飛機復(fù)合材料構(gòu)件超聲C掃描檢測軌跡規(guī)劃系統(tǒng)研究

黃光勝，王美清，杜福洲，關(guān)雪松，趙玉瑩

（1.北京航空航天大學(xué) 機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191；2.哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150066）

0 引言

復(fù)合材料與金屬材料相比具有比重小、比強度高，比模量大等優(yōu)點，其在航空制造業(yè)中的應(yīng)用日漸增多，如美國波音787“夢想”飛機的復(fù)合材料用量達到50%，飛機的主要構(gòu)件如水平尾翼、地板梁、整流罩、機艙門等都采用了復(fù)合材料[1]。然而，復(fù)合材料構(gòu)件（簡稱復(fù)材構(gòu)件）生產(chǎn)工藝的特點決定了其不可避免會產(chǎn)生分層、氣泡、脫膠、夾雜等缺陷。但是，這些缺陷在復(fù)材構(gòu)件中是不被允許的，因此，需要對復(fù)材構(gòu)件進行全覆蓋無損檢測。超聲波無損檢測，尤其是超聲C掃描，由于顯示直觀、檢測速度快，已成為航空件等大型復(fù)材構(gòu)件普遍采用的超聲檢測技術(shù)[2]。為了提高復(fù)材構(gòu)件無損檢測的效率，國內(nèi)的航空企業(yè)紛紛從國外采購了先進的超聲C掃描設(shè)備[3]。這些先進設(shè)備除提供“示教”功能外，大多還支持APT（Automatically Programmed Tool）格式軌跡文件驅(qū)動的自動檢測，這為實現(xiàn)復(fù)材構(gòu)件的設(shè)計、制造、檢測一體化提供了可能。其中，模型驅(qū)動的檢測軌跡規(guī)劃問題是關(guān)鍵。

針對超聲檢測路徑規(guī)劃問題，吳思源等針對CAD模型未知曲面工件的超聲檢測路徑規(guī)劃問題展開研究，首先利用超聲測距方法重構(gòu)了曲面工件模型，然后采用非等參數(shù)法或曲面分塊法對重構(gòu)的曲面模型進行掃描路徑規(guī)劃，這些規(guī)劃算法都是針對一個完整的曲面來進行掃描點規(guī)劃的[4,5]。李天寧對由柱形、圓錐或弧形等構(gòu)成的復(fù)雜構(gòu)件的輪廓掃描路徑規(guī)劃問題展開研究，提出了按特征分別進行輪廓軌跡規(guī)劃的方法，但所提出的方法主要針對連續(xù)完整的初等解析曲面的掃描軌跡規(guī)劃問題[6]。

然而在航空制造業(yè)中，存在著大量的曲面構(gòu)型的復(fù)材構(gòu)件，其表面是由組合曲面構(gòu)成的自由曲面，并含有若干槽和裝配孔。由于這些特點，航空企業(yè)使用的CAD/CAM軟件，如CATIA不能直接基于復(fù)材構(gòu)件的三維CAD模型生成滿足要求的掃描軌跡。企業(yè)為了生成超聲C掃描軌跡，只能對構(gòu)件的三維CAD模型進行重構(gòu)，包括構(gòu)造整合面、設(shè)定坐標系、構(gòu)建參考元素等操作，再利用CAM軟件利用加工的方法變相生成掃描軌跡。然而此過程不僅對操作人員要求高，而且效率低，已成為影響復(fù)材構(gòu)件超聲檢測效率提高的瓶頸之一。基于此，本文對復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描檢測軌跡規(guī)劃技術(shù)展開研究，提出三維模型驅(qū)動的自動化掃描路徑規(guī)劃方法，并開發(fā)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，以達到簡化操作，提高檢測效率的目的。

1 復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描軌跡規(guī)劃系統(tǒng)需求分析

復(fù)材構(gòu)件的超聲C掃描軌跡形式和特點由復(fù)材構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點、超聲C掃描無損檢測的工藝要求和檢測設(shè)備的功能特點決定。

圖1 典型復(fù)合材料構(gòu)件

典型的飛機復(fù)材構(gòu)件，其表面是由組合曲面構(gòu)成的自由曲面，并含有若干特征孔（或槽），背面有凸臺或凹槽（如圖1(a)、(b)所示）。在進行超聲C掃描檢測時，通常在光滑表面上進行掃描軌跡規(guī)劃，軌跡必須覆蓋整個構(gòu)件且路徑連續(xù)，不重復(fù)不干涉。由于超聲傳播具有很強的指向性，為保證檢測結(jié)果的準確性，在進行超聲自動檢測過程中，掃描頭的位置必須時刻與零件表面的法線方向保持較好的一致性。另外，掃描方向也會影響掃描檢測的質(zhì)量，如果掃描方向上曲率變化大，探頭頻繁擺動，探頭接收的信號會有所損失，影響檢測質(zhì)量。為了保證檢測質(zhì)量，設(shè)定掃描方向為沿著曲率變化小的方向，使掃描頭擺動幅度小，掃描過程平滑。另外，還要保證被檢測件的全覆蓋檢測，包括孔（槽）的底部和孔（槽）壁，這就要求掃描線在遇到孔（槽）時不回避，要從孔（槽）的上方經(jīng)過，以保證超聲波覆蓋了孔的內(nèi)部，確?？變?nèi)部缺陷不被遺漏。此外，為了保證對復(fù)材構(gòu)件掃描的全覆蓋，掃描軌跡一般為連續(xù)的“弓”字形往返軌跡，且邊界需要向外延伸一段距離，軌跡線的間距要滿足經(jīng)濟性和覆蓋性的要求，典型復(fù)材構(gòu)件上的掃描軌跡如圖2所示。

另外，有時受復(fù)材構(gòu)件結(jié)構(gòu)的限制，或者要滿足用戶對某局部區(qū)域進行重點掃描檢測的要求，還需要提供對構(gòu)件的局部進行掃描檢測規(guī)劃的功能。

此外，由于掃描軌跡的坐標點信息是基于工件坐標系描述的，因此，必須將坐標點信息轉(zhuǎn)換到設(shè)備坐標系下檢測設(shè)備才能正確運行。設(shè)備通過標定定位點獲取工件坐標系信息并轉(zhuǎn)換坐標系。最后，將工件坐標系下軌跡信息和定位點信息保存進APT格式文件，驅(qū)動超聲C掃描設(shè)備進行掃描檢測。

2 復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描軌跡規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計

軌跡規(guī)劃軟件系統(tǒng)應(yīng)該能滿足上述所有需求，且集成化程度高，操作簡單，與檢測工藝過程緊密結(jié)合。該系統(tǒng)應(yīng)能夠與航空企業(yè)普遍采用的CATIA系統(tǒng)緊密集成，實現(xiàn)由復(fù)材構(gòu)件的三維模型直接驅(qū)動，自動進行軌跡規(guī)劃生成滿足條件的軌跡，并導(dǎo)出可由檢測設(shè)備直接識讀的APT文件。此外，系統(tǒng)應(yīng)能對不同規(guī)格系列的復(fù)材構(gòu)件進行檢測參數(shù)模板化封裝，以簡化操作，提高掃描軌跡規(guī)劃的自動化程度。

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于上述設(shè)計思想，復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的功能模型如圖3所示。

1）建立工件坐標系。工件坐標系是軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)。通過調(diào)整工件坐標系的各軸方向和坐標原點位置，可以改變軌跡的掃描方法和起始位置。系統(tǒng)針對復(fù)材構(gòu)件多含有曲面的特點，給出兩種建立坐標系的方法：一點兩線法和三點法。由于曲面上往往沒有直線，因此三點法更適用于曲面工件坐標系的建立。具體方法是在工件上任取三個不重合的點，將其中一點作為原點，原點指向第二點的方向作為一個軸的方向，三點確定的平面的法向量作為第二軸的方向，兩個軸向量相乘得到第三軸。此外，為了提高工件坐標系設(shè)定的柔性，還需提供坐標系平移功能。

2）建立定位點。定位點是實現(xiàn)檢測設(shè)備坐標系與工件坐標系兩個空間直角坐標系轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。要實現(xiàn)兩個空間坐標系間的轉(zhuǎn)換至少需要3個定位點。檢測設(shè)備通過這3個定位點坐標值的測量值和給定值來構(gòu)建方程求出坐標轉(zhuǎn)換矩陣，進而實現(xiàn)坐標系的轉(zhuǎn)換。根據(jù)檢測工藝對定位點在位置上的要求，系統(tǒng)將要求轉(zhuǎn)化為參數(shù)。用戶在選定定位點的約束元素并輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)可自動快速生成定位點。

3）自動軌跡規(guī)劃與APT格式文件輸出。掃描軌跡規(guī)劃是系統(tǒng)的核心功能。工件坐標系指定了軌跡的掃描方向、步進方向和掃描起始位置。用戶選取所有要檢測的曲面并給出步進方向的最大值來指定掃描范圍，通過設(shè)定軌跡線間距的大小來控制掃描的精細度，根據(jù)掃描頭直徑的大小和待測件邊緣的情況設(shè)定軌跡的向外延伸數(shù)值，以保證待測件邊緣檢測質(zhì)量。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的參數(shù)自動規(guī)劃出掃描軌跡。掃描軌跡規(guī)劃完畢，可以一鍵導(dǎo)出軌跡信息和定位點信息到APT文件中，驅(qū)動超聲C掃描設(shè)備進行檢測。

4）參數(shù)模板建立與維護。在進行復(fù)材構(gòu)件的無損檢測過程中，需要根據(jù)不同的需求設(shè)定不同的參數(shù)，而對于結(jié)構(gòu)和外形相同或相似的構(gòu)件，其檢測參數(shù)通常是相同的。為了提高檢測效率，避免人為誤操作，將這些包含建立工件坐標、軌跡規(guī)劃和定位點要求等的參數(shù)封裝成參數(shù)模板，供操作人員直接調(diào)用。參數(shù)模板建立與維護提供了新建參數(shù)模板、修改參數(shù)模板和刪除參數(shù)模板等功能。

2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)過程設(shè)計

圖4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)過程模型

檢測工藝人員在接到生產(chǎn)部門發(fā)來的檢測任務(wù)后，將任務(wù)附帶的被檢測復(fù)材構(gòu)件三維CAD模型導(dǎo)入到CATIA系統(tǒng)中，并進入到超聲C掃描路徑規(guī)劃模塊中進行模型解析和路徑規(guī)劃的操作。具體業(yè)務(wù)過程如圖4所示。用戶在導(dǎo)入CAD模型進入系統(tǒng)以后，判斷當前檢驗任務(wù)的參數(shù)是否已有模板，若有，則加載模板；若無，則考慮當前檢驗任務(wù)參數(shù)是否具有代表性，是否需要創(chuàng)建模板。若需要，則先根據(jù)檢驗任務(wù)的要求創(chuàng)建參數(shù)模板，并加載模板。若不需要，則直接建立工件坐標系。建立工件坐標系需考慮掃描方向和步進方向，以及掃描的起始點。工件坐標系對后續(xù)規(guī)劃出的軌跡具有決定作用。工件坐標系建立完成后可以建立定位點也可以規(guī)劃掃描軌跡，二者互不影響。在軌跡規(guī)劃之后觀察軌跡是否滿足要求，若不滿足，根據(jù)缺陷情況改變參數(shù)或者重建工件坐標系，直到生成滿足條件的軌跡。最后，導(dǎo)出包含軌跡信息和定位點信息的APT文件，將APT文件發(fā)送到檢測現(xiàn)場驅(qū)動檢測設(shè)備運行。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

在系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)過程中，由于復(fù)材構(gòu)件多是由不規(guī)整的曲面組合而成的自由曲面，因此，在組合曲面上按照用戶的要求快速自動地確定定位點和進行軌跡規(guī)劃是關(guān)鍵。

3.1 基于快速誤差逼近思想的定位點自動建立

圖5 定位點位置示意圖

定位點的選擇應(yīng)充分考慮檢測人員在現(xiàn)場操作的便利性和準確性。三個定位點連成的范圍應(yīng)該能夠最大的反映構(gòu)件長寬方向的跨度，以提高定位的準確度。因此，工藝人員一般將定位點的位置選在構(gòu)件的左下、左上和右上三個轉(zhuǎn)角處，同時，為了方便現(xiàn)場檢測人員的尋找，一般將定位點設(shè)定為與邊角兩條邊的垂直距離都為檢測探頭噴出的圓形水柱半徑R的點，即如圖5中虛線圓圓心所示的位置。檢測人員在定位時，將檢測探頭移動到邊角處，調(diào)整檢測水柱與兩條邊線相切且水柱與曲面垂直，此時水柱的中心點位置就是定位點的位置。

圖6 定位點生成算法過程示意圖

為了快速且自動的生成上述要求的定位點，本文提出了基于快速誤差逼近思想的定位點建立算法。該算法的基本原理是：根據(jù)當前點距離邊線的距離與給定距離差值的大小，動態(tài)改變遍歷的范圍、步距和誤差值，并用遞歸的方法逐步縮小范圍直到找到定位點。算法過程可用圖6來表示，首先任選曲面上一點point0作為起始點，根據(jù)point0與兩條邊線的距離值給出以point0為中心的遍歷范圍，及相應(yīng)的步距和誤差。執(zhí)行遍歷后找到滿足誤差要求的點point1，如果當前誤差大于給定誤差，則進入下一層遞歸，執(zhí)行以上相同的步驟，直到某次遞歸中誤差值小于給定誤差，則該次遞歸中找到的點point即為要找的定位點。

3.2 基于截平面法的組合曲面掃描軌跡規(guī)劃

對復(fù)材構(gòu)件進行超聲C掃描檢測路徑規(guī)劃的關(guān)鍵在于在組合曲面上生成連續(xù)的掃描軌跡。由需求分析可知，工件坐標系的x軸方向為掃描軌跡的掃描方向，即所有軌跡線在工件坐標系xoz平面上的投影平行于x軸。針對軌跡的這一特點，本文提出了基于截平面法生成掃描軌跡的算法。算法的基本思路是：用一系列平行于工件坐標系xoy平面的平面去截取復(fù)材構(gòu)件模型的表面，得到一系列截面線，再將這些截面線進行排序、去冗余和連接等處理來得到軌跡。

截平面法生成軌跡要注意裁剪曲面的問題。由于復(fù)材構(gòu)件模型上的組合曲面中往往含有裁剪曲面，裁剪曲面是用原曲面的幾何信息加上裁剪信息表示的，并沒有自己的參數(shù)表示，裁剪曲面的幾何包圍盒還是原曲面的包圍盒。所以要對每個曲面的邊界進行解析，避免軌跡超出裁剪曲面的實際邊界，造成軌跡誤差。

圖7 組合曲面截平面法生成掃描軌跡示意圖

如圖7所示，將截平面與組合曲面的相交分解成截平面與每個曲面塊的相交，進而得到各個曲線段。為處理裁剪曲面幾何包圍盒可能大于實際范圍的問題，需解析出曲面塊的所有邊線，用這些邊線截取曲線段，將面外部分裁剪掉，去除冗余。獲取所有曲線段后，依據(jù)掃描精度要求，按照最大弦高誤差原則和最大步長原則將各曲線段離散成點。對于五軸掃描設(shè)備而言，運行軌跡不僅要包含點的位置信息x，y，z，還要包含點所在曲面位置的法矢信息i，j，k。用結(jié)構(gòu)體將點的完整信息保存起來。最后將所有離散點按照順序排列后擬合成掃描軌跡線。

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用

基于前述的需求分析與系統(tǒng)設(shè)計，面向復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描檢測軌跡規(guī)劃系統(tǒng)采用CATIA-CAA二次開發(fā)技術(shù)設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)功能與CATIA系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫集成，所有功能都集成在CATIA系統(tǒng)的一個工具條上，用戶通過點擊相應(yīng)按鈕即可實現(xiàn)坐標系建立、定位點創(chuàng)建、掃描區(qū)域選擇、掃描軌跡參數(shù)設(shè)置、掃描軌跡規(guī)劃和APT文件的輸出等功能。系統(tǒng)運行界面如圖8和圖9所示。

該系統(tǒng)已應(yīng)用于哈爾濱飛機工業(yè)集團公司，解決了復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描無損檢測軌跡規(guī)劃的自動化問題，大大提高了復(fù)材構(gòu)件檢測規(guī)劃的效率。一般復(fù)雜程度的復(fù)材構(gòu)件掃描軌跡規(guī)劃時間由原來平均每件50分鐘，縮短到現(xiàn)在每件平均5分鐘。

圖8 建立工件坐標系

圖9 超聲C掃描檢測軌跡規(guī)劃結(jié)果

5 結(jié)束語

本文對飛機復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描檢測軌跡自動規(guī)劃問題展開研究，分析了復(fù)材構(gòu)件的特點和對超聲C掃描軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計需求，構(gòu)建了三維模型驅(qū)動的掃描軌跡規(guī)劃系統(tǒng)的功能模型和業(yè)務(wù)過程模型，提出了基于變步長快速誤差逼近思想的定位點建立算法和基于截平面法的組合曲面掃描軌跡規(guī)劃算法，并基于CATIACAA二次開發(fā)技術(shù)設(shè)計開發(fā)了與CAITA系統(tǒng)無縫集成的復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描軌跡規(guī)劃系統(tǒng)。工程實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能有效提高復(fù)材構(gòu)件超聲C掃描軌跡規(guī)劃的效率，降低對操作人員的技術(shù)要求。為打通復(fù)材構(gòu)件數(shù)字化設(shè)計、制造、檢測數(shù)據(jù)鏈路提供了可供借鑒的方法和軟件工具支持。

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