飛機(jī)蒙皮的逆向建模研究

李彥

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)飛機(jī)蒙皮的數(shù)字化，同時解決蒙皮零件工裝型胎的磨損問題，可以通過掃描蒙皮零件或其工裝，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA模塊逆向建模得以實(shí)現(xiàn)。這一研究，既保留了工裝型胎的原始數(shù)據(jù)，又為蒙皮的數(shù)字化制造、數(shù)字化協(xié)調(diào)提供了電子數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：蒙皮；數(shù)字化；逆向；建模

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）15-0018-02

1 概 述

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，三維的數(shù)字化模型已經(jīng)成為尺寸傳遞的主導(dǎo)方式。為了適應(yīng)當(dāng)前形勢，通過采集現(xiàn)有蒙皮零件或者其型胎的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用CATIA命令進(jìn)行逆向建模，返求出蒙皮零件的三維數(shù)學(xué)化模型。這樣一個從實(shí)際物體到幾何建模的過程，是蒙皮零件數(shù)字化生產(chǎn)制造的基礎(chǔ)，是零件工裝型胎再制造的依據(jù)，也是新型數(shù)字化制造、數(shù)字化協(xié)調(diào)同原有制造依據(jù)的紐帶。這一過程既延續(xù)了傳統(tǒng)的生產(chǎn)鏈，又與當(dāng)下的數(shù)字化生產(chǎn)制造相接軌。

通常情況下，蒙皮類零件的形狀較為復(fù)雜，曲面由多個曲率不同的曲面組成，因此形成蒙皮型面時，不僅要求對曲面進(jìn)行有經(jīng)驗(yàn)地分割和拼接，而且還要求每一個曲面均是平滑高質(zhì)量的曲面，要想達(dá)到此目的，關(guān)鍵在于構(gòu)建光順平滑的曲線。下面就以一個蒙皮類零件為例，詳細(xì)描述其逆向建模研究的具體步驟。

2 逆向建模研究的具體步驟

蒙皮零件逆向建模的具體步驟有：采集及處理數(shù)據(jù)、構(gòu)建蒙皮實(shí)體模型、模型偏差因素分析。

其中，構(gòu)建模型又分為：截面線的形成、優(yōu)化；構(gòu)建曲面；擬合邊緣線和形成實(shí)體等幾個步驟。蒙皮零件，如圖1所示，以圖1為例來加以說明。

2.1 采集及處理數(shù)據(jù)

采集蒙皮零件數(shù)據(jù)的方法有直接掃描蒙皮和掃描零件模胎兩種。通常情況下，采用激光掃描儀對零件或模胎進(jìn)行垂直掃描，采集三維數(shù)據(jù)，然后在CATIA中利用CLOUD IMPORT導(dǎo)入形成點(diǎn)云文件，如圖2所示。

當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA后，對點(diǎn)云進(jìn)行適當(dāng)處理。為了預(yù)防曲面存在鼓包等問題，過濾、去除一些偏差較大元素，可以減小點(diǎn)云曲率突變的概率。

由于掃描儀采集后直接形成的曲面通常是不規(guī)則自由曲面，初步建立網(wǎng)格就可以直觀地看出零件的外形特征。仔細(xì)觀察區(qū)域內(nèi)是否有鼓包或塌陷等缺陷，去除這些失真元素，盡量使破壞表面質(zhì)量的元素降低到最少，那么就可以利用此點(diǎn)云進(jìn)行建模了。

2.2 構(gòu)建蒙皮實(shí)體模型

2.2.1 截面線的形成、優(yōu)化

建模的第一步就是建立截面元素。截面元素是用來創(chuàng)建與掃描數(shù)據(jù)相交的平面，將截面元素與相應(yīng)的網(wǎng)格或點(diǎn)云相交，得到的交線就是截面線。截面線是曲面構(gòu)建的基礎(chǔ)，也是關(guān)系曲面質(zhì)量好壞的關(guān)鍵元素。

通過觀察點(diǎn)云數(shù)據(jù)，篩選出外形接近的部分放在一個設(shè)計區(qū)域里，然后運(yùn)用CATIA命令，按照一定的間距創(chuàng)建截面線，就可以得到一組曲線。形狀較為簡單的零件可以直接以這些曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行曲面設(shè)計，形成一個完整的曲面。但是對于形狀相對復(fù)雜的零件，這些曲線就不能直接生成曲面，因此必須先對這些曲線進(jìn)行優(yōu)化。

由于生成的截面線會有許多缺陷，比如端點(diǎn)不齊，這將導(dǎo)致創(chuàng)建多截面曲面時，邊緣質(zhì)量不好；再比如過渡不平滑，使得形成的曲面不均勻過渡，型面質(zhì)量不好，因此需要對截面線進(jìn)行調(diào)整。線條調(diào)整的方式較多，可以通過草圖擬合，也可以通過樣條曲線擬合，擬合時，各樣條曲線的節(jié)點(diǎn)數(shù)應(yīng)盡量一致，線條長短、點(diǎn)位間距比例均應(yīng)恰當(dāng)。這樣可以保證形成的曲面沒有明顯鼓包，如圖3所示。

2.2.2 構(gòu)建曲面

蒙皮型面的構(gòu)建主要采用的方法是掃掠法。選擇優(yōu)化后的截面線進(jìn)行多截面曲面掃掠，通?？梢缘玫捷^完善的型面。

在蒙皮型面曲率變化不太大的情況下，可以將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割之后分別掃掠，然后拼接，形成整個型面。

這樣做的好處是分割處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每部分曲面可以細(xì)化，得到更精細(xì)、更完善的設(shè)計。但是在拼接時需要注意的是要保證相鄰曲面之間平滑過渡、保證整體曲面曲率的連續(xù)性，這樣才能保證曲面整體的表面質(zhì)量。如圖4所示。

2.2.3 擬合邊緣線

通常情況下，構(gòu)建好的曲面一定是大于蒙皮零件的，所以此時還要用邊緣線對曲面進(jìn)行切割。擬合邊緣線采用的方法有：草圖擬合法和投影法兩種。

①草圖擬合法是先創(chuàng)建一個平面，然后近似繪制出零件的邊界，將其進(jìn)行法向拉伸，再與型面相交，就可得到邊緣線。通常情況下，草圖擬合法應(yīng)用于構(gòu)建帶弧度的邊緣線。

②投影法是先選擇邊緣，然后利用CATIA模塊命令，提取邊緣線。這種方法比較適合于設(shè)計較直的邊緣線。在設(shè)計中，通常會同時利用草圖擬合法和投影法兩種方法。

邊緣線擬合后，投影到構(gòu)建好的曲面上，用其分割曲面，就形成了與蒙皮零件大小一致的型面。

2.2.4 形成實(shí)體

曲面形成后，直接加厚就可以構(gòu)建實(shí)體了。如果蒙皮零件的數(shù)據(jù)是掃描其模具所得，那么將構(gòu)建好的曲面先偏移再增厚即可得到所需的蒙皮零件。

2.3 模型偏差因素分析

蒙皮零件的逆向建模存在偏差的因素有：零件或者工裝型胎表面質(zhì)量；掃描儀器的精度；建模過程曲線的處理方式等?；谝陨弦蛩?，為了盡量減小模型的偏差，首先應(yīng)在掃描前將零件或者工裝型胎進(jìn)行修復(fù)，其次應(yīng)用高精度掃描儀，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行掃描，最后在建模過程中曲線進(jìn)行細(xì)致優(yōu)化。

這樣，就可將模型的偏差控制在最小值范圍之內(nèi)。通常情況下，蒙皮類零件的設(shè)計偏差應(yīng)大部分控制在0.5 mm以內(nèi)。

3 結(jié) 語

綜上所述，逆向建模是實(shí)現(xiàn)蒙皮數(shù)字化的有效工具，架設(shè)起實(shí)際物體與幾何建模的橋梁，也為蒙皮的數(shù)字化生產(chǎn)、數(shù)字化協(xié)調(diào)提供了一個高效的技術(shù)手段。

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