面向工程數(shù)據(jù)集導(dǎo)管工藝性批量審查技術(shù)研究

（沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136）

導(dǎo)管是由管材經(jīng)過彎曲加工而成，大量應(yīng)用于飛機的液壓、燃油、環(huán)控、供氧等系統(tǒng)[1]。導(dǎo)管彎曲加工方法很多，根據(jù)成形方法分為：滾彎曲、模彎曲和無模彎曲3種。按彎曲時加熱與否可分為:冷彎曲和熱彎曲。按彎曲時有無填充物又分為有芯（填料）彎曲和無芯（填料）彎曲[2]。為了適應(yīng)飛機導(dǎo)管零件設(shè)計的數(shù)字化，飛機導(dǎo)管零件的制造也正在逐步向數(shù)字化發(fā)展，數(shù)控彎管機的應(yīng)用越來越廣泛。

管材的彎曲和板料的彎曲一樣。在純彎曲的情況下，外徑為D，壁厚為t的管材受外力矩M的作用發(fā)生彎曲時，中性層外側(cè)管壁受拉應(yīng)力作用，管壁變??；中性層內(nèi)層管壁受壓應(yīng)力作用，管壁變厚（見圖1）。而且，橫截面的形狀由于受合力F1和F2的作用由圓形變?yōu)榻茩E圓形[3]。如果彎曲時選擇的參數(shù)不能在適當(dāng)范圍，導(dǎo)管在制造過程中會出現(xiàn)種種問題。常見的有管壁破裂、壁厚不均勻等。這些問題不僅降低了導(dǎo)管成品率，還會導(dǎo)致導(dǎo)管使用壽命受影響。在影響導(dǎo)管質(zhì)量的諸多因素中，最小彎曲半徑、圓度和褶皺度是主要的影響因素。經(jīng)過靜強度試驗和動強度試驗，結(jié)合大量的理論分析可知，當(dāng)導(dǎo)管的彎曲半徑一定的時候，那么導(dǎo)管彎曲處的圓度與皺紋度也就一定。所以，控制導(dǎo)管質(zhì)量的重要因素之一是最小彎曲半徑的合理選擇[4]。

圖1 變形過程Fig.1 Deformation process

導(dǎo)管的最小彎曲半徑與導(dǎo)管的材料、導(dǎo)管外徑和導(dǎo)管的壁厚有關(guān)。當(dāng)選擇的管材一定時，那么用它彎制導(dǎo)管時，它的最小彎曲半徑也就一定。對于導(dǎo)管的材料，常用的有鋁基合金、鋼基合金、鈦基合金以及銅基合金。鋁管和鋼管的部分最小彎曲半徑如表1所示。

在使用數(shù)控彎管機時，由于彎管機本身的原因，對彎管形狀有一定的尺寸要求，比如：管材的最大外徑、管材的最大長度、最大彎曲角度、最大彎曲半徑。此外，為了便于管材彎曲時的夾持，還要求管材末端及每個彎頭之間有足夠的直線段L，一般取L＞（1.5～3）D[4]。 另外，必須保證所需要的管材規(guī)格存在并且容易購買。

在導(dǎo)管設(shè)計的時候，為了滿足導(dǎo)管的空間結(jié)構(gòu)，經(jīng)常會忽略導(dǎo)管的最小彎曲半徑、最小直線段距離的限制，設(shè)計的管材規(guī)格可能在市場上不存在，這樣會給后續(xù)生產(chǎn)造成麻煩。導(dǎo)管在飛機系統(tǒng)中數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果通過人工的方式逐個進行檢查，不僅費時費力，工作量龐大，而且還很難保證準(zhǔn)確性。通過對CATIA軟件進行二次開發(fā)[5]，研究面向工程數(shù)據(jù)集的導(dǎo)管信息，編寫特定功能的程序，對特定結(jié)構(gòu)樹的導(dǎo)管數(shù)模進行工藝性檢查，建立導(dǎo)管工藝性批量審查軟件，實現(xiàn)自動判斷導(dǎo)管的設(shè)計是否合理，可以保證檢查的結(jié)果準(zhǔn)確一致，并且提高效率[6]。

表1 最小彎曲半徑

1 導(dǎo)管的工藝性審查

飛機導(dǎo)管工藝性批量審查主要通過計算機自動查找導(dǎo)管零件、自動讀取導(dǎo)管數(shù)據(jù)，同時自動從數(shù)據(jù)庫中獲取導(dǎo)管最小彎曲半徑、最小直線段長度、導(dǎo)管規(guī)格等工藝信息，在分析判斷后給出審查結(jié)果，具體流程如圖2所示。

圖2 飛機導(dǎo)管工藝性批量審查流程Fig.2 Process of technological batch review of aircraft ducts

導(dǎo)管工藝性批量審查具體步驟如下。

（1）選擇審查飛機部分或整體數(shù)模：將飛機部分或整體數(shù)模導(dǎo)入到CATIA軟件中，通過拾取的方式，選擇整體或部分?jǐn)?shù)模的“Product”。

（2）找到導(dǎo)管零件：導(dǎo)管零件在飛機零件中的命名通常以DD開頭，比如DD- JXX-55181-1810/167-1，拾取飛機部分或整體的“Product”之后，逐個查找每個“Part”的名字，對符合導(dǎo)管名字規(guī)格的零件進行檢查。

（3）獲得導(dǎo)管文件：對于符合名字規(guī)格的零件，即導(dǎo)管零件，獲得它所在的文件，得到根目錄，本例中根目錄為DD- JXX-55181-1810/167-1，某導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)樹格式如圖3所示。

（4）查找結(jié)構(gòu)樹，獲得關(guān)鍵數(shù)據(jù)：從根目錄獲得它下面的子節(jié)點，比如材料、交點坐標(biāo)、彎曲半徑，在圖3中得到的材料為LF2-M，端點為點1、點2、點3、點4，彎曲半徑為30mm，導(dǎo)管外徑為30mm，厚度為5mm，最短直線段距離為65.359mm。

（5）判斷導(dǎo)管彎曲半徑是否滿足要求：將導(dǎo)管最小彎曲半徑的數(shù)據(jù)存入到Access數(shù)據(jù)庫。Microsoft Office Access是微軟開發(fā)的一種小型數(shù)據(jù)庫，是一個面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。根據(jù)得到的導(dǎo)管材料和導(dǎo)管外徑，從結(jié)構(gòu)樹中檢索出該管材的最小彎曲半徑R，本例中最小彎曲半徑為60mm。

（6）判斷直線段距離是否滿足要求：為了便于管材彎曲時的夾持，還要求管材末端及每個彎頭之間有足夠的直線段L，一般取L＞（1.5～3）D。本例中，導(dǎo)管外徑D=30mm，所以L＞（45～90）mm。

（7）判斷導(dǎo)管規(guī)格是否存在：將導(dǎo)管規(guī)格同樣存入到Access數(shù)據(jù)庫，方便檢索。在本例中，導(dǎo)管材料為LF2-M，導(dǎo)管外徑D=30mm，導(dǎo)管厚度t=5mm，該材料規(guī)格存在。

（8）屏幕輸出判斷結(jié)果：將判斷的結(jié)果直接輸出在屏幕上，方便用戶查看，如圖4所示。

（9）為了將檢查結(jié)果保留，并且更加詳細(xì)地查看導(dǎo)管信息，將導(dǎo)管信息和檢查結(jié)果保存到Excel表格中，方便以后查看，導(dǎo)管工藝性審查結(jié)果如圖5所示。

圖3 某導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)樹格式Fig.3 Structure tree specification of a duct

圖4 導(dǎo)管工藝性審查界面Fig.4 Interface of technological review of duct

圖5 導(dǎo)管工藝性審查結(jié)果Fig.5 Result of technological review of duct

2 導(dǎo)管數(shù)據(jù)異構(gòu)的處理方法

導(dǎo)管模型常用的有中文版本和英文版本，另外由于導(dǎo)管結(jié)構(gòu)樹不規(guī)范，常用的有拉伸模型（通過肋命令生成）和釋放模型（通過管模塊生成），這些問題對結(jié)構(gòu)樹的提取造成一定困難，有必要研究導(dǎo)管異構(gòu)的處理方法。

2.1 中、英文的處理方法

在不同的語言環(huán)境下，幾何元素的名字會發(fā)生相應(yīng)的變化，例如，在中文環(huán)境下點的名字為點.1，當(dāng)切換到英文環(huán)境時，名字就會變?yōu)镻oint1。在查找結(jié)構(gòu)樹的時候，如果根據(jù)幾何元素的名字進行查找，就會出現(xiàn)問題。除了名字，CATIA還為幾何元素設(shè)置了另外的一個屬性：類型，一個幾何元素的類型是不會隨著語言環(huán)境改變而發(fā)生變化的，它只與幾何元素的構(gòu)造方法有關(guān)。例如在創(chuàng)成式外形設(shè)計中，通過坐標(biāo)建立的點，無論在什么語言環(huán)境下，其類型始終為CATIGSMPoint。查找?guī)缀卧貢r，不通過它們的名字，而是通過類型，再根據(jù)它們在結(jié)構(gòu)樹上的位置，這就解決了中英文版本問題。

2.2 拉伸模型和釋放模型的結(jié)構(gòu)樹提取

拉伸模型顧名思義是通過輪廓，按照引導(dǎo)曲線拉伸而成，用的命令是CATIA中的肋命令。釋放模型則是通過設(shè)置路徑，利用管模塊直接生成的。

拉伸模型的結(jié)構(gòu)樹提取相對比較簡單，從結(jié)構(gòu)樹上面得到導(dǎo)管材料，得到的點即是導(dǎo)管的交點，再得到折線，可以從折線中獲得導(dǎo)管的彎曲半徑，最后得到草圖，通過草圖的外圓直徑得到導(dǎo)管外徑，通過內(nèi)外圓的半徑差得到導(dǎo)管厚度。利用這些數(shù)據(jù)對導(dǎo)管進行工藝性批量審查。

釋放模型的結(jié)構(gòu)樹提取相對于拉伸模型比較復(fù)雜，最主要的區(qū)別在于交點的獲取上。釋放模型的引導(dǎo)曲線由直線段和圓弧構(gòu)成，最后通過結(jié)合命令將它們結(jié)合為一根曲線。從結(jié)構(gòu)樹上提取出來的點不是交點，而是各個直線段的端點。為了獲得交點，首先需要得到各個直線段，之后將它們分別作延伸，延伸的長度和方向要保證相鄰的兩個直線段能夠相交到一起，之后將這些交點與之前引導(dǎo)曲線的兩個端點保存起來，這些就是所需要的交點。導(dǎo)管的彎曲半徑可以從結(jié)構(gòu)樹上直接獲得，其他的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的提取方法與拉伸模型一致。

3 結(jié)論

通過研究CATIA二次開發(fā)技術(shù)，開發(fā)面向工程數(shù)據(jù)集的導(dǎo)管工藝性批量審查軟件，實現(xiàn)了面向工程數(shù)據(jù)集導(dǎo)管工藝性批量快速審查，避免了人工進行繁瑣重復(fù)的判斷工作，保證了判斷結(jié)果的高效準(zhǔn)確。另外，在飛機數(shù)字化制造的背景下，該方法也符合數(shù)字化制造發(fā)展的趨勢。

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