飛機樣板快速設計系統及關鍵技術

陳樹林，杜寶瑞，田世明，方立輝，白玉珍

（中航工業沈陽飛機工業（集團）有限公司，沈陽 100850）

0 引言

當前，國內各航空制造企業的飛機制造體系已從模擬量協調全面轉換為數字量協調，工裝、樣板數量得到顯著減少。但是，與之相關的數字化檢測技術發展相對緩慢，在新機研制及小批量生產過程中難以保證有序生產，再加上樣板使用簡便，因此，目前在大型整體結構件的檢驗、機加零件的常規加工、鈑金零件下料及檢驗、化銑加工等飛機制造過程中仍然大量使用樣板，各型飛機使用的樣板數量均達到數萬項。而這些樣板的設計仍然依靠人工在通用的CAD/CAM平臺上進行交互式設計，重復工作量大、效率低，規范性不足，主要體現為：1）大型結構件外形檢驗樣板設計：每型飛機約數百項，在筋條端頭、下陷等位置需要交互構建上千個視口（如圖1(a)所示），過程繁瑣，并且視口形式單一，重復工作量大，每塊樣板設計周期1～2天；2）鈑金樣板設計：每型飛機約上萬項，包括展開樣板及外形樣板，彎邊高度和角度計算過程繁瑣、尺寸標注較多，效率低下，如圖1(b)所示；3）樣板補加：為了在小零件樣板上添加工藝信息、加強樣板強度等，80%~90%的樣板（數萬項）需要補加，如圖1(c)所示，數量大，工作量大。上述問題影響了飛機制造生產準備進程，已經成為制約新機快速研制的瓶頸因素之一。因此，亟需面向樣板設計環節研發一套支持飛機樣板快速設計的數字化軟件系統，以顯著提升樣板設計效率，大幅減少設計員的重復工作量。

圖1 常見樣板設計

目前，國內外的研究大多集中在飛機樣板數字化設計制造工藝方面，而在樣板快速設計方面僅有局部探索，例如，劉寶明[1]等在樣板圖形優化處理方面做了一些工作，在AutoCAD平臺下研發了快速去除樣板重線、處理大圓弧、連接短線、處理碎線等功能，實現了樣板激光切割編程前置優化處理的自動化，但尚未形成全面解決樣板設計效率低、重復工作量大等問題的數字化系統。為此，本文提出構建一套“飛機樣板快速設計系統”架構，以CATIA為應用平臺，綜合樣板設計知識庫，突破復雜視口識別、鈑金彎邊特征識別、參數化樣板補加設計等關鍵技術，實現各類樣板的快速設計。

1 系統架構

如圖2所示，建立“飛機樣板快速設計系統”架構，該系統以CATIA系統為應用平臺，以CAA V5為二次開發平臺，在樣板設計知識庫的基礎上，實現大型結構件外形樣板、鈑金外形及展開樣板設計、樣板補加等快速設計。其中：

圖2 飛機樣板快速設計系統架構

1）應用平臺：國內飛機制造企業均在CATIA平臺上進行產品的三維模型設計，為了保證樣板的制造精度，樣板設計過程是在同一平臺下，基于產品三維模型進行投影、視口創建、彎邊標注、補加設計等工作，因此本系統也以CATIA系統為應用平臺。

2）開發平臺：以CAA V5作為開發平臺，它是CATIA系統的高級二次開發環境，通過快速應用開發環境RADE（Rapid Application Development Environment）和API接口來實現CATIA二次開發，其中RADE是一個可視化的集成開發環境，它提供完整的編程工具組，以Microsoft Visual Studio VC++為載體，在VC++環境中內置CAA開發工具，實現程序的編譯、調試及運行。

3）支撐數據：樣板設計過程涉及較多的設計經驗，以設計知識的形式統一作為樣板快速設計的支持數據，存儲在專門的數據庫中，便于實現設計過程的規范化、定制化，以提高設計質量的穩定性，設計過程的靈活性。

4）功能模塊：在設計知識的基礎上，分別構建三個模塊，包括大型結構件外形樣板快速設計模塊、鈑金外形及展開樣板快速設計模塊、樣板補加快速設計模塊，實現各類樣板的快速 設計。

2 關鍵技術

2.1 基于主元的視口識別與構建技術

視口構建是大型結構件外形樣板快速設計的主要工作，也是核心技術難點，需要人工識別視口主元、確定斷點位置、添加視口輔助元素等，過程繁瑣，重復工作量大。大型結構件外形樣板設計涉及的典型視口有四類，分別為單視口、串視口、閉視口及并視口，如圖3所示，其中單視口由單一主元，兩側邊界元素（簡稱界元），以及在斷點處的輔助元素（簡稱輔元）所構成，常用于檢驗筋端尺寸，如圖3(a)所示；串視口由多個主元，兩側界元及輔元構成，相當于多個單視口的串聯，用于檢驗距離較近的多個筋端尺寸，如圖3(b)所示；閉視口由若干單視口串聯而成并且形成一個自封閉的視口，如圖3(c)所示；并視口由多個單視口或串視口并聯而成，既用于筋端尺寸檢驗又用于下陷特征尺寸檢驗，分三種類型，如圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)所示。

圖3 典型視口

為實現上述視口的自動設計，提出基于主元的視口識別與構建技術，有以下幾個關鍵點：1）主元識別：以單個視口位置或投影圖形的一部分作為輸入，根據曲線凹凸性、長度及相鄰曲線連接關系自動識別視口主元；2）主元分組：以最接近切連續的方式對每個視口主元進行邊界拓展，先進行串聯，判斷是否封閉，然后再進行并聯，形成單視口、串視口、閉視口及并視口主元，并進行分組；3）視口構建：根據視口的類型及主元，再次進行邊界拓展，依據設計知識庫中定義的界元長度提取界元，并進行斷線操作，形成最終視口。

2.2 基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識別技術

鈑金外形及展開樣板快速設計的關鍵是鈑金彎邊特征的識別，通過識別鈑金彎邊特征才能準確構建相應的截面、計算彎邊特征的高度及角度，為后續鈑金樣板的尺寸標注提供基礎數據。如圖4所示，彎邊特征是由彎邊圓角及彎邊面組合而成，一個鈑金零件可能包含多個彎邊特征。

圖4 彎邊特征

為實現上述鈑金樣板快速設計，提出基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識別技術，主要步驟如下：1）凹凸邊識別：交互選取鈑金零件的腹板面，提取腹板面的拓撲邊及腹板面的共邊關聯面，在公共邊中點處垂直于公共邊創建平面與腹板面及其共邊關聯面相交，如表1所示，根據矢量夾角對該邊中點的凹凸性進行判別，包括六種情況，然后由點的凹凸性，確定其所在拓撲邊的類型，包括凸邊、凹邊、平凸切邊、平凹切邊、凹凸切邊及平切邊；2）彎邊圓角識別：提取平凸切邊的共邊關聯面，識別為彎邊圓角面；3）圓角面成組：將腹板面關聯的彎邊圓角面進行分組，原則是當一個圓角面與另一個圓角面存在公共邊，則這兩個面屬于同組；4）彎邊面識別：提取彎邊圓角面組的最外環，去除腹板面的拓撲邊及凸邊，剩余邊線關聯的拓撲面即為彎邊面；5）彎邊特征構建：將圓角面組與其關聯的彎邊面進行合并構成彎邊特征。

表1 凹凸點

2.3 基于關鍵點的樣板快速補加技術

樣板補加設計主要涉及補加投影點及補加邊的構建，如圖5所示，為此，提出基于關鍵點的補加快速構建技術，主要步驟為：1）關鍵點確定：在小樣板臨近的空白區域交互點擊兩點，認為是關鍵點，如圖5的P1，P2所示；2）投影點構建：以關鍵點為基準，往樣板邊界進行投影，拾取距離最小并且屬于投影邊內點的投影點，認定為投影點，如圖5的P1'，P2'所示；3）補加邊提取：用兩個投影點裁減小樣板的邊界，并提取臨近關鍵點的部分作為補加邊，如圖5的P1'P2'所示；4）補加構建：以補加邊為基準，依次連接P1’，P1，P2，P2'，再在P1，P2處倒圓角，添加工藝掛孔，并在P1，P2打斷，完成小樣板的補加構建。

圖5 小樣板補加說明

3 系統實現及驗證

以CAA V5為開發平臺，結合樣板設計知識，開發了“飛機樣板快速設計系統”，包括大型結構件外形樣板快速設計、鈑金外形及展開樣板快速設計、小樣板補加快速設計及知識庫四大模塊，形成了六項工具，其中：

3.1 大型結構件外形樣板快速設計

該模塊包含圖形預處理、簡單視口、聯合視口3項工具，分別為：1）圖形預處理工具，在給定精度的前提下對細碎線段擬合為直線或圓弧，如圖6所示；2）簡單視口工具，可實現對單視口的快速設計，包括單線視口、雙線視口、三線視口及圓弧視口四種類型，通過點擊視口主元即可自動構建選定類型的視口，如圖7所示；3）并視口工具：可實現對并視口的快速設計，包括并視口I、并視口II及并視口III，通過點擊并視口的兩個主元即可實現視口自動設計，如圖8所示。另外，該模塊還支持框選主元，實現視口的批量化、快速化構建。

圖6 圖形預處理

圖7 簡單視口

圖8 并視口

3.2 鈑金外形、展開樣板快速設計

該模塊包含彎邊數據構建與彎邊標注兩項工具，分別為：1）彎邊參數自動計算：交互選定腹板面，設定角度步距、延伸長度等參數后，即可自動構建彎邊的外形交線，在關鍵位置創建截面、計算彎邊角度線并計算彎邊高度及角度，如圖9所示，并將結果保存在PPR結構中；2）彎邊參數快速標注：自動將三維模型與工程投影圖進行關聯匹配，識別出需標注參數的部位，并將存儲在PPR結構樹上的彎邊參數在識別的部位自動優化標注，使得標注的參數可視化程度高，如圖10所示。尤其對于彎邊角度變化復雜的鈑金零件，能夠大幅減少操作時間，降低操作強度，提高數據的準確性。

圖9 彎邊參數自動計算

圖10 彎邊自動標注結果

3.3 樣板快速補加

該模塊包含快速補加1個工具，能夠快速處理標準補加、狹長補加、銷釘補加、狹長視口四類典型補加，只需點擊1~2次關鍵點即可完成，如圖11所示，選定要補加的類型后，在樣板需要添加補加位置的外側點擊兩次鼠標，即可自動生成樣板的補加。

圖11 典型補加

3.4 樣板設計知識庫

鑒于個人偏好、特殊情況、后續更改等諸多因素，系統對于所應用的技術參數均給出明確的解釋，各項快速設計工具分別有對應的知識庫（例如，單視口設計知識如表2所示），使得設計員可以根據實際情況進行定制，實現專業化的樣板快速設計。

表2 單視口設計知識

3.5 應用驗證

2014年，該系統在沈陽飛機工業（集團）有限公司制造數據中心進行了有效推廣，在多個新機研制中實現了廣泛應用。截至2014年底，應用該系統進行樣板快速設計的零件數為2646項，平均縮短設計時間65%~80%。其中，大型結構件外形樣板設計應用零件117項，縮短設計時間70%；復雜鈑金件外形樣板及展開樣板應用零件271項，縮短設計時間50%~80%；樣板補加應用零件2312項，縮短設計時間50%；各工具應用零件均超百項，經應用證實其可靠性好，適應能力強。從應用情況看，該系統穩定性好，從總體上可提高樣板設計效率。

1）大型結構件外形樣板設計應用實例

針對某大型結構件樣板（如圖12(a)所示），其特征為碎線多，曲線扭曲復雜。采用快速設計系統進行設計，通過與傳統交互式設計相似樣板的數據進行比較。設計時間、工作量變化及最終設計結果如表3及圖12(b)所示。

圖12 某框類零件外形樣板快速設計應用實例

表3 某大型結構件樣板快速設計與交互設計對比

2）鈑金外形、展開樣板應用實例

針對某復雜鈑金零件如圖13(a)所示，其特點是彎邊缺口多，彎邊角度變化劇烈。采用快速設計系統進行設計，通過與傳統交互式設計方式進行比較，節省時間及最終設計結果如表4及圖13(b)所示。

表4 某鈑金零件外形及展開樣板快速設計與交互設計對比

圖13 某框類零件外形樣板快速設計應用實例

3）樣板補加應用實例

選取四個小型零件樣板（如圖14(a)所示），需要添加標準補加，傳統采用復制黏貼的方式可適當提高工作效率，但與快速設計方式相比較，仍然有較大差距。應用情況及結果如表5與圖14(b)所示。

圖14 零件樣板應用實例

表5 樣板補加快速設計與交互設計對比

4 結論

作為飛機零件制造及檢驗常用工具的樣板，其設計效率在飛機零件生產中具有重要作用。本文研究了飛機樣板快速設計系統架構及關鍵方法，將專家設計知識與CAD/CAM系統進行深度融合，大幅減少設計時間的同時顯著降低設計人員的勞動強度，實現了飛機樣板設計的快速化。根據應用情況，得出如下結論：1）該系統能夠解決制約飛機樣板設計效率的瓶頸問題，為新機研制縮短樣板設計周期；2）實現專業化、快速化的設計思路，可以大幅度減少設計員的重復工作量；3）有效融合了專家設計經驗知識，有助于設計過程及結果實現規范化、標準化。

[1] 劉寶明,韓志仁.基于AutoCAD二次開發的樣板零件圖自動優化處理軟件設計[J].制造業自動化2011,9(33)：16-17.

[2] 石晶.MBD技術下框類零件鉆孔樣板的設計方法[J].裝備制造技術.2014,9：78-80.

[3] 郝博,李亞南.基于CATIA二次開發的鈑金零件檢測規劃技術[J].制造業自動化.2013,35(11)：10-14.

[4] 于芳芳,鄭國磊,陳樹林,杜寶瑞,初宏震.飛機整體壁板智能數控編程系統[J].航空制造技術.2008.23：83-88.

[5] 甘忠,王亮,譚海兵,黃官平.大型立體化銑樣板設計與制造方法探索[J].航空制造技術.2013.17：78-88.