航空二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)

陳博文，劉思宇，顧云峰

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川成都 610091）

0 引言

隨著數(shù)字化技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前，我國(guó)新機(jī)研制已全面采用以數(shù)字化為核心的設(shè)計(jì)制造技術(shù)體系，使傳統(tǒng)的飛機(jī)產(chǎn)品研制過(guò)程發(fā)生了根本性變革，大幅度提高了飛機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平，加快了現(xiàn)代飛機(jī)研制的整體進(jìn)程。采用模線(xiàn)樣板—標(biāo)準(zhǔn)樣件方法來(lái)協(xié)調(diào)產(chǎn)品的形狀和尺寸是傳統(tǒng)飛機(jī)制造中尺寸傳遞的特點(diǎn)。在這個(gè)過(guò)程中，由于是模擬量傳遞，所以各個(gè)環(huán)節(jié)所形成的原始尺寸的一些誤差，也伴隨著形狀和尺寸的傳遞而轉(zhuǎn)移，這些誤差的積累（相加或相減），最終體現(xiàn)到產(chǎn)品的最后形狀和尺寸上。本文在產(chǎn)品二維設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)上，進(jìn)行飛機(jī)產(chǎn)品零件三維數(shù)字化模型構(gòu)建，重要鈑金以及復(fù)材零件工藝裝備數(shù)字化重構(gòu)等技術(shù)研究，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的數(shù)字化定義，可以有效提高工藝裝備制造質(zhì)量、產(chǎn)品零件制造質(zhì)量和飛機(jī)裝配質(zhì)量。

1 典型二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模定義

二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模是在CATIA V5 3D 環(huán)境下，以飛機(jī)理論圖、產(chǎn)品圖（不包括產(chǎn)品數(shù)模）、飛機(jī)理論外形數(shù)模，數(shù)字化UD（無(wú)尺寸）圖等為依據(jù)，用來(lái)滿(mǎn)足工裝、零件的數(shù)字化制造、檢測(cè)和飛機(jī)裝配的各種工藝協(xié)調(diào)性要求而創(chuàng)建的零件三維幾何數(shù)字?jǐn)?shù)模。可作為各類(lèi)工序工藝協(xié)調(diào)數(shù)模的設(shè)計(jì)依據(jù)之一。

二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模屬于工藝協(xié)調(diào)數(shù)模范疇，以下簡(jiǎn)稱(chēng)工藝協(xié)調(diào)數(shù)模。

1.2 二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模技術(shù)難點(diǎn)和解決方案

1.2.1 數(shù)字化UD（無(wú)尺寸）圖建模技術(shù)

（1）根據(jù)數(shù)字化UD（無(wú)尺寸）圖創(chuàng)建工藝協(xié)調(diào)數(shù)模過(guò)程中，將數(shù)字化UD（無(wú)尺寸）圖導(dǎo)入CATIA V5 R18 草圖中，按視圖關(guān)系置于飛機(jī)坐標(biāo)系下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷線(xiàn)和線(xiàn)條不連續(xù)問(wèn)題（圖1）。

（2）解決方法。選取較長(zhǎng)的線(xiàn)條，在距離斷點(diǎn)5～10 mm 上取點(diǎn)，并與另一線(xiàn)條的斷點(diǎn)連接，最后將3 條線(xiàn)段連接并光順。這種解決方法得到了大量工藝協(xié)調(diào)數(shù)模的驗(yàn)證，有利于減小建模誤差，使工藝協(xié)調(diào)數(shù)模達(dá)到使用要求（圖2）。

1.2.2 曲面重構(gòu)技術(shù)

（1）根據(jù)二維線(xiàn)框和理論外形構(gòu)建三維數(shù)模過(guò)程中，理論曲面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)和不光順的情況，需要對(duì)曲面進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，使之能達(dá)到后續(xù)設(shè)計(jì)要求（圖3）。

圖1 線(xiàn)條斷點(diǎn)不連續(xù)

圖2 線(xiàn)條不連續(xù)解決方法

圖3 曲面不光順

（2）解決方法。選取曲面較長(zhǎng)的邊線(xiàn)，設(shè)置30～50 個(gè)垂直于該曲線(xiàn)的平面。然后將平面與曲面求交得到相應(yīng)的交線(xiàn)，這時(shí)的交線(xiàn)是不連續(xù)的。需要再對(duì)各個(gè)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合光順，得到符合條件的曲線(xiàn)。最后用多截面曲面的功能生成新的曲面（圖4）。最后根據(jù)企業(yè)規(guī)范要求檢查并修正，使用CATIA 曲面間距離分析功能，使重構(gòu)后的曲面與原始曲面的偏差不超過(guò)±0.05 mm。

圖4 曲面重構(gòu)

1.2.3 復(fù)材蒙皮類(lèi)零件協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)技術(shù)

（1）復(fù)材類(lèi)蒙皮零件由于其鋪層數(shù)量不一致，導(dǎo)致其內(nèi)型面形成臺(tái)階。存在兩個(gè)問(wèn)題，一是內(nèi)型面經(jīng)常作為與之有裝配關(guān)系的鈑金零件的建模依據(jù)，因此，要處理好有臺(tái)階的內(nèi)型曲面。二是復(fù)材蒙皮的鋪層厚度更改（如某機(jī)型垂尾復(fù)材蒙皮由0.12 mm 改為0.125 mm），現(xiàn)裝配時(shí)，由于機(jī)加件先安裝，蒙皮厚度增加，機(jī)加件將蒙皮外頂，導(dǎo)致其他基于鋪層厚度為0.125 mm 的蒙皮所設(shè)計(jì)的零件與蒙皮不能貼合（圖5）。要使與蒙皮裝配的鈑金件和機(jī)加件更好協(xié)調(diào)。

圖5 零件與蒙皮不能貼合

（2）解決方法。①針對(duì)處理有臺(tái)階的曲面，提出一種經(jīng)過(guò)使用驗(yàn)證的方法。將高臺(tái)階的面向外延伸1 mm，低臺(tái)階面做一條平行且距離端面5 mm 的曲面。利用橋接功能將延伸面和平行曲線(xiàn)連接得到過(guò)渡面，使之滿(mǎn)足后續(xù)其他裝配零件的建模要求（圖6）；②為使與蒙皮裝配的鈑金件和機(jī)加件更好協(xié)調(diào)。經(jīng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和裝配人員討論，設(shè)計(jì)基于鋪層厚度為0.12 mm 的復(fù)材零件，后續(xù)裝配未出現(xiàn)不貼合情況（圖7）。

圖6 復(fù)材蒙皮內(nèi)型面擬合

圖7 裝配協(xié)調(diào)性解決方法

2 二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用及思考

依據(jù)工藝協(xié)調(diào)數(shù)模三維數(shù)字化制造模型，完成相關(guān)零件工裝的設(shè)計(jì)和制造，使用工裝數(shù)模設(shè)計(jì)三維檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了上述工裝的數(shù)字化檢測(cè)，并以此作為工裝質(zhì)量控制的重要手段。工裝的掃描測(cè)量主要以按飛機(jī)理論外形數(shù)據(jù)及產(chǎn)品圖紙建立的工藝數(shù)模為測(cè)量依據(jù)，數(shù)控測(cè)量工裝，測(cè)量設(shè)備為測(cè)量臂，測(cè)量點(diǎn)位精度為±0.028 mm。除直接掃描測(cè)量，部分工裝采用逆向建模來(lái)比較模型差異。即掃描工裝型面和零件外形線(xiàn)獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逆向處理后與零件數(shù)模對(duì)應(yīng)型面進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)一步確保建模質(zhì)量。

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)模擬量傳遞向數(shù)字化方法轉(zhuǎn)變的過(guò)渡時(shí)期，要更好結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)，使得三維模型貫穿在整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，成為飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的依據(jù)。隨之而來(lái)，應(yīng)該深入研究二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)，繼續(xù)解決按樣板制造的實(shí)物標(biāo)工，其表面外形質(zhì)量不高、表面基準(zhǔn)線(xiàn)、站位線(xiàn)、蒙皮分割線(xiàn)不準(zhǔn)確問(wèn)題以及標(biāo)工長(zhǎng)期存放變形問(wèn)題；解決按樣板或?qū)嵨飿?biāo)工協(xié)調(diào)制造的鈑金及復(fù)材零件工裝，工裝加工難度大、型面質(zhì)量差以及零件外形刻線(xiàn)不準(zhǔn)確的問(wèn)題；解決飛機(jī)采用模擬量傳遞和協(xié)調(diào)，鈑金及復(fù)材零件制造精確性差、零件裝配互換性差、部件裝配協(xié)調(diào)性不高的問(wèn)題；最終實(shí)現(xiàn)重要鈑金及復(fù)材零件的精確成形、數(shù)字化加工，實(shí)現(xiàn)航空產(chǎn)品零件精確交付。

二維圖紙衍生類(lèi)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)技術(shù)的推廣應(yīng)用，能夠有效減小飛機(jī)重要鈑金零件工裝，如拉型模、模胎，以及復(fù)材零件的成型模、交接夾具等的制造技術(shù)難度，制造精度也得到大幅度提高，能更好滿(mǎn)足當(dāng)前飛機(jī)質(zhì)量需求。