飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具智能快速設(shè)計(jì)

程 旭，車劍昭，白 揚(yáng)，韓志仁，1b，宮 雪

(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，西安 710089)

復(fù)合材料蒙皮是飛機(jī)外表皮零件，是保證飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要組成部件[1]，具有尺寸大、種類多、形狀復(fù)雜以及易變形等特點(diǎn)[2-3]。飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮外形復(fù)雜，加工精度要求高，因此復(fù)合材料蒙皮的制造一直是工業(yè)界的難題[4]。為檢驗(yàn)復(fù)合材料蒙皮產(chǎn)品合格與否，復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具應(yīng)運(yùn)而生。設(shè)計(jì)人員對(duì)比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)、成本、可操作性等諸多因素[5]，最終確定檢驗(yàn)卡板的工裝結(jié)構(gòu)以及使用真空吸附的氣槽對(duì)復(fù)合材料蒙皮進(jìn)行吸附[6-7]。蒙皮零件的尺寸、特征等不同，因此檢驗(yàn)卡板位置與尺寸差異性較大。設(shè)計(jì)復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)時(shí)，檢驗(yàn)卡板尺寸、位置均需工程人員憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算[8]，因此會(huì)導(dǎo)致夾具設(shè)計(jì)總體耗時(shí)長。

本文通過分析檢驗(yàn)卡板設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了邊界及定位塊特征識(shí)別，檢驗(yàn)卡板尺寸與位置的計(jì)算方法，提出了檢驗(yàn)卡板分割曲面構(gòu)造方案，并根據(jù)真空吸附原理，提出了氣槽設(shè)計(jì)方法。再結(jié)合組件應(yīng)用架構(gòu)(Component Application Architecture，即CAA)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)[9]，實(shí)現(xiàn)了智能化快速設(shè)計(jì)生成檢驗(yàn)夾具的目標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)分析

復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)如圖1所示，基體采用整體框架結(jié)構(gòu)，表面層采用特定材料予以保護(hù)，且與基體貼合，其上表面定位型面用于蒙皮零件周圈外形銑切的檢驗(yàn)[10]。檢驗(yàn)卡板尺寸和位置由蒙皮零件的尺寸和裝夾位置確定。

圖1 蒙皮檢驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)

一套檢驗(yàn)夾具上可以檢驗(yàn)幾個(gè)零件，每個(gè)蒙皮零件對(duì)應(yīng)一組檢驗(yàn)卡板，檢驗(yàn)卡板組由若干檢驗(yàn)卡板組成，蒙皮定位型面貼合蒙皮，定位型面擬合的多點(diǎn)平均面盡量平行于基準(zhǔn)平面，定位型面定位在基準(zhǔn)型面5 mm以上；蒙皮型面支撐周圈外形比蒙皮外形縮短2 mm；定位型面上應(yīng)作出密封槽和抽氣槽的中心線。復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)元素如圖2所示，預(yù)處理建立全局參考坐標(biāo)系，x、y、z方向與基體的長、寬、高方向平行。

圖2 設(shè)計(jì)元素示意圖

2 建模設(shè)計(jì)流程

2.1 主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)設(shè)計(jì)真空設(shè)備時(shí)，經(jīng)過驗(yàn)證實(shí)際可行性，使用了密封槽、抽氣槽和吸附沉孔的設(shè)計(jì)。密封槽和抽氣槽統(tǒng)稱為氣槽，氣槽是夾具可真空吸附的決定因素。為了保證復(fù)合材料蒙皮夾緊的均勻性，定位型面上要有足夠的氣槽，而且氣槽的排布及大小要合理，孔徑不能太小，如果孔徑過小氣槽的密度會(huì)相應(yīng)增加，這會(huì)給蒙皮的放置帶來困難。如果個(gè)別氣槽不能密封，蒙皮不易吸牢，也會(huì)造成蒙皮報(bào)廢。為了更好地吸附蒙皮，如何設(shè)計(jì)出合理的氣槽布局尤為關(guān)鍵，因此氣槽設(shè)計(jì)是難點(diǎn)之一。

(2)復(fù)合材料蒙皮厚度方向的檢驗(yàn)采用的是檢驗(yàn)卡板，檢驗(yàn)卡板是檢驗(yàn)夾具可以實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)蒙皮的決定因素。為了保證檢驗(yàn)夾具檢驗(yàn)出產(chǎn)品的質(zhì)量，檢驗(yàn)卡板位置要盡量均勻分布，以達(dá)到最好的檢驗(yàn)效果,并且尺寸要相對(duì)合理符合設(shè)計(jì)要求。因此如何智能地確定檢驗(yàn)卡板的尺寸和位置，尤其是兩組卡板的相對(duì)位置關(guān)系的確定是難點(diǎn)之一。

2.2 建模方案設(shè)計(jì)

首先基于獲得的全部蒙皮實(shí)體，通過智能算法得到邊界特征。通過氣槽設(shè)計(jì)算法自動(dòng)生成每個(gè)蒙皮的密封槽及抽氣槽中心線，并采用自動(dòng)或手動(dòng)方式生成每個(gè)蒙皮實(shí)體的吸附沉孔特征，然后用類比法將定位塊、吸附沉孔特征整合至同一參考特征組?；谶吔缣卣?、輸入?yún)?shù)及得到的每個(gè)實(shí)體參考特征組，利用分治法確定每個(gè)蒙皮實(shí)體對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)卡板毛坯草圖位置、尺寸。通過構(gòu)造分割面分割毛坯，再通過智能避讓算法確定每個(gè)蒙皮實(shí)體的檢驗(yàn)卡板尺寸、位置，如圖3所示，自動(dòng)生成基體并裝配夾具附件。

圖3 檢驗(yàn)卡板

2.3 智能算法研究

2.3.1 蒙皮邊界特征的智能算法

蒙皮零件是由曲面和邊線組成的實(shí)體，可分為單件、對(duì)稱件和非對(duì)稱雙件蒙皮?；诿善ぽ喞吔绲膸缀翁攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)出智能識(shí)別蒙皮邊界特征的算法，涉及的幾何元素如圖4所示，其流程如下：

圖4 幾何元素

步驟1 首先通過遍歷結(jié)構(gòu)樹[11]獲得全部零件實(shí)體，將全部實(shí)體存入到數(shù)組Group_1中，聲明變量i=1。

步驟2 特征是具有一定關(guān)系的拓?fù)湓?，基于CAA拓?fù)浣涌趯?duì)數(shù)組Group_1中第i個(gè)實(shí)體進(jìn)行拓?fù)渌惴?，獲得零件實(shí)體全部邊線。將這些邊線存入到數(shù)組Cell_1中，聲明變量j=1。

步驟3 通過智能算法獲取貼合零件下型面和型面質(zhì)心，以下型面作為判斷基準(zhǔn)，記作Plane；型面質(zhì)心記作Point，建立參考坐標(biāo)系，記作Axis。

步驟4 在Axis參考坐標(biāo)系下對(duì)Cell_1數(shù)組中第j號(hào)拓?fù)湓剡M(jìn)行MeasureDistance函數(shù)操作，將得到的距離與判斷基準(zhǔn)進(jìn)行比較。當(dāng)符合判斷基準(zhǔn)時(shí)，將該元素記作Project1，插入結(jié)構(gòu)樹并存入數(shù)組Cell_2，中便于后續(xù)識(shí)別。反之執(zhí)行步驟5；若判斷失敗，結(jié)束該次判斷，進(jìn)行元素j=j+1,繼續(xù)迭代步驟3。

步驟5 當(dāng)步驟4判斷結(jié)束后，進(jìn)行元素i=i+1,繼續(xù)迭代步驟2，直到獲得每個(gè)蒙皮的邊界特征，循環(huán)結(jié)束。

2.3.2 定位參考特征組的建立

定位特征有吸附沉孔特征和定位塊特征兩部分。吸附沉孔特征通常自動(dòng)生成獲得，用戶也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)拾取定位點(diǎn)來生成孔位，提高人機(jī)交互的可用性。再通過遍歷結(jié)構(gòu)樹算法，獲得每個(gè)蒙皮零件的定位塊特征。用類比思想將蒙皮零件吸附沉孔特征與對(duì)應(yīng)的全部定位塊特征整合在一起，整合后稱其為定位參考特征組如圖5所示。如果存在兩個(gè)或兩個(gè)以上蒙皮零件，則有兩個(gè)或兩個(gè)以上定位參考特征組。

圖5 特征類比

2.3.3 氣槽設(shè)計(jì)

在氣槽設(shè)計(jì)中，氣槽與蒙皮邊界特征存在緊密的尺寸關(guān)聯(lián)。人工設(shè)計(jì)氣槽時(shí)，計(jì)算設(shè)計(jì)草圖尺寸和邊界關(guān)系非常繁瑣。本文采用的真空吸附裝置為抽氣管道，并基于尺寸關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)算法，計(jì)算出密封槽中心線所在區(qū)域的尺寸和位置；再根據(jù)真空吸附力計(jì)算公式[12]：F=(P1-P2)S=ΔPS智能計(jì)算出每個(gè)蒙皮零件的氣槽間距在密封槽中心線上均勻布點(diǎn)，進(jìn)一步確定抽氣槽中心線所在區(qū)域的尺寸和位置?？焖俅_定氣槽設(shè)計(jì)中的尺寸關(guān)聯(lián)、草圖設(shè)計(jì)可以將設(shè)計(jì)人員從繁瑣的設(shè)計(jì)工作中解放出來，減輕設(shè)計(jì)人員工作量，減少人為錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)效率。

2.3.4 基于特征驅(qū)動(dòng)的檢驗(yàn)卡板尺寸和位置計(jì)算

檢驗(yàn)卡板是通過毛坯分割得到的，毛坯與檢驗(yàn)卡板在蒙皮相對(duì)坐標(biāo)系下x、y方向的尺寸、位置一致。由于檢驗(yàn)卡板與毛坯基本等效，為了方便表述與圖示觀察，用檢驗(yàn)卡板代替毛坯。在符合設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，基于參考特征確定每個(gè)蒙皮零件檢驗(yàn)卡板的尺寸和位置，需要引入分治策略。分治策略在于“分而治之”，是將一個(gè)復(fù)雜的問題分成多個(gè)相似子問題，子問題可以分成更小的子問題[13-14],遞歸地解決這些子問題，再將子問題的解合并作為全局最優(yōu)解[15]。檢驗(yàn)卡板尺寸計(jì)算、位置確定的分治策略如下：

步驟1 蒙皮零件組的檢驗(yàn)卡板布局問題可以劃分為若干個(gè)蒙皮零件的檢驗(yàn)卡板布局問題。將單一的蒙皮零件自動(dòng)分為若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包含一個(gè)檢驗(yàn)卡板，如圖6所示。分區(qū)原則：根據(jù)蒙皮零件的區(qū)域大小自動(dòng)等分為一個(gè)個(gè)小區(qū)域。

圖6 分區(qū)示意圖

步驟2 在步驟1中得到的每個(gè)檢驗(yàn)卡板所在的區(qū)域，草圖位置、尺寸需根據(jù)零件邊界特征來進(jìn)一步確定。用X_max(i,j)表示第i個(gè)蒙皮第j個(gè)區(qū)域的檢驗(yàn)卡板草圖在x方向的極大值，X_min(i,j)為極小值。X1=X_max(i,j)-L1；…;Xn=X_max(i,j)-L1+nL2。X1為該檢驗(yàn)卡板的起始端在參考坐標(biāo)系下的x坐標(biāo)值，L1為檢驗(yàn)卡板到X_max(i,j)的距離，L2為檢驗(yàn)卡板間距。

步驟3 對(duì)于每個(gè)區(qū)域，針對(duì)參考特征位置對(duì)檢驗(yàn)卡板草圖進(jìn)行位置、尺寸調(diào)整。為了保證檢驗(yàn)卡板與相鄰蒙皮零件檢驗(yàn)卡板不發(fā)生干涉，采用智能避讓原則進(jìn)行優(yōu)化。

智能避讓原則：當(dāng)存在兩個(gè)及兩個(gè)以上蒙皮零件時(shí)，相鄰檢驗(yàn)卡板之間可能會(huì)發(fā)生干涉。因此在步驟3中得到檢驗(yàn)卡板草圖時(shí)，需將檢驗(yàn)卡板草圖與相鄰蒙皮零件區(qū)域檢驗(yàn)卡板草圖進(jìn)行相交處理。當(dāng)發(fā)生干涉時(shí)，從第一個(gè)發(fā)生干涉處對(duì)草圖位置進(jìn)行調(diào)整，然后將這些草圖元素存進(jìn)一個(gè)臨時(shí)數(shù)組，按照x坐標(biāo)值對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行冒泡排序。依次進(jìn)行迭代運(yùn)算，直至優(yōu)化到無干涉并符合設(shè)計(jì)要求時(shí)結(jié)束，從而實(shí)現(xiàn)智能避讓。

步驟4 依次對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行迭代運(yùn)算，確定每個(gè)蒙皮零件檢驗(yàn)卡板位置、尺寸的計(jì)算結(jié)果。將單一蒙皮零件檢驗(yàn)卡板位置、尺寸計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合并，將其作為蒙皮零件組的檢驗(yàn)卡板位置、尺寸的計(jì)算結(jié)果。

2.3.5 分割型面的構(gòu)造與分割方向判別

為了使檢驗(yàn)卡板更好地檢驗(yàn)蒙皮，需使用分割型面對(duì)卡板毛坯進(jìn)行分割。分割型面構(gòu)造方式：通過遍歷結(jié)構(gòu)樹的方法獲取蒙皮定位型面，再通過對(duì)蒙皮定位型面平移分割得到所需的分割型面，如圖7所示。

由于使用型面分割毛胚實(shí)體時(shí)分割方向存在二義性，需要通過CATGSM Orientation類別下的分割函數(shù)來控制正確的分割方向。具體需要通過方向參數(shù)Same Orientation、Invert Orientation判斷來實(shí)現(xiàn)。其中Same Orientation表示默認(rèn)方向，Invert Orientation則表示反方向。將毛胚實(shí)體沿著這兩個(gè)方向分別分割一次，得到兩個(gè)分割毛胚體。比較二者質(zhì)心在蒙皮參考坐標(biāo)系下某方向的坐標(biāo)分量，根據(jù)比較結(jié)果確定分割方向及分割后的實(shí)體。分割后用實(shí)體用函數(shù)F(Face,Body,L,K)表示。其中：Face為分割型面；Body為待分割的毛胚實(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的值，分別獲取兩個(gè)方向的分割體質(zhì)心在相對(duì)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)下分量較大的實(shí)體為保留的實(shí)體，K=1表示質(zhì)心坐標(biāo)下分量較小的實(shí)體為保留的實(shí)體。

變量初始化：如圖7所示，檢驗(yàn)卡板最終保留實(shí)體區(qū)域的數(shù)學(xué)表示為：F(Face1,Body,3,0)。Body為檢驗(yàn)卡板毛坯；Face1為分割型面；3為質(zhì)心坐標(biāo)下z方向。

圖7 檢驗(yàn)卡板示意圖

3 實(shí)例功能驗(yàn)證

基于CAA開發(fā)出了飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具快速設(shè)計(jì)方法。第一步選擇設(shè)計(jì)參考結(jié)構(gòu)，然后導(dǎo)入設(shè)計(jì)參考。第二步進(jìn)入夾具設(shè)計(jì)模塊，如圖8所示，該對(duì)話框?qū)⑦M(jìn)一步確定夾具組成方案信息，缺省參數(shù)框內(nèi)放入自動(dòng)獲得的部分尺寸、缺省參數(shù)，并支持修改。確認(rèn)缺省參數(shù)框中的參數(shù)符合要求后點(diǎn)擊預(yù)覽按鈕，程序自動(dòng)生成氣槽、吸附沉孔檢驗(yàn)卡板等；若上述輸入的參數(shù)無需修改缺省參數(shù)，點(diǎn)擊預(yù)覽則會(huì)生成夾具。第三步進(jìn)入裝配模塊，參考控件中的提示信息，依次點(diǎn)擊對(duì)話框?qū)霕?biāo)準(zhǔn)件按鈕，導(dǎo)入目標(biāo)文件夾下的標(biāo)準(zhǔn)件，再點(diǎn)擊自動(dòng)裝配按鈕，程序?qū)⑼ㄟ^軸系相合約束裝配標(biāo)準(zhǔn)件。以非對(duì)稱雙件蒙皮為實(shí)例，需要導(dǎo)入吊環(huán)、對(duì)刀塊與機(jī)床連接用插銷，抽氣用的二通、三通、密封膠圈，以及堵頭、真空膠管等附件，最后點(diǎn)擊裝配按鈕完成夾具標(biāo)準(zhǔn)件的裝配，如圖9所示，通用化蒙皮檢驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖8 夾具設(shè)計(jì)模塊

圖9 生成夾具預(yù)覽

圖10 通用化蒙皮檢驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)蒙皮檢驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)中存在的特征識(shí)別困難，檢驗(yàn)卡板與氣槽位置、尺寸設(shè)計(jì)繁瑣等問題，提出了基于CATIA/CAA的蒙皮檢驗(yàn)夾具智能快速設(shè)計(jì)方案，在VC++中編寫代碼，開發(fā)了飛機(jī)復(fù)合材料蒙皮零件檢驗(yàn)夾具智能快速設(shè)計(jì)軟件。該軟件在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料蒙皮檢驗(yàn)夾具的快速建模、智能優(yōu)化以及附件的快速裝配。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，通過該軟件設(shè)計(jì)蒙皮檢驗(yàn)夾具耗時(shí)，設(shè)計(jì)效率提高了20倍左右，節(jié)省了時(shí)間，縮短了設(shè)計(jì)制造周期，為智能化蒙皮檢驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考方案。