飛機蒙皮的逆向建模研究

李彥

摘 要：為了實現飛機蒙皮的數字化，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，獲取點云數據，利用CATIA模塊逆向建模得以實現。這一研究，既保留了工裝型胎的原始數據，又為蒙皮的數字化制造、數字化協調提供了電子數據。

關鍵詞：蒙皮；數字化；逆向；建模

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

1 概 述

隨著數字化技術的發展，三維的數字化模型已經成為尺寸傳遞的主導方式。為了適應當前形勢，通過采集現有蒙皮零件或者其型胎的點云數據，利用CATIA命令進行逆向建模，返求出蒙皮零件的三維數學化模型。這樣一個從實際物體到幾何建模的過程，是蒙皮零件數字化生產制造的基礎，是零件工裝型胎再制造的依據，也是新型數字化制造、數字化協調同原有制造依據的紐帶。這一過程既延續了傳統的生產鏈，又與當下的數字化生產制造相接軌。

通常情況下，蒙皮類零件的形狀較為復雜，曲面由多個曲率不同的曲面組成，因此形成蒙皮型面時，不僅要求對曲面進行有經驗地分割和拼接，而且還要求每一個曲面均是平滑高質量的曲面，要想達到此目的，關鍵在于構建光順平滑的曲線。下面就以一個蒙皮類零件為例，詳細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：采集及處理數據、構建蒙皮實體模型、模型偏差因素分析。

其中，構建模型又分為：截面線的形成、優化；構建曲面；擬合邊緣線和形成實體等幾個步驟。蒙皮零件，如圖1所示，以圖1為例來加以說明。

2.1 采集及處理數據

采集蒙皮零件數據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行垂直掃描，采集三維數據，然后在CATIA中利用CLOUD IMPORT導入形成點云文件，如圖2所示。

當點云數據導入到CATIA后，對點云進行適當處理。為了預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則自由曲面，初步建立網格就可以直觀地看出零件的外形特征。仔細觀察區域內是否有鼓包或塌陷等缺陷，去除這些失真元素，盡量使破壞表面質量的元素降低到最少，那么就可以利用此點云進行建模了。

2.2 構建蒙皮實體模型

2.2.1 截面線的形成、優化

建模的第一步就是建立截面元素。截面元素是用來創建與掃描數據相交的平面，將截面元素與相應的網格或點云相交，得到的交線就是截面線。截面線是曲面構建的基礎，也是關系曲面質量好壞的關鍵元素。

通過觀察點云數據，篩選出外形接近的部分放在一個設計區域里，然后運用CATIA命令，按照一定的間距創建截面線，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進行曲面設計，形成一個完整的曲面。但是對于形狀相對復雜的零件，這些曲線就不能直接生成曲面，因此必須先對這些曲線進行優化。

由于生成的截面線會有許多缺陷，比如端點不齊，這將導致創建多截面曲面時，邊緣質量不好；再比如過渡不平滑，使得形成的曲面不均勻過渡，型面質量不好，因此需要對截面線進行調整。線條調整的方式較多，可以通過草圖擬合，也可以通過樣條曲線擬合，擬合時，各樣條曲線的節點數應盡量一致，線條長短、點位間距比例均應恰當。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 構建曲面

蒙皮型面的構建主要采用的方法是掃掠法。選擇優化后的截面線進行多截面曲面掃掠，通常可以得到較完善的型面。

在蒙皮型面曲率變化不太大的情況下，可以將點云數據分割之后分別掃掠，然后拼接，形成整個型面。

這樣做的好處是分割處理點云數據，每部分曲面可以細化，得到更精細、更完善的設計。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性，這樣才能保證曲面整體的表面質量。如圖4所示。

2.2.3 擬合邊緣線

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

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計較直的邊緣線。在設計中，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 形成實體

曲面形成后，直接加厚就可以構建實體了。如果蒙皮零件的數據是掃描其模具所得，那么將構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量；掃描儀器的精度；建模過程曲線的處理方式等。基于以上因素，為了盡量減小模型的偏差，首先應在掃描前將零件或者工裝型胎進行修復，其次應用高精度掃描儀，嚴格按照操作規程進行掃描，最后在建模過程中曲線進行細致優化。

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

3 結 語

綜上所述，逆向建模是實現蒙皮數字化的有效工具，架設起實際物體與幾何建模的橋梁，也為蒙皮的數字化生產、數字化協調提供了一個高效的技術手段。

參考文獻：

[1] 范玉青.現代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

[2] 金濤，童水光.逆向工程技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3] 尤春風.CATIA V5高級應用[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4] 中航工業沈飛制造工程部.工藝員手冊第二分冊模線樣板及制造數 據設計管理[K].沈陽飛機工業（集團）有限責任公司內部資料.2009.