飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

陳樹(shù)林，杜寶瑞，田世明，方立輝，白玉珍

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽(yáng) 100850）

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)各航空制造企業(yè)的飛機(jī)制造體系已從模擬量協(xié)調(diào)全面轉(zhuǎn)換為數(shù)字量協(xié)調(diào)，工裝、樣板數(shù)量得到顯著減少。但是，與之相關(guān)的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)發(fā)展相對(duì)緩慢，在新機(jī)研制及小批量生產(chǎn)過(guò)程中難以保證有序生產(chǎn)，再加上樣板使用簡(jiǎn)便，因此，目前在大型整體結(jié)構(gòu)件的檢驗(yàn)、機(jī)加零件的常規(guī)加工、鈑金零件下料及檢驗(yàn)、化銑加工等飛機(jī)制造過(guò)程中仍然大量使用樣板，各型飛機(jī)使用的樣板數(shù)量均達(dá)到數(shù)萬(wàn)項(xiàng)。而這些樣板的設(shè)計(jì)仍然依靠人工在通用的CAD/CAM平臺(tái)上進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)，重復(fù)工作量大、效率低，規(guī)范性不足，主要體現(xiàn)為：1）大型結(jié)構(gòu)件外形檢驗(yàn)樣板設(shè)計(jì)：每型飛機(jī)約數(shù)百項(xiàng)，在筋條端頭、下陷等位置需要交互構(gòu)建上千個(gè)視口（如圖1(a)所示），過(guò)程繁瑣，并且視口形式單一，重復(fù)工作量大，每塊樣板設(shè)計(jì)周期1～2天；2）鈑金樣板設(shè)計(jì)：每型飛機(jī)約上萬(wàn)項(xiàng)，包括展開(kāi)樣板及外形樣板，彎邊高度和角度計(jì)算過(guò)程繁瑣、尺寸標(biāo)注較多，效率低下，如圖1(b)所示；3）樣板補(bǔ)加：為了在小零件樣板上添加工藝信息、加強(qiáng)樣板強(qiáng)度等，80%~90%的樣板（數(shù)萬(wàn)項(xiàng)）需要補(bǔ)加，如圖1(c)所示，數(shù)量大，工作量大。上述問(wèn)題影響了飛機(jī)制造生產(chǎn)準(zhǔn)備進(jìn)程，已經(jīng)成為制約新機(jī)快速研制的瓶頸因素之一。因此，亟需面向樣板設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)研發(fā)一套支持飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)的數(shù)字化軟件系統(tǒng)，以顯著提升樣板設(shè)計(jì)效率，大幅減少設(shè)計(jì)員的重復(fù)工作量。

圖1 常見(jiàn)樣板設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外的研究大多集中在飛機(jī)樣板數(shù)字化設(shè)計(jì)制造工藝方面，而在樣板快速設(shè)計(jì)方面僅有局部探索，例如，劉寶明[1]等在樣板圖形優(yōu)化處理方面做了一些工作，在AutoCAD平臺(tái)下研發(fā)了快速去除樣板重線、處理大圓弧、連接短線、處理碎線等功能，實(shí)現(xiàn)了樣板激光切割編程前置優(yōu)化處理的自動(dòng)化，但尚未形成全面解決樣板設(shè)計(jì)效率低、重復(fù)工作量大等問(wèn)題的數(shù)字化系統(tǒng)。為此，本文提出構(gòu)建一套“飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)”架構(gòu)，以CATIA為應(yīng)用平臺(tái)，綜合樣板設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，突破復(fù)雜視口識(shí)別、鈑金彎邊特征識(shí)別、參數(shù)化樣板補(bǔ)加設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)樣板的快速設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，建立“飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)”架構(gòu)，該系統(tǒng)以CATIA系統(tǒng)為應(yīng)用平臺(tái)，以CAA V5為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在樣板設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件外形樣板、鈑金外形及展開(kāi)樣板設(shè)計(jì)、樣板補(bǔ)加等快速設(shè)計(jì)。其中：

圖2 飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)

1）應(yīng)用平臺(tái)：國(guó)內(nèi)飛機(jī)制造企業(yè)均在CATIA平臺(tái)上進(jìn)行產(chǎn)品的三維模型設(shè)計(jì)，為了保證樣板的制造精度，樣板設(shè)計(jì)過(guò)程是在同一平臺(tái)下，基于產(chǎn)品三維模型進(jìn)行投影、視口創(chuàng)建、彎邊標(biāo)注、補(bǔ)加設(shè)計(jì)等工作，因此本系統(tǒng)也以CATIA系統(tǒng)為應(yīng)用平臺(tái)。

2）開(kāi)發(fā)平臺(tái)：以CAA V5作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它是CATIA系統(tǒng)的高級(jí)二次開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)快速應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境RADE（Rapid Application Development Environment）和API接口來(lái)實(shí)現(xiàn)CATIA二次開(kāi)發(fā)，其中RADE是一個(gè)可視化的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供完整的編程工具組，以Microsoft Visual Studio VC++為載體，在VC++環(huán)境中內(nèi)置CAA開(kāi)發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)程序的編譯、調(diào)試及運(yùn)行。

3）支撐數(shù)據(jù)：樣板設(shè)計(jì)過(guò)程涉及較多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以設(shè)計(jì)知識(shí)的形式統(tǒng)一作為樣板快速設(shè)計(jì)的支持?jǐn)?shù)據(jù)，存儲(chǔ)在專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的規(guī)范化、定制化，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)過(guò)程的靈活性。

4）功能模塊：在設(shè)計(jì)知識(shí)的基礎(chǔ)上，分別構(gòu)建三個(gè)模塊，包括大型結(jié)構(gòu)件外形樣板快速設(shè)計(jì)模塊、鈑金外形及展開(kāi)樣板快速設(shè)計(jì)模塊、樣板補(bǔ)加快速設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)樣板的快速 設(shè)計(jì)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于主元的視口識(shí)別與構(gòu)建技術(shù)

視口構(gòu)建是大型結(jié)構(gòu)件外形樣板快速設(shè)計(jì)的主要工作，也是核心技術(shù)難點(diǎn)，需要人工識(shí)別視口主元、確定斷點(diǎn)位置、添加視口輔助元素等，過(guò)程繁瑣，重復(fù)工作量大。大型結(jié)構(gòu)件外形樣板設(shè)計(jì)涉及的典型視口有四類(lèi)，分別為單視口、串視口、閉視口及并視口，如圖3所示，其中單視口由單一主元，兩側(cè)邊界元素（簡(jiǎn)稱(chēng)界元），以及在斷點(diǎn)處的輔助元素（簡(jiǎn)稱(chēng)輔元）所構(gòu)成，常用于檢驗(yàn)筋端尺寸，如圖3(a)所示；串視口由多個(gè)主元，兩側(cè)界元及輔元構(gòu)成，相當(dāng)于多個(gè)單視口的串聯(lián)，用于檢驗(yàn)距離較近的多個(gè)筋端尺寸，如圖3(b)所示；閉視口由若干單視口串聯(lián)而成并且形成一個(gè)自封閉的視口，如圖3(c)所示；并視口由多個(gè)單視口或串視口并聯(lián)而成，既用于筋端尺寸檢驗(yàn)又用于下陷特征尺寸檢驗(yàn)，分三種類(lèi)型，如圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)所示。

圖3 典型視口

為實(shí)現(xiàn)上述視口的自動(dòng)設(shè)計(jì)，提出基于主元的視口識(shí)別與構(gòu)建技術(shù)，有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：1）主元識(shí)別：以單個(gè)視口位置或投影圖形的一部分作為輸入，根據(jù)曲線凹凸性、長(zhǎng)度及相鄰曲線連接關(guān)系自動(dòng)識(shí)別視口主元；2）主元分組：以最接近切連續(xù)的方式對(duì)每個(gè)視口主元進(jìn)行邊界拓展，先進(jìn)行串聯(lián)，判斷是否封閉，然后再進(jìn)行并聯(lián)，形成單視口、串視口、閉視口及并視口主元，并進(jìn)行分組；3）視口構(gòu)建：根據(jù)視口的類(lèi)型及主元，再次進(jìn)行邊界拓展，依據(jù)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中定義的界元長(zhǎng)度提取界元，并進(jìn)行斷線操作，形成最終視口。

2.2 基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識(shí)別技術(shù)

鈑金外形及展開(kāi)樣板快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是鈑金彎邊特征的識(shí)別，通過(guò)識(shí)別鈑金彎邊特征才能準(zhǔn)確構(gòu)建相應(yīng)的截面、計(jì)算彎邊特征的高度及角度，為后續(xù)鈑金樣板的尺寸標(biāo)注提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如圖4所示，彎邊特征是由彎邊圓角及彎邊面組合而成，一個(gè)鈑金零件可能包含多個(gè)彎邊特征。

圖4 彎邊特征

為實(shí)現(xiàn)上述鈑金樣板快速設(shè)計(jì)，提出基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識(shí)別技術(shù)，主要步驟如下：1）凹凸邊識(shí)別：交互選取鈑金零件的腹板面，提取腹板面的拓?fù)溥吋案拱迕娴墓策呹P(guān)聯(lián)面，在公共邊中點(diǎn)處垂直于公共邊創(chuàng)建平面與腹板面及其共邊關(guān)聯(lián)面相交，如表1所示，根據(jù)矢量夾角對(duì)該邊中點(diǎn)的凹凸性進(jìn)行判別，包括六種情況，然后由點(diǎn)的凹凸性，確定其所在拓?fù)溥叺念?lèi)型，包括凸邊、凹邊、平凸切邊、平凹切邊、凹凸切邊及平切邊；2）彎邊圓角識(shí)別：提取平凸切邊的共邊關(guān)聯(lián)面，識(shí)別為彎邊圓角面；3）圓角面成組：將腹板面關(guān)聯(lián)的彎邊圓角面進(jìn)行分組，原則是當(dāng)一個(gè)圓角面與另一個(gè)圓角面存在公共邊，則這兩個(gè)面屬于同組；4）彎邊面識(shí)別：提取彎邊圓角面組的最外環(huán)，去除腹板面的拓?fù)溥吋巴惯叄Ｓ噙吘€關(guān)聯(lián)的拓?fù)涿婕礊閺澾吤妫?）彎邊特征構(gòu)建：將圓角面組與其關(guān)聯(lián)的彎邊面進(jìn)行合并構(gòu)成彎邊特征。

表1 凹凸點(diǎn)

2.3 基于關(guān)鍵點(diǎn)的樣板快速補(bǔ)加技術(shù)

樣板補(bǔ)加設(shè)計(jì)主要涉及補(bǔ)加投影點(diǎn)及補(bǔ)加邊的構(gòu)建，如圖5所示，為此，提出基于關(guān)鍵點(diǎn)的補(bǔ)加快速構(gòu)建技術(shù)，主要步驟為：1）關(guān)鍵點(diǎn)確定：在小樣板臨近的空白區(qū)域交互點(diǎn)擊兩點(diǎn)，認(rèn)為是關(guān)鍵點(diǎn)，如圖5的P1，P2所示；2）投影點(diǎn)構(gòu)建：以關(guān)鍵點(diǎn)為基準(zhǔn)，往樣板邊界進(jìn)行投影，拾取距離最小并且屬于投影邊內(nèi)點(diǎn)的投影點(diǎn)，認(rèn)定為投影點(diǎn)，如圖5的P1'，P2'所示；3）補(bǔ)加邊提?。河脙蓚€(gè)投影點(diǎn)裁減小樣板的邊界，并提取臨近關(guān)鍵點(diǎn)的部分作為補(bǔ)加邊，如圖5的P1'P2'所示；4）補(bǔ)加構(gòu)建：以補(bǔ)加邊為基準(zhǔn)，依次連接P1’，P1，P2，P2'，再在P1，P2處倒圓角，添加工藝掛孔，并在P1，P2打斷，完成小樣板的補(bǔ)加構(gòu)建。

圖5 小樣板補(bǔ)加說(shuō)明

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

以CAA V5為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合樣板設(shè)計(jì)知識(shí)，開(kāi)發(fā)了“飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，包括大型結(jié)構(gòu)件外形樣板快速設(shè)計(jì)、鈑金外形及展開(kāi)樣板快速設(shè)計(jì)、小樣板補(bǔ)加快速設(shè)計(jì)及知識(shí)庫(kù)四大模塊，形成了六項(xiàng)工具，其中：

3.1 大型結(jié)構(gòu)件外形樣板快速設(shè)計(jì)

該模塊包含圖形預(yù)處理、簡(jiǎn)單視口、聯(lián)合視口3項(xiàng)工具，分別為：1）圖形預(yù)處理工具，在給定精度的前提下對(duì)細(xì)碎線段擬合為直線或圓弧，如圖6所示；2）簡(jiǎn)單視口工具，可實(shí)現(xiàn)對(duì)單視口的快速設(shè)計(jì)，包括單線視口、雙線視口、三線視口及圓弧視口四種類(lèi)型，通過(guò)點(diǎn)擊視口主元即可自動(dòng)構(gòu)建選定類(lèi)型的視口，如圖7所示；3）并視口工具：可實(shí)現(xiàn)對(duì)并視口的快速設(shè)計(jì)，包括并視口I、并視口II及并視口III，通過(guò)點(diǎn)擊并視口的兩個(gè)主元即可實(shí)現(xiàn)視口自動(dòng)設(shè)計(jì)，如圖8所示。另外，該模塊還支持框選主元，實(shí)現(xiàn)視口的批量化、快速化構(gòu)建。

圖6 圖形預(yù)處理

圖7 簡(jiǎn)單視口

圖8 并視口

3.2 鈑金外形、展開(kāi)樣板快速設(shè)計(jì)

該模塊包含彎邊數(shù)據(jù)構(gòu)建與彎邊標(biāo)注兩項(xiàng)工具，分別為：1）彎邊參數(shù)自動(dòng)計(jì)算：交互選定腹板面，設(shè)定角度步距、延伸長(zhǎng)度等參數(shù)后，即可自動(dòng)構(gòu)建彎邊的外形交線，在關(guān)鍵位置創(chuàng)建截面、計(jì)算彎邊角度線并計(jì)算彎邊高度及角度，如圖9所示，并將結(jié)果保存在PPR結(jié)構(gòu)中；2）彎邊參數(shù)快速標(biāo)注：自動(dòng)將三維模型與工程投影圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，識(shí)別出需標(biāo)注參數(shù)的部位，并將存儲(chǔ)在PPR結(jié)構(gòu)樹(shù)上的彎邊參數(shù)在識(shí)別的部位自動(dòng)優(yōu)化標(biāo)注，使得標(biāo)注的參數(shù)可視化程度高，如圖10所示。尤其對(duì)于彎邊角度變化復(fù)雜的鈑金零件，能夠大幅減少操作時(shí)間，降低操作強(qiáng)度，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖9 彎邊參數(shù)自動(dòng)計(jì)算

圖10 彎邊自動(dòng)標(biāo)注結(jié)果

3.3 樣板快速補(bǔ)加

該模塊包含快速補(bǔ)加1個(gè)工具，能夠快速處理標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)加、狹長(zhǎng)補(bǔ)加、銷(xiāo)釘補(bǔ)加、狹長(zhǎng)視口四類(lèi)典型補(bǔ)加，只需點(diǎn)擊1~2次關(guān)鍵點(diǎn)即可完成，如圖11所示，選定要補(bǔ)加的類(lèi)型后，在樣板需要添加補(bǔ)加位置的外側(cè)點(diǎn)擊兩次鼠標(biāo)，即可自動(dòng)生成樣板的補(bǔ)加。

圖11 典型補(bǔ)加

3.4 樣板設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)

鑒于個(gè)人偏好、特殊情況、后續(xù)更改等諸多因素，系統(tǒng)對(duì)于所應(yīng)用的技術(shù)參數(shù)均給出明確的解釋?zhuān)黜?xiàng)快速設(shè)計(jì)工具分別有對(duì)應(yīng)的知識(shí)庫(kù)（例如，單視口設(shè)計(jì)知識(shí)如表2所示），使得設(shè)計(jì)員可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行定制，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)化的樣板快速設(shè)計(jì)。

表2 單視口設(shè)計(jì)知識(shí)

3.5 應(yīng)用驗(yàn)證

2014年，該系統(tǒng)在沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司制造數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了有效推廣，在多個(gè)新機(jī)研制中實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。截至2014年底，應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行樣板快速設(shè)計(jì)的零件數(shù)為2646項(xiàng)，平均縮短設(shè)計(jì)時(shí)間65%~80%。其中，大型結(jié)構(gòu)件外形樣板設(shè)計(jì)應(yīng)用零件117項(xiàng)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間70%；復(fù)雜鈑金件外形樣板及展開(kāi)樣板應(yīng)用零件271項(xiàng)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間50%~80%；樣板補(bǔ)加應(yīng)用零件2312項(xiàng)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間50%；各工具應(yīng)用零件均超百項(xiàng)，經(jīng)應(yīng)用證實(shí)其可靠性好，適應(yīng)能力強(qiáng)。從應(yīng)用情況看，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，從總體上可提高樣板設(shè)計(jì)效率。

1）大型結(jié)構(gòu)件外形樣板設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)某大型結(jié)構(gòu)件樣板（如圖12(a)所示），其特征為碎線多，曲線扭曲復(fù)雜。采用快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)與傳統(tǒng)交互式設(shè)計(jì)相似樣板的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。設(shè)計(jì)時(shí)間、工作量變化及最終設(shè)計(jì)結(jié)果如表3及圖12(b)所示。

圖12 某框類(lèi)零件外形樣板快速設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

表3 某大型結(jié)構(gòu)件樣板快速設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)對(duì)比

2）鈑金外形、展開(kāi)樣板應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)某復(fù)雜鈑金零件如圖13(a)所示，其特點(diǎn)是彎邊缺口多，彎邊角度變化劇烈。采用快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)與傳統(tǒng)交互式設(shè)計(jì)方式進(jìn)行比較，節(jié)省時(shí)間及最終設(shè)計(jì)結(jié)果如表4及圖13(b)所示。

表4 某鈑金零件外形及展開(kāi)樣板快速設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)對(duì)比

圖13 某框類(lèi)零件外形樣板快速設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

3）樣板補(bǔ)加應(yīng)用實(shí)例

選取四個(gè)小型零件樣板（如圖14(a)所示），需要添加標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)加，傳統(tǒng)采用復(fù)制黏貼的方式可適當(dāng)提高工作效率，但與快速設(shè)計(jì)方式相比較，仍然有較大差距。應(yīng)用情況及結(jié)果如表5與圖14(b)所示。

圖14 零件樣板應(yīng)用實(shí)例

表5 樣板補(bǔ)加快速設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)對(duì)比

4 結(jié)論

作為飛機(jī)零件制造及檢驗(yàn)常用工具的樣板，其設(shè)計(jì)效率在飛機(jī)零件生產(chǎn)中具有重要作用。本文研究了飛機(jī)樣板快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵方法，將專(zhuān)家設(shè)計(jì)知識(shí)與CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行深度融合，大幅減少設(shè)計(jì)時(shí)間的同時(shí)顯著降低設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)樣板設(shè)計(jì)的快速化。根據(jù)應(yīng)用情況，得出如下結(jié)論：1）該系統(tǒng)能夠解決制約飛機(jī)樣板設(shè)計(jì)效率的瓶頸問(wèn)題，為新機(jī)研制縮短樣板設(shè)計(jì)周期；2）實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)化、快速化的設(shè)計(jì)思路，可以大幅度減少設(shè)計(jì)員的重復(fù)工作量；3）有效融合了專(zhuān)家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，有助于設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果實(shí)現(xiàn)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化。

[1] 劉寶明,韓志仁.基于AutoCAD二次開(kāi)發(fā)的樣板零件圖自動(dòng)優(yōu)化處理軟件設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化2011,9(33)：16-17.

[2] 石晶.MBD技術(shù)下框類(lèi)零件鉆孔樣板的設(shè)計(jì)方法[J].裝備制造技術(shù).2014,9：78-80.

[3] 郝博,李亞南.基于CATIA二次開(kāi)發(fā)的鈑金零件檢測(cè)規(guī)劃技術(shù)[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2013,35(11)：10-14.

[4] 于芳芳,鄭國(guó)磊,陳樹(shù)林,杜寶瑞,初宏震.飛機(jī)整體壁板智能數(shù)控編程系統(tǒng)[J].航空制造技術(shù).2008.23：83-88.

[5] 甘忠,王亮,譚海兵,黃官平.大型立體化銑樣板設(shè)計(jì)與制造方法探索[J].航空制造技術(shù).2013.17：78-88.