計(jì)算機(jī)最佳擬合后得到。測(cè)量臂選取樣點(diǎn)之間的間距根據(jù)曲線的曲度決定，與曲線的長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)性不大，曲線的曲度越大則需要選取的樣點(diǎn)越多。理論上計(jì)算機(jī)只需要采集3 個(gè)樣點(diǎn)就可以擬合出直線與圓弧，但是飛機(jī)鈑金零件外形較為復(fù)雜，其真實(shí)形狀非簡(jiǎn)單的直線或圓弧，考慮到刻線本身的誤差，樣點(diǎn)的選取應(yīng)盡量多一些。測(cè)量臂采用最小二乘法[4]計(jì)算坐標(biāo)位置方程，測(cè)量臂需要在每個(gè)坐標(biāo)球表面采集10 個(gè)以上的樣點(diǎn)，密集的樣點(diǎn)在CATIA 的快速表面重建界面重新生成坐標(biāo)球，用以與點(diǎn)云中對(duì)應(yīng)的每個(gè)坐標(biāo)球相匹配，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云與刻線在同一個(gè)坐標(biāo)系下的位置唯一性。

2.3 處理數(shù)據(jù)實(shí)行逆向驗(yàn)證

逆向驗(yàn)證通過(guò)量化對(duì)比零件與工裝型面相貼合的面和正向構(gòu)建三維數(shù)模與工裝數(shù)模相貼合的面之間的差異值，顯性化與零件內(nèi)外形線相對(duì)應(yīng)的工裝刻線和三維數(shù)模的內(nèi)外形線之間的差異值，進(jìn)而得出正向構(gòu)建的三維數(shù)模與實(shí)際生產(chǎn)的零件在對(duì)應(yīng)尺寸處的差值，可更加全面、具體地驗(yàn)證后者的準(zhǔn)確性。由于零件實(shí)際的內(nèi)外形線與型面和工裝相對(duì)應(yīng)的表面特征具有一定的誤差，儀器收集、人工處理數(shù)據(jù)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生誤差，誤差的累計(jì)會(huì)導(dǎo)致逆向構(gòu)建的型面會(huì)有一定程度的失真，所以逆向驗(yàn)證的結(jié)果更加傾向用于定性的參考。若90%零件型面的尺寸誤差在±1 mm 以內(nèi)，90%零件內(nèi)外形線的尺寸在±0.5 mm 以內(nèi)，則視所正向構(gòu)建的三維數(shù)模尺寸精度符合要求。

逆向驗(yàn)證的過(guò)程即為利用測(cè)量臂計(jì)算機(jī)自動(dòng)擬合生成的曲線切割激光掃描儀獲得的點(diǎn)云型面，再將切割后的型面與正向構(gòu)建的三維數(shù)模對(duì)應(yīng)型面進(jìn)行偏差分析獲取偏差結(jié)果，進(jìn)而驗(yàn)證三維數(shù)模的正確性。在切割點(diǎn)云型面之前需要做3 個(gè)準(zhǔn)備工作：固定點(diǎn)云型面與工裝刻線的對(duì)應(yīng)位置、清除點(diǎn)云表面的噪點(diǎn)與處理切割曲線。固定點(diǎn)云型面與工裝刻線之間的空間位置需要通過(guò)約束兩者所收集到的3個(gè)坐標(biāo)球位置相應(yīng)匹配，而刻線中的坐標(biāo)球則是用“基礎(chǔ)表面識(shí)別”功能擬合測(cè)量臂所收集樣點(diǎn)與自身偏差分析的結(jié)果而得到。點(diǎn)云型面表面的噪點(diǎn)必須去除，否則對(duì)比結(jié)果中的型面偏差值會(huì)偏大。直接由測(cè)量臂計(jì)算機(jī)自動(dòng)擬合的曲線存在失真的現(xiàn)象，需要經(jīng)過(guò)優(yōu)化甚至重構(gòu)才能作為切割曲線使用，例如某些圓弧形狀的工裝刻線由于工人采集樣點(diǎn)數(shù)目過(guò)少或所采集的樣點(diǎn)偏離了真實(shí)的位置，導(dǎo)致測(cè)量臂計(jì)算機(jī)擬合的曲線為非圓弧形曲線，這就需要盡量多用采集的樣點(diǎn)繪出圓弧。

點(diǎn)云型面的切割順序是合理、快速切割點(diǎn)云型面的關(guān)鍵因素（簡(jiǎn)單的平面形、“Z”字形與“L”形點(diǎn)云型面切割順序無(wú)特殊要求）。逆向數(shù)字量最佳擬合到三維數(shù)模對(duì)應(yīng)型面上時(shí)需要手動(dòng)將前者移動(dòng)到后者某一面的法向上，且應(yīng)盡量對(duì)齊，并且需要重復(fù)多次最佳擬合兩者的位置信息直至兩者型面與型面、內(nèi)外形線與內(nèi)外形線的偏差最小，即逆向驗(yàn)證結(jié)果偏差最小，即可切割其內(nèi)形。逆向?qū)Ρ仁疽鈭D如圖4 所示。

圖4 逆向?qū)Ρ仁疽鈭D

3 數(shù)字化制造零件

對(duì)于沒(méi)有三維數(shù)字模型的型材類鈑金零件，已通過(guò)正向建模的方式構(gòu)建三維數(shù)字模型，并通過(guò)逆向驗(yàn)證的方式檢驗(yàn)正向數(shù)模的精度。飛機(jī)型材零件具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、批量相對(duì)較大、材料相對(duì)單一的特點(diǎn)，便于使用正向構(gòu)建的數(shù)模進(jìn)行高精度、大批次的精益化生產(chǎn)。某種型號(hào)的“L”形型材零件上具有8 個(gè)導(dǎo)孔，2 個(gè)定位孔，1 個(gè)定位凹槽及2 處倒角，對(duì)于按照外形樣板進(jìn)行劃線切割與轉(zhuǎn)孔的傳統(tǒng)制造方式而言，存在加工精度低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、表面質(zhì)量低的缺陷。采用正向建模構(gòu)建的三維數(shù)字模型作為數(shù)控編程的基準(zhǔn)，運(yùn)用CATIA 的Machining 中的Advanced Machining 模塊進(jìn)行數(shù)控編程，將數(shù)控程序輸入四坐標(biāo)型材銑切機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控加工的數(shù)字化制造方式可完美克服上述缺陷。在數(shù)控編程時(shí)需要注意規(guī)劃抓手的運(yùn)行路徑，設(shè)置切削參數(shù)，并通過(guò)Vericut仿真的方式確定加工過(guò)程的安全性與零件的加工精度。將數(shù)字化生產(chǎn)的“L”形型材零件與外形樣板進(jìn)行對(duì)比，前者的外形與后者完全重合；運(yùn)用數(shù)字化柔性測(cè)量臂對(duì)前者的導(dǎo)孔、定位孔進(jìn)行測(cè)量，前者的圓度、圓柱度、垂直度、尺寸精度均達(dá)標(biāo)。數(shù)字化制造“L”形型材零件圖如圖5 所示。

圖5 數(shù)字化制造“L”形型材零件圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得到如下結(jié)論：1）鈑金零件數(shù)字化建模的重點(diǎn)在于優(yōu)化建模流程，保證模擬量提取的正確性與建模順序的合理性可快速、高質(zhì)地完成建模。2）逆向驗(yàn)證的前提是通過(guò)提取工裝型面的模擬量信息還原零件實(shí)體的數(shù)字量信息，合理地掃描工裝型面、提取工裝刻線可提高實(shí)體零件數(shù)字量的正確性。3）正向建?？蓮脑O(shè)計(jì)人員視角還原零件的數(shù)字量狀態(tài)，逆向驗(yàn)證可量化顯示正向數(shù)模與實(shí)體零件數(shù)字量之間的差異，將兩者相結(jié)合可為鈑金零件的數(shù)字化制造及檢驗(yàn)提供理論依據(jù)。