基于CATIA V5自由曲面測(cè)量采點(diǎn)方法研究與軟件開(kāi)發(fā)

黃夢(mèng)莉

(中航飛機(jī)西安飛機(jī)分公司，陜西 西安 710089)

0 引言

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

CATIA V5是IBM/DS基于Windows核心開(kāi)發(fā)的高端CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，作為國(guó)內(nèi)外各大飛機(jī)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(kù)和應(yīng)用程序接口，并擁有20多個(gè)獨(dú)立的模塊。測(cè)量人員按照檢測(cè)計(jì)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(cè)量點(diǎn)，并提取輸出成標(biāo)準(zhǔn)格式，可供各種測(cè)量設(shè)備直接使用。

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

1 軟件設(shè)計(jì)

CATIA開(kāi)發(fā)接口是通過(guò)兩種方式與外部程序通信:進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序 (In-process Application)方式和進(jìn)程外應(yīng)用程序 (Out-process Application)方式。由于進(jìn)程內(nèi)應(yīng)用程序是使用腳本開(kāi)發(fā)，不利于程序功能的擴(kuò)展。本軟件采用進(jìn)程外應(yīng)用程序方式，利用CATIA V5提供的COM接口，用VC#進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

本軟件將為測(cè)量理論數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取與集中存儲(chǔ)提供解決方案。將每個(gè)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)提取作為一項(xiàng)任務(wù)來(lái)處理，每個(gè)產(chǎn)品可能有多處部位需要檢測(cè)，每個(gè)部位的測(cè)量理論數(shù)據(jù)作為單獨(dú)一個(gè)數(shù)據(jù)集管理，這樣可以形成一個(gè)結(jié)構(gòu)樹(shù)。其中任務(wù)管理具有新建、打開(kāi)、保存、打印、頁(yè)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(guò)將產(chǎn)品數(shù)模、測(cè)量理論數(shù)據(jù)、布點(diǎn)草圖等存儲(chǔ)在一個(gè)XML文件中，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)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(chǔ)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(cè)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(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括測(cè)量點(diǎn)分布、測(cè)量點(diǎn)排序、測(cè)量點(diǎn)提取等功能。為實(shí)現(xiàn)曲面測(cè)量理論數(shù)據(jù)的自動(dòng)提取，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù):

1)針對(duì)不同曲面設(shè)計(jì)布點(diǎn)算法，實(shí)現(xiàn)在各類曲面上的自動(dòng)布點(diǎn)。

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

3)通過(guò)三維空間幾何變換，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)從原始坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并且輸出成XYZIJK格式。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 曲面自動(dòng)布點(diǎn)

根據(jù)曲面類型不同，可以采用三種布點(diǎn)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幾何體可以直接通過(guò)創(chuàng)建等參線的方式，在曲面上劃分網(wǎng)格，創(chuàng)建測(cè)量點(diǎn)。而對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)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(gè)方向創(chuàng)建等參曲線網(wǎng)格，然后創(chuàng)建網(wǎng)格交點(diǎn)即為要測(cè)量的點(diǎn)，這種方法適用于規(guī)則的零件外形測(cè)量。布點(diǎn)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(diǎn)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(duì)測(cè)量面劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格的交點(diǎn)即為要測(cè)量的點(diǎn)。其中“縮進(jìn)”參數(shù)是指測(cè)量點(diǎn)偏離曲面邊緣的距離。可以點(diǎn)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(guò)改變U，V的正方向可以改變測(cè)量點(diǎn)的構(gòu)建順序，分析時(shí)按照測(cè)量點(diǎn)的構(gòu)建順序輸出。這種方法對(duì)于測(cè)量曲面變化不大的模胎比較適用。布點(diǎn)效果如圖5所示。

圖4 UV等分法界面

圖5 UV等分法布點(diǎn)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(cè)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(diǎn)參數(shù)構(gòu)建測(cè)量點(diǎn)。通過(guò)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(shí)通過(guò)改變各條截面曲線的采點(diǎn)方向，調(diào)整測(cè)量點(diǎn)的構(gòu)建順序，保證測(cè)量的順序與構(gòu)建點(diǎn)的順序一致。布點(diǎn)效果如圖7所示。

圖6 截面法界面

圖7 截面法自動(dòng)布點(diǎn)效果圖

2.2 測(cè)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(cè)量點(diǎn)時(shí)，為方便測(cè)量必須控制測(cè)量點(diǎn)的順序，可先根據(jù)截面線進(jìn)行分組然后按最近確定測(cè)量點(diǎn)順序[3]。現(xiàn)以截面法為例說(shuō)明測(cè)量點(diǎn)順序的規(guī)劃。利用截面法在被測(cè)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(dòng)按最近原則距離確定后續(xù)截面曲線及方向，構(gòu)建的測(cè)量點(diǎn)的效果如圖9所示。

圖8 截面法構(gòu)建曲線的順序

圖9 測(cè)量點(diǎn)規(guī)劃效果圖

2.3 生成XYZIJK文件

通過(guò)三維空間幾何變換，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)從原始坐標(biāo)系到測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并且輸出成XYZIJK格式。CMM在測(cè)量零件時(shí)，需要對(duì)測(cè)尖給一個(gè)球頭半徑的補(bǔ)償，而補(bǔ)償方向是支撐面上在該點(diǎn)處的法向，因此確定測(cè)量點(diǎn)不僅需要給出坐標(biāo)值，還需要給出支撐面在該點(diǎn)處的單位法向量[4]。通常原始坐標(biāo)系統(tǒng)OXYZ和測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)TUVW不是同一坐標(biāo)系，可以通過(guò)三維圖形轉(zhuǎn)換方法，將測(cè)量點(diǎn)在原始坐標(biāo)系統(tǒng)的位置通過(guò)基本變換矩陣轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系統(tǒng)下[5]，通過(guò)計(jì)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(cè)量點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，I，J，K是該點(diǎn)處單位法向量的分量;X'，Y'，Z'是測(cè)量點(diǎn)在TUVW坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，I'，J'，K'是該點(diǎn)處單位法向量的分量;UX，UY，UZ表示 U軸在OXYZ坐標(biāo)系下的各分量 (一個(gè)單位投影)，可通過(guò)AxisSystem對(duì)象的GetXAxis方法獲得;VX，VY，VZ表示V軸在OXYZ坐標(biāo)系下的各分量 (一個(gè)單位投影)，可通過(guò) AxisSystem對(duì)象的 GetYAxis方法獲得;WX，WY，WZ表示W(wǎng)軸在OXYZ坐標(biāo)系下的各分量 (一個(gè)單位投影)，可通過(guò)AxisSystem對(duì)象的GetZAxis方法獲得;TX，TY，TZ表示T點(diǎn)在OXYZ坐標(biāo)系下的位置，可通過(guò)AxisSystem對(duì)象的GetOrigin方法獲得。

在CATIA下生成每個(gè)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)必須經(jīng)歷以下幾步:首先必須選擇被測(cè)曲面，用AddNewProject方法構(gòu)造測(cè)量點(diǎn)到該支撐面的法向投影點(diǎn)，用AddNewLineNormal方法構(gòu)造支撐面在測(cè)量點(diǎn)處的法向直線，對(duì)投影各點(diǎn)用GetCoordinates方法獲取點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)法向直線用GetDirection方法獲取單位向量，最后選取測(cè)量坐標(biāo)系，將點(diǎn)坐標(biāo)和單位向量從原始坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于CATIA V5提供的COM接口，用VC#進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提出并實(shí)現(xiàn)了三種自由曲面自動(dòng)布點(diǎn)方法，并輸出成可供CMM檢測(cè)直接使用的XYZIJK格式，該軟件有效地解決了CMM測(cè)量時(shí)曲面自動(dòng)采點(diǎn)問(wèn)題，滿足了實(shí)際測(cè)量的需要，具有一定的實(shí)際意義和推廣使用價(jià)值。

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