基于特征的曲面鈑金零件三維參數(shù)化造型研究

李鑫，翟建軍，黃翔

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基于特征的曲面鈑金零件三維參數(shù)化造型研究

李鑫，翟建軍，黃翔

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為了保證典型曲面鈑金特征的數(shù)據(jù)信息不會隨著曲率的不同而發(fā)生改變，提出了一種由程序驅(qū)動的基于特征的曲面鈑金零件三維參數(shù)化造型技術(shù)。分析了復(fù)雜曲面鈑金零件的基礎(chǔ)模型建模要求，并在總結(jié)造型方法整體框架的基礎(chǔ)上，給出了實體建模與三維參數(shù)化設(shè)計的具體實現(xiàn)方法。通過對曲面加強槽的三維參數(shù)化造型，驗證了該方法的準(zhǔn)確性與通用性。

復(fù)雜曲面；實體建模；參數(shù)化設(shè)計；加強槽

0 引言

隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)以及物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展，曲面類鈑金零件作為能夠使得飛機同時獲得高結(jié)構(gòu)效率和優(yōu)良性能的基礎(chǔ)零件之一，已經(jīng)在飛機結(jié)構(gòu)中得到大量的運用。CATIA作為航空設(shè)計領(lǐng)域通用的三維設(shè)計軟件，雖然針對鈑金零件提供了專用的航空鈑金設(shè)計模塊， 但它內(nèi)部所有特征的使用都要求鈑金零件必須在該模塊內(nèi)生成，且只適用于平板類鈑金零件的設(shè)計，在實際的生產(chǎn)應(yīng)用中受到極大的局限[1]。

傳統(tǒng)的曲面類鈑金零件的許多構(gòu)件都具有相似性，其建模過程需要大量的時間[2]。設(shè)計人員在設(shè)計過程中由于使用的習(xí)慣和側(cè)重點不同，在利用CATIA零件設(shè)計模塊和創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊中的功能組合來進(jìn)行實體建模的過程中，一方面由于零件特征的復(fù)雜性，繪制的圖形不具備很好的可修改性，無法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)件規(guī)律性，不利于設(shè)計知識的繼承、重用以及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的管理。另一方面，由于復(fù)雜曲面鈑金零件特征的內(nèi)部尺寸相互約束，在三維空間中無法完全實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，難以保證工作的準(zhǔn)確性，尺寸數(shù)據(jù)的微小失誤即可導(dǎo)致因強度不足而造成的破壞。

在對當(dāng)前三維造型方法進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，以典型曲面類鈑金零件特征為研究對象，通過CAA (component application architecture)組件應(yīng)用架構(gòu)尺寸參數(shù)程序驅(qū)動，提出實現(xiàn)面向復(fù)雜曲面鈑金零件高效三維參數(shù)化造型的方法，并給出了其實現(xiàn)的具體過程。研究結(jié)果對于提高復(fù)雜曲面鈑金零件建模效率與精度以及縮短優(yōu)化設(shè)計周期具有重要意義。

1 基于特征的曲面鈑金零件三維參數(shù)化造型解決方案

在基于特征的三維參數(shù)化造型中，特征的描述是核心要素，特征描述應(yīng)該包括幾何形狀的表示和相關(guān)尺寸的處理機制以及特征高層語義信息的表示。特征的曲面鈑金零件三維參數(shù)化造型就是要將特征實體造型與三維參數(shù)化設(shè)計有機地結(jié)合起來[3]，使得特征數(shù)模完整、準(zhǔn)確且具有可復(fù)用性和封裝性，其總體解決方案如圖1所示。

圖1 總體解決方案

典型鈑金特征在曲面鈑金零件上的實現(xiàn)，需要結(jié)合自頂向下設(shè)計，參數(shù)化設(shè)計和關(guān)聯(lián)性設(shè)計的諸多優(yōu)點，使得曲面鈑金零件上的原有結(jié)構(gòu)與新添加的鈑金特征在知識的表達(dá)上能夠相互統(tǒng)一，這就需要篩選合適的特征定位基準(zhǔn)(點、線、面、控制變量等)，作為建模的約束基礎(chǔ)。

復(fù)雜曲面鈑金零件特征在實體建模篩選定位基準(zhǔn)時會有多種實踐方案，為了數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用上的方便，需要將面與線的默認(rèn)方向與建模的參考方向關(guān)聯(lián)為一致，用最少的定位基準(zhǔn)來實現(xiàn)建模要求。為滿足曲面鈑金零件特征的靈活性要求，在詳細(xì)的實體建模中，可以選擇只關(guān)聯(lián)定位基準(zhǔn)，這樣可以避免過多的參考，而非關(guān)鍵元素在關(guān)聯(lián)設(shè)計時生成的是只有子關(guān)系而沒有父關(guān)系的元素，不至于造成數(shù)模在發(fā)布定位基準(zhǔn)時的混亂。這樣做的好處是，在設(shè)計的同時可以檢查設(shè)計的合理性，加速了產(chǎn)品的設(shè)計效率。

2 實體造型

三維幾何模型描述特征的數(shù)據(jù)信息一般可分為幾何尺寸和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩方面。幾何尺寸是指具有幾何意義的點、線、面等的位置坐標(biāo)、長度、面積等的數(shù)據(jù)值或度量值。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)反映的則是形體的空間結(jié)構(gòu)，描述了構(gòu)成三維幾何模型的父特征之間、父特征與低層幾何元素或其他非幾何信息之間的相互約束或相互引用關(guān)系的屬性[4]。

三維幾何模型的幾何尺寸隱含著從特征依附的父特征繼承下來的參數(shù)尺寸，隱含尺寸的參數(shù)值以自動和動態(tài)的方式派生出來，不能由設(shè)計者直接輸入，它與三維幾何模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成映射關(guān)系?；谔卣鞯那驸k金零件三維參數(shù)化造型方法不能破壞模型的形狀與各造型特征間的空間依賴關(guān)系，因此在特征的實體造型中，除了要關(guān)聯(lián)父特征及其屬性以及父特征之間的關(guān)系以外，還必須保證典型鈑金特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能發(fā)生改變[5]。如圖2所示，在曲面鈑金零件上添加加強槽時，槽的兩頭是半橢球形構(gòu)型，由于半橢球形構(gòu)型在三維空間難以實體造型，在實際的工程應(yīng)用中，通常會采用半圓球形構(gòu)型代替，無法保證加強槽的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保持不變。

圖2 加強槽

2.1 特征曲面抽取

在具有復(fù)雜曲面外形的鈑金零件上添加特征時，組成鈑金零件表面的各曲面片都隱含著特征信息和工程信息，如微分性質(zhì)、力學(xué)性能等。如果在建模過程中掩蓋了這些信息，那么即使能夠達(dá)到滿意的精度和外觀品質(zhì)，也會對鈑金零件的變形設(shè)計和力學(xué)分析等后續(xù)處理帶來很大地不便[6]。

在點的連貫性和曲率的相似性的基礎(chǔ)上，為了保證鈑金零件上固有的特征信息不變，需要通過曲面抽取技術(shù)將這些信息提取出來，使得整個曲面抽取的拓展類型為切線連續(xù)，從而提高了抽取曲面的修改能力，增強了曲面的可復(fù)用性和可優(yōu)化性。

2.2 鈑金彎邊貼合

為了避免在復(fù)雜曲面上對鈑金特征進(jìn)行三維造型，維持鈑金特征的固有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變，需要借助CATIA航空鈑金設(shè)計模塊中的功能，將模塊中產(chǎn)生的母板(WEB)與上一步中抽取的曲面結(jié)合，通過方向調(diào)整和參數(shù)修改，產(chǎn)生貼合在抽取曲面上的鈑金彎邊。鈑金彎邊與抽取曲面既相互獨立，又相互關(guān)聯(lián)，一方面可以直接在抽取曲面上繪制草圖，便于鈑金彎邊直接引用。另一方面，抽取曲面上的特征定位可以直接確定，不需要后續(xù)的修改和移動。

2.3 草圖繪制

在繪制草圖時，CATIA只確認(rèn)其默認(rèn)約束，沒有被約束的線條顯示為白色，這些白色線條雖然能夠生成實體，但是與其他的點、線、面沒有關(guān)聯(lián)，在重復(fù)調(diào)用時不能夠達(dá)到理想的設(shè)計要求，因此需要用約束來進(jìn)行控制，這些約束可以是尺寸約束，也可以是幾何約束。

通常情況下，反應(yīng)草圖的約束關(guān)系與線性方程組形成映射關(guān)系，用矩陣表示為

或AXB=D

(1)

其中，X∈Fn×s，表示草圖參數(shù)矩陣；A∈Fm×n，表示尺寸約束矩陣；B∈Fs×t，表示幾何約束矩陣；D∈Fm×t，表示常數(shù)矩陣。A+和B+表示矩陣A和B的Moore-penrose廣義逆矩陣，矩陣方程AXB=D有唯一解的充分必要條件是：

AA+DB+B=D

(2)

且

(3)

其具體求解過程可參見文獻(xiàn)[7]。如果尺寸約束矩陣A和幾何約束矩陣B均為非奇異矩陣即|A|≠0且|B|≠0，就可以滿足上述條件使得方程組存在唯一解，因此繪制的草圖模型必須為全約束模型。

2.4 特征曲面拼接

通過在特征曲面上對草圖進(jìn)行約束和定位，根據(jù)實際需求，可以運用CATIA航空鈑金設(shè)計中的功能來生成保持固有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變的曲面鈑金特征。與特征曲面抽取一樣，將帶有曲面鈑金特征的彎邊曲面抽取出來形成一個與特征曲面貼合在一起的曲面塊。曲面塊包含新的表示產(chǎn)品設(shè)計意圖的特征信息，需要通過布爾運算去除掉特征曲面上與它重疊的部分，并在此基礎(chǔ)上將曲面塊與特征曲面拼接在一起，保證整個特征曲面的曲率連續(xù)性。

特征曲面拼接是整個實體建模的重要研究內(nèi)容，特征曲面往往無法由一張曲面進(jìn)行完整描述，而是由多張?zhí)卣髑娼M成，從而保證了曲面鈑金特征之間的相互獨立性。最后，將拼接好的特征曲面增加厚度即可獲得理想的曲面鈑金零件。

3三維參數(shù)化設(shè)計

在知識工程的基礎(chǔ)上，通過對特征知識的表示、利用和獲取能夠在一定程度上實現(xiàn)三維參數(shù)化設(shè)計的快速更改，且更改后的設(shè)計知識仍具有繼承性，此外，還能實時地監(jiān)督設(shè)計過程，檢驗是否符合要求，并提出適當(dāng)?shù)慕ㄗh。

在圖3所示的三維參數(shù)化設(shè)計內(nèi)部關(guān)聯(lián)中，曲面鈑金特征實體模型中包含著特征尺寸參數(shù)、抽取曲面和曲面塊的內(nèi)聯(lián)參數(shù)以及曲面邊界參數(shù)等，在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計時需要創(chuàng)建與這些參數(shù)形成一一映射的參數(shù)，并且根據(jù)設(shè)計要求將這些參數(shù)用公式關(guān)聯(lián)起來，形成關(guān)系式。

圖3 三維參數(shù)化設(shè)計內(nèi)部關(guān)聯(lián)

此外，根據(jù)實際的設(shè)計需求，可以通過建立規(guī)則，關(guān)聯(lián)設(shè)計表和創(chuàng)建VB腳本等來完成相應(yīng)的特征驅(qū)動。最后，利用CATIA的檢查機制，來設(shè)定特征參數(shù)的分布范圍，通過彈出警告窗口來對曲面鈑金特征的所有參數(shù)進(jìn)行工程性約束，從而實現(xiàn)人機對話。

4 特征發(fā)布

在曲面鈑金零件特征的實體建模和三維參數(shù)化設(shè)計過程中，通過對特征定位基準(zhǔn)的反復(fù)篩選，可以確定出特征的最優(yōu)化方案。在最終的特征發(fā)布時，根據(jù)特征的兼容性和集成度以及草圖的可修改性來確定特征的發(fā)布類型。發(fā)布類型的特點如下：

1) 超級副本的兼容性很強，可以在CATIA的所有模塊中復(fù)現(xiàn)，當(dāng)被調(diào)用的時候，其整個建模過程都將在文檔樹中顯示出來，便于用戶熟悉其具體的實現(xiàn)過程。更為重要的是，超級副本發(fā)布的特征可以修改草圖，靈活性比較高。

2) 用戶自定義特征不能應(yīng)用于CATIA的所有鈑金模塊，而且對用戶的建模要求比較高，特征相互之間的關(guān)聯(lián)及約束都需要比較完善，即用超級副本能夠發(fā)布的特征常常會在用戶自定義特征中不能實現(xiàn)，而且用戶自定義特征發(fā)布的特征草圖已經(jīng)被封裝，相當(dāng)于CATIA自帶的任何特征，集成度很高。

5 應(yīng)用實例

本實例以知識工程(knowledge based engineering , KBE[8])為基礎(chǔ)，在CATIA零件設(shè)計模塊、創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊和航空鈑金設(shè)計模塊的環(huán)境下，實現(xiàn)面向曲面的加強槽特征設(shè)計。

5.1 實體建模

由于CATIA航空鈑金設(shè)計模塊中的所有功能的使用都要求鈑金母板(WEB)是從自身模塊中產(chǎn)生的，而面向復(fù)雜曲面的鈑金零件通常不能夠在該模塊內(nèi)形成，給設(shè)計人員帶來了極大的不便。為了解決航空鈑金設(shè)計模塊與其他非鈑金模塊不兼容的問題，需要以創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊中產(chǎn)生的曲面為橋梁，既要維持曲面加強槽特征的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會改變，又要保證整個建模過程高效簡化且通用性高，圖4所示為曲面加強槽的實體建模。

圖4 實體建模

5.2 三維參數(shù)化設(shè)計

通過自定義變量值的范圍，組成特征元素之間的依附關(guān)系來實現(xiàn)特征驅(qū)動，有效地增強了三維參數(shù)化設(shè)計的可靠性，極大地方便了曲面特征的修正和改良，從而使產(chǎn)品設(shè)計更加智能化，圖5所示為曲面加強槽的三維參數(shù)化設(shè)計。

圖5 三維參數(shù)化設(shè)計

5.3 特征發(fā)布

特征在發(fā)布時除了要將實體建模的過程發(fā)布以外，還需要將三維參數(shù)化設(shè)計中新創(chuàng)建的參數(shù)、關(guān)系式、規(guī)則以及檢查發(fā)布出來。在特征定位基準(zhǔn)的選擇上，可以通過調(diào)整建模過程的先后順序來實現(xiàn)，如圖6所示為曲面加強槽通過超級副本來進(jìn)行特征發(fā)布。

圖6 特征發(fā)布

6 結(jié)語

保證特征的固有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變對于曲面鈑金零件在實際中的應(yīng)用具有重要的研究與應(yīng)用意義。本文在分析當(dāng)前曲面鈑金特征實體建模的基礎(chǔ)上，根據(jù)曲面與實體的一致性對應(yīng)關(guān)聯(lián)，利用CATIA航空鈑金設(shè)計模塊中的典型功能，提出了基于特征的曲面鈑金零件三維參數(shù)化造型方法，既保證了鈑金特征的整體準(zhǔn)確性，又實現(xiàn)了對設(shè)計知識的完整表示，為復(fù)雜曲面鈑金零件在建模方面做了有益的探索。

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Research on Feature-based 3D Parameterized Modeling of Curved Face Plate Work Piece

LI Xin, ZHAI Jian-jun，HUANG Xiang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016, China)

In order to guarantee the data information of typical feature of curved face plate work piece against change with different curvature ,this paper proposes a technology of researching on feature-based 3D parameterized modeling of curved face plate work piece through program drive. It also analyzes the modeling requirements of the basic model of complex curved face plate work piece under the demands of 3D parameterized modeling and on the basis of the summary of the whole frame of modeling method, presents the concrete realization method of solid modeling and 3D parameterized design. A strengthen slot design is shown and the accuracy and applicability of this methed is proved at the end of this paper.

complex curved face; solid modeling; parameter design; strengthen slots

李鑫(1986-)，男，新疆塔城人，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造。

TH12；TG38

B

1671-5276(2014)02-0024-03

2012-12-18