基于CATIA V5自由曲面測量采點方法研究與軟件開發(fā)

黃夢莉

(中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089)

0 引言

目前，先進的測量軟件可以利用CAD模型直接測量，但是由于其不具備 CAD軟件的造型、分析功能，對于飛機各類零件和工裝的曲線、曲面的測量，根本不能構(gòu)造出符合企業(yè)質(zhì)量文件要求的測量點，例如，沿某一方向的最高點、最低點或是切點、拐點，并且在曲率大處加密采點。

CATIA V5是IBM/DS基于Windows核心開發(fā)的高端CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，作為國內(nèi)外各大飛機制造企業(yè)的首選軟件，它具有統(tǒng)一的用戶界面、數(shù)據(jù)管理以及兼容的數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序接口，并擁有20多個獨立的模塊。測量人員按照檢測計劃要求，依據(jù)相關(guān)質(zhì)量文件規(guī)定在CATIA V5下構(gòu)建測量點，并提取輸出成標準格式，可供各種測量設(shè)備直接使用。

雖然應(yīng)用CATIA V5的線框和曲面設(shè)計功能模塊，可以構(gòu)建符合規(guī)則要求的測量點，但是人工構(gòu)建測量點的過程是一件十分繁瑣的事情，對于1000多測量點的模胎，至少需要工作2 h，并且經(jīng)常出現(xiàn)多取點、少取點等現(xiàn)象。為了實現(xiàn)曲面測量的自動采點，必須開發(fā)一套基于CATIA V5的測量理論數(shù)據(jù)自動提取軟件，在確保工作質(zhì)量的同時，最大程度地提高工作效率。

1 軟件設(shè)計

CATIA開發(fā)接口是通過兩種方式與外部程序通信:進程內(nèi)應(yīng)用程序 (In-process Application)方式和進程外應(yīng)用程序 (Out-process Application)方式。由于進程內(nèi)應(yīng)用程序是使用腳本開發(fā)，不利于程序功能的擴展。本軟件采用進程外應(yīng)用程序方式，利用CATIA V5提供的COM接口，用VC#進行開發(fā)實現(xiàn)。

本軟件將為測量理論數(shù)據(jù)的自動提取與集中存儲提供解決方案。將每個產(chǎn)品的數(shù)據(jù)提取作為一項任務(wù)來處理，每個產(chǎn)品可能有多處部位需要檢測，每個部位的測量理論數(shù)據(jù)作為單獨一個數(shù)據(jù)集管理，這樣可以形成一個結(jié)構(gòu)樹。其中任務(wù)管理具有新建、打開、保存、打印、頁面設(shè)置、字體設(shè)置、打印內(nèi)容設(shè)置、發(fā)布等功能。通過將產(chǎn)品數(shù)模、測量理論數(shù)據(jù)、布點草圖等存儲在一個XML文件中，可以實現(xiàn)測量理論數(shù)據(jù)的集中管理，改變了以往數(shù)據(jù)、數(shù)模、打印草圖分散存儲的現(xiàn)狀，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)管理工作。該軟件的主界面如圖1所示。

圖1 軟件主界面

本軟件按照測量理論數(shù)據(jù)提取工作流程，采用模塊化、參數(shù)化的方法進行設(shè)計，主要包括測量點分布、測量點排序、測量點提取等功能。為實現(xiàn)曲面測量理論數(shù)據(jù)的自動提取，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù):

1)針對不同曲面設(shè)計布點算法，實現(xiàn)在各類曲面上的自動布點。

2)控制測量點的構(gòu)建順序，保證與測量順序一致，避免后續(xù)人工排序。

3)通過三維空間幾何變換，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)從原始坐標系到測量坐標系的轉(zhuǎn)換，并且輸出成XYZIJK格式。

2 軟件實現(xiàn)

2.1 曲面自動布點

根據(jù)曲面類型不同，可以采用三種布點方法。一是等參網(wǎng)格法;二是UV等分法;三是是等參截面法。其中等參網(wǎng)格法是目前被許多軟件采用的方法，包括CATIA，UG，PC-DMIS以及SA等軟件，它對于標準幾何體可以直接通過創(chuàng)建等參線的方式，在曲面上劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建測量點。而對于非標準的幾何體或邊界不規(guī)則的曲面，只能采用UV等分法或截面法，其中UV等分法適用于曲率變化較小的光滑曲面，而截面法則適用于掃描面或拉深面。

2.1.1 等參網(wǎng)格法

等參網(wǎng)格法的用戶界面如圖2所示。首先分別沿兩個方向創(chuàng)建等參曲線網(wǎng)格，然后創(chuàng)建網(wǎng)格交點即為要測量的點，這種方法適用于規(guī)則的零件外形測量。布點效果如圖3所示。

圖2 等參網(wǎng)格法界面

圖3 等參網(wǎng)格法布點效果圖

2.1.2 UV等分法。

UV等分法界面如圖4所示。首先分別沿U，V方向構(gòu)建等分平面，然后用等分平面對測量面劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的交點即為要測量的點。其中“縮進”參數(shù)是指測量點偏離曲面邊緣的距離。可以點擊“U方向按鈕”改變U的正方向，同理可以改變V的正方向，通過改變U，V的正方向可以改變測量點的構(gòu)建順序，分析時按照測量點的構(gòu)建順序輸出。這種方法對于測量曲面變化不大的模胎比較適用。布點效果如圖5所示。

圖4 UV等分法界面

圖5 UV等分法布點效果圖

2.1.3 截面法

等參截面法的用戶界面如圖6所示。首先根據(jù)引導(dǎo)曲線的幾何特征和截面參數(shù)構(gòu)建平面，然后用平面與測量面相交構(gòu)建截面曲線，最后根據(jù)截面曲線的幾何特征和取點參數(shù)構(gòu)建測量點。通過改變引導(dǎo)線的方向可以改變截面的構(gòu)建順序，在分析時通過改變各條截面曲線的采點方向，調(diào)整測量點的構(gòu)建順序，保證測量的順序與構(gòu)建點的順序一致。布點效果如圖7所示。

圖6 截面法界面

圖7 截面法自動布點效果圖

2.2 測量順序的規(guī)劃

在利用等參用格法、UV等分法及截面法構(gòu)造測量點時，為方便測量必須控制測量點的順序，可先根據(jù)截面線進行分組然后按最近確定測量點順序[3]。現(xiàn)以截面法為例說明測量點順序的規(guī)劃。利用截面法在被測面曲面上構(gòu)造截面曲線，如圖8所示，可人為確定第一條曲線的起始方向，然后程序自動按最近原則距離確定后續(xù)截面曲線及方向，構(gòu)建的測量點的效果如圖9所示。

圖8 截面法構(gòu)建曲線的順序

圖9 測量點規(guī)劃效果圖

2.3 生成XYZIJK文件

通過三維空間幾何變換，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)從原始坐標系到測量坐標系的轉(zhuǎn)換，并且輸出成XYZIJK格式。CMM在測量零件時，需要對測尖給一個球頭半徑的補償，而補償方向是支撐面上在該點處的法向，因此確定測量點不僅需要給出坐標值，還需要給出支撐面在該點處的單位法向量[4]。通常原始坐標系統(tǒng)OXYZ和測量坐標系統(tǒng)TUVW不是同一坐標系，可以通過三維圖形轉(zhuǎn)換方法，將測量點在原始坐標系統(tǒng)的位置通過基本變換矩陣轉(zhuǎn)換到測量坐標系統(tǒng)下[5]，通過計算得到以下公式:

式中:T1為平移變換的變換矩陣;T2為旋轉(zhuǎn)變換的變換矩陣;X，Y，Z是測量點在OXYZ坐標系下的坐標值，I，J，K是該點處單位法向量的分量;X'，Y'，Z'是測量點在TUVW坐標系下的坐標值，I'，J'，K'是該點處單位法向量的分量;UX，UY，UZ表示 U軸在OXYZ坐標系下的各分量 (一個單位投影)，可通過AxisSystem對象的GetXAxis方法獲得;VX，VY，VZ表示V軸在OXYZ坐標系下的各分量 (一個單位投影)，可通過 AxisSystem對象的 GetYAxis方法獲得;WX，WY，WZ表示W(wǎng)軸在OXYZ坐標系下的各分量 (一個單位投影)，可通過AxisSystem對象的GetZAxis方法獲得;TX，TY，TZ表示T點在OXYZ坐標系下的位置，可通過AxisSystem對象的GetOrigin方法獲得。

在CATIA下生成每個測量點數(shù)據(jù)必須經(jīng)歷以下幾步:首先必須選擇被測曲面，用AddNewProject方法構(gòu)造測量點到該支撐面的法向投影點，用AddNewLineNormal方法構(gòu)造支撐面在測量點處的法向直線，對投影各點用GetCoordinates方法獲取點坐標，對法向直線用GetDirection方法獲取單位向量，最后選取測量坐標系，將點坐標和單位向量從原始坐標系轉(zhuǎn)換到測量坐標系輸出。

3 結(jié)束語

本文基于CATIA V5提供的COM接口，用VC#進行二次開發(fā)，提出并實現(xiàn)了三種自由曲面自動布點方法，并輸出成可供CMM檢測直接使用的XYZIJK格式，該軟件有效地解決了CMM測量時曲面自動采點問題，滿足了實際測量的需要，具有一定的實際意義和推廣使用價值。

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