基于樣板測(cè)繪建立數(shù)模方法的研究

姜楠 ?？〕?/p>

摘 要：目前，許多飛機(jī)制造公司都還在生產(chǎn)著大量的上世紀(jì)八九十年代設(shè)計(jì)的飛機(jī)，這些飛機(jī)的產(chǎn)品和工裝制造依據(jù)均為模線樣板。模線樣板技術(shù)的落后性嚴(yán)重制約了飛機(jī)零件的制造效率，將此類工裝的制造依據(jù)由模線樣板轉(zhuǎn)化為CAD信息成為解決生產(chǎn)瓶頸的有效手段之一。工裝的精度和加工周期直接影響著飛機(jī)的質(zhì)量和交付周期，所以工裝制造是飛機(jī)制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)。飛機(jī)工裝具有單件或小批量生產(chǎn)、零件形狀和加工過(guò)程復(fù)雜、加工周期長(zhǎng)、加工精度高、零件需要反復(fù)修配調(diào)整等突出特點(diǎn)。該文提出了樣板測(cè)繪建模的原則及一般方法，為樣板轉(zhuǎn)化為CAD信息提供了借鑒。

關(guān)鍵詞：樣板 CAD信息 測(cè)繪 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：P232 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（a）-0076-01

1 模線樣板制造法和CAD/CAM制造

1.1 模線樣板法制造工裝的過(guò)程

工裝制造過(guò)程中涉及使用的樣板主要有外形樣板、展開樣板、切面樣板。

⑴外形樣板：表達(dá)零件結(jié)構(gòu)平面的形狀。對(duì)于零件無(wú)彎邊部分，樣板外緣取零件的外廓形狀。

⑵展開樣板：展開樣板用來(lái)表達(dá)有彎邊的平面零件或單曲面零件展平后的準(zhǔn)確形狀。其尺寸和形狀一般按計(jì)算方法得出，故有時(shí)需經(jīng)工藝校正，以消除工藝因素的影響。

⑶切面樣板：切面樣板是用于表示雙曲度鈑金件縱、橫切面外形的樣板。切面樣板又分為下列四種：切面外形樣板、反切面外形樣板、切面內(nèi)形樣板、反切面內(nèi)形樣板。

傳統(tǒng)的以樣板為依據(jù)制造工裝，首先要根據(jù)飛機(jī)理論外形切面列表數(shù)據(jù)，手工繪制理論模線和結(jié)構(gòu)模線，然后曬印出模線圖板，按模線圖板人工銼修加工樣板，再按零件樣板和夾具樣板制造零件工裝和裝配工裝。

1.2 采用CAD/CAM制造工裝的過(guò)程

隨著電子計(jì)算機(jī)和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)理論外形（包括部分結(jié)構(gòu)形狀）的數(shù)學(xué)模型成為飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造整個(gè)環(huán)節(jié)的統(tǒng)一依據(jù)。數(shù)模和圖紙成為飛機(jī)工裝制造依據(jù)。

采用數(shù)字模型技術(shù)制造工藝裝備，可廢除一部分過(guò)渡工藝裝備，各類工藝裝備可以高度并行制造，互換性強(qiáng)，同時(shí)也能保證良好的精度協(xié)調(diào)，可使用數(shù)控加工，加工周期大大縮短，同時(shí)CAD/CAM制造以電子數(shù)據(jù)為依據(jù)，具有制造基準(zhǔn)不可變的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 樣板制造工裝轉(zhuǎn)化為CAD/CAM制造的必要性

飛機(jī)工藝裝備的特點(diǎn)是數(shù)量大，品種多，外形復(fù)雜，協(xié)調(diào)要求高。制造一架直升機(jī)的工藝裝備品種包括：樣板、標(biāo)準(zhǔn)樣件、主體胎模、各類鈑金成型模，機(jī)加夾具、裝配型架等等。它們大多都有氣動(dòng)外形要求，而且各相關(guān)的工藝裝備之間，有著嚴(yán)格的協(xié)調(diào)關(guān)系。

相對(duì)于CAD/CAM制造，目前使用樣板制造具有非常大的局限性。

（1）由于時(shí)間較長(zhǎng)，很多樣板出現(xiàn)圖面不清晰、變形嚴(yán)重等問題，嚴(yán)重阻礙生產(chǎn)。

（2）使用樣件制造工裝周期長(zhǎng)，無(wú)法滿足目前飛機(jī)制造周期的要求。

（3）樣板可傳遞性差，制造離散性大，每次制造或修理都需要工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修挫，特別是在樣板變形之后，而CAD/CAM數(shù)據(jù)可以保證制造基準(zhǔn)的唯一性，同時(shí)通過(guò)數(shù)控設(shè)備控制加工質(zhì)量，可保證制造和修理的準(zhǔn)確性。

（4）依據(jù)樣板制造工裝一旦發(fā)現(xiàn)工裝有問題，查找問題根源時(shí)首先需要看樣板是否正確，這樣就得查看樣板圖，對(duì)照?qǐng)D紙查模線，這樣整個(gè)流程可追溯性比較差，而CAD/CAM方法可直接查看數(shù)模信息查找問題根源。

（5）由于技術(shù)人才的斷層，出現(xiàn)模線樣板加工方法傳承的斷檔，很多年輕的技術(shù)人員沒有解決實(shí)際問題的經(jīng)驗(yàn)，遇到依據(jù)模線樣板新制或返修工裝時(shí)，解決問題的方法不當(dāng)且周期較長(zhǎng)。采用樣板測(cè)繪技術(shù)將制造依據(jù)數(shù)字化是適應(yīng)航空工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)和要求。

2 測(cè)繪方法

目前對(duì)樣板進(jìn)行測(cè)繪的方法主要有三種，手工測(cè)量法、三坐標(biāo)數(shù)控銑床測(cè)量法和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量法。

（1）手工測(cè)量法。

常用工具卡尺、直角尺、R尺、鋼板尺。首先將直角邊或者樣板上的基準(zhǔn)定為測(cè)量基準(zhǔn)（具體視工裝的實(shí)際情況而定），配合使用測(cè)量工具，進(jìn)行尺寸測(cè)量。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：缺點(diǎn)是方法較為原始落后，測(cè)量誤差較大，加大了裝配鉗工后續(xù)修拋裝配工作量，效率較低；優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于變形的在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上無(wú)法測(cè)量的樣板更加實(shí)用。

（2）三坐標(biāo)數(shù)控銑床測(cè)量法。

由工藝人員制定樣板需測(cè)量部位，視實(shí)際情況選擇測(cè)量機(jī)床。操作人員先擺放方向，然后將樣板墊起一定高度（因?yàn)闃影遢^薄，而測(cè)頭一般選Q6，所以樣板墊起高度至少在5mm以上）用壓板裝夾好。以樣板上的基準(zhǔn)線為測(cè)量基準(zhǔn)，采用手搖的方式控制測(cè)頭的移動(dòng)，一般會(huì)將所需測(cè)量輪廓分為5mm一段，取測(cè)量點(diǎn)。操作人員記下測(cè)量的X、Y值，反饋給工藝人員，工藝人員在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，要進(jìn)行半徑補(bǔ)償才能得到真實(shí)的論據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

優(yōu)缺點(diǎn)分析：因手動(dòng)取值，測(cè)量結(jié)果受主觀因素影響較大，有時(shí)需要多次測(cè)量才能得到有效的樣板外形數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量值相對(duì)穩(wěn)定可信。

（3）三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量法。

將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，根據(jù)測(cè)量任務(wù)采集被測(cè)對(duì)象的若干點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值，由這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，通過(guò)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出被測(cè)物體的幾何尺寸、形狀或幾何要素的空間位置。

基于模線樣板法的特性，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在樣板的測(cè)繪中較為常用。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采集數(shù)據(jù)的方式是觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法，當(dāng)測(cè)頭的探針接觸到樣板外廓時(shí)，由于探針尖受力變形觸發(fā)采樣中的開關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針尖（測(cè)球中心點(diǎn)）的當(dāng)時(shí)坐標(biāo)，逐點(diǎn)移動(dòng)，就能采集到樣板輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

通過(guò)利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，探測(cè)所要實(shí)現(xiàn)逆向工程設(shè)計(jì)的零件表面，利用專業(yè)軟件對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成該零件直觀的圖形化表示，進(jìn)行有關(guān)設(shè)計(jì)。這樣，可大大縮短了獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的調(diào)整和評(píng)估時(shí)間，非常適合對(duì)樣板進(jìn)行測(cè)繪。

3 數(shù)據(jù)處理步驟

（1）選擇點(diǎn)位。

（2）擬合樣條曲線。

（3）測(cè)量曲面曲率變化點(diǎn)處的坐標(biāo)值。

（4）將曲率變化處點(diǎn)坐標(biāo)與三坐標(biāo)測(cè)得的曲線擬合。

（5）樣條曲線的驗(yàn)證。

（6）結(jié)合模線樣板信息與測(cè)繪樣板后得到的樣條曲線建立設(shè)計(jì)所需要的外形。

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