帶缺口飛機(jī)框肋類零件展開(kāi)工藝數(shù)?？焖僭O(shè)計(jì)??

韓志仁 王 毛 張 敏 余志良

(①沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110136；②沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽(yáng)110136；③中航飛機(jī)漢中飛機(jī)分公司模線中心，陜西漢中723215)

飛機(jī)框肋類零件是機(jī)體框架中的組件.框肋類零件的腹板通常是平的,且四周有彎邊[1].在制造過(guò)程中,彎邊零件需要根據(jù)展開(kāi)圖計(jì)算出展開(kāi)尺寸進(jìn)行下料,或根據(jù)展開(kāi)樣板進(jìn)行下料[2].彎邊展開(kāi)工作多以手工計(jì)算為主,計(jì)算機(jī)計(jì)算為輔,隨著復(fù)雜零件彎邊截面的曲率、高度、角度的多變,以及長(zhǎng)桁缺口的附加,需要對(duì)截面逐一展開(kāi)計(jì)算尺寸,并設(shè)計(jì)長(zhǎng)桁缺口處外形,工作量大、精度低、周期長(zhǎng)[3-6].我國(guó)在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)全面推行基于MBD的模型設(shè)計(jì)技術(shù),各個(gè)主機(jī)廠針對(duì)特定機(jī)型在數(shù)字化制造方面施行基于數(shù)字化無(wú)圖三維制造技術(shù),軟件普遍采用CATIA.用CATIA鈑金模塊中的展開(kāi)功能對(duì)三維零件數(shù)模進(jìn)行展開(kāi),再投影生成展開(kāi)模線,會(huì)造成二維展開(kāi)圖中彎邊終線多出,外形交叉線、長(zhǎng)桁軸線、倒角缺失,缺口線不規(guī)范,外形交叉線不是雙點(diǎn)劃線等諸多問(wèn)題,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)展開(kāi)樣板既繁瑣又費(fèi)時(shí).

國(guó)內(nèi)外研究人員在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究.盧元杰[7]等通過(guò)分析鈑金零件展開(kāi)的復(fù)雜性,對(duì)典型零件展開(kāi)計(jì)算方法進(jìn)行了綜述,分別有:經(jīng)驗(yàn)公式法、滑移線法、勢(shì)場(chǎng)模擬法、幾何映射法、解析法和反向模擬法.曹蔚[8]等提出了三種展開(kāi)方法:輪廓擴(kuò)大法、旋轉(zhuǎn)平移法和法向截面展開(kāi)法,并進(jìn)行了展開(kāi)軟件的開(kāi)發(fā),其中,法向截面展開(kāi)法以彎邊始線為參考線做相應(yīng)展開(kāi)處理,仍存在著一定誤差.陳樹(shù)林[9]等在樣板設(shè)計(jì)的展開(kāi)模塊中提出了基于凹凸屬性的鈑金彎邊特征識(shí)別技術(shù),并提供了彎邊參數(shù)自動(dòng)計(jì)算和快速標(biāo)注工具.

本文通過(guò)分析復(fù)雜鈑金件的幾何特征,開(kāi)展了帶缺口飛機(jī)框肋類零件展開(kāi)工藝數(shù)模快速設(shè)計(jì)的研究.以多截面外形交叉線法為基礎(chǔ),使用采樣平面對(duì)零件進(jìn)行多截面切分,經(jīng)對(duì)比分析后以獲取最合適的展開(kāi)參數(shù),再進(jìn)行彎邊展開(kāi)值的計(jì)算并繪制展開(kāi)線,最后由邊界約束、點(diǎn)約束進(jìn)行缺口繪制、以及倒角、工藝孔添加等處理.通過(guò)對(duì)CATIA進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),利用CAA(component application architecture)的模塊化獨(dú)立性和可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì),并以參數(shù)化設(shè)計(jì)思維為橋梁,提高了展開(kāi)工藝數(shù)模設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)性、快速性和可修改性.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 展開(kāi)工藝數(shù)模的信息體現(xiàn)方式

飛機(jī)零件工藝數(shù)模包含制造、協(xié)調(diào)、裝配等信息,分為二維工藝數(shù)模和三維工藝數(shù)模兩種,可直接用于生產(chǎn)制造[10].系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),綜合二維數(shù)模和三維數(shù)模的優(yōu)缺點(diǎn),在三維數(shù)學(xué)模型中選擇保留原有彎邊零件實(shí)體,并以添加二維點(diǎn)、線、面的形式體現(xiàn)展開(kāi)工藝數(shù)模的幾何信息；同時(shí),結(jié)構(gòu)樹(shù)中添加相關(guān)工藝信息.再由系統(tǒng)自動(dòng)搜索選擇需要的三維線、面進(jìn)行投影生成二維展開(kāi)圖,并在圖中標(biāo)注相關(guān)工藝信息.

這種設(shè)計(jì)方式在三維中保留了三維數(shù)模逼真立體的優(yōu)點(diǎn),又清晰地表現(xiàn)了展開(kāi)后的用料情況,同時(shí)也保證了三維、二維數(shù)模之間的關(guān)聯(lián)性.區(qū)別于在三維中直接將三維零件實(shí)體展開(kāi)的方法,本方式更便于理解、觀察,有助于后期修改工作的高效進(jìn)行.

1.2 可展開(kāi)的零件類型

系統(tǒng)功能可實(shí)現(xiàn)多個(gè)彎邊同時(shí)展開(kāi)(n≥1),如圖1中的零件,可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)彎邊同時(shí)展開(kāi),不會(huì)因?yàn)閺澾咁愋偷牟煌绊懻归_(kāi)效率.系統(tǒng)具體可展開(kāi)的零件類型有:

(1)單彎邊零件:直彎邊、(凸、凹)曲面彎邊、帶缺口、帶多個(gè)彎邊的零件.

(2)多次彎邊零件:雙彎邊零件等.

2 多截面外形交叉線法

2.1 單彎邊零件展開(kāi)

多截面外形交叉線法是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法,分為外形交叉線平移法和外形交叉線光順?lè)▋煞N.兩者均以外形交叉線為參考線做相應(yīng)展開(kāi)處理,可解決變曲率、高度、角度零件的展開(kāi)問(wèn)題,使得系統(tǒng)適用零件范圍更廣.

采用多截面外形交叉線法,單彎邊零件展開(kāi)的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

步驟1:生成外形交叉線

導(dǎo)入數(shù)模后,拾取零件幾何特征信息(如圖2所示):腹板面、彎邊面、彎邊始線、彎邊終線、兩邊界、工具孔參考點(diǎn).分別過(guò)彎邊始線作腹板面的外插延伸面,過(guò)彎邊終線作彎邊面的外插延伸面,兩外插延伸面相交得到外形交叉線.

步驟2:設(shè)定采樣平面位置

過(guò)彎邊始線兩端點(diǎn)作垂線交外形交叉線于點(diǎn)a、b.在外形交叉線上,分別作距離a、b兩點(diǎn)10 mm(由用戶給定距離,10 mm僅舉例)的兩點(diǎn)c、d(如圖2所示,此處ac＝bd＝10 mm作參數(shù)化處理),過(guò)c、d兩點(diǎn)作外形交叉線的法平面,即采樣平面.若此時(shí)外形交叉線過(guò)長(zhǎng),系統(tǒng)則在c、d兩點(diǎn)間按n(n≥2)等分點(diǎn)均勻增加采樣平面.增加采樣平面公式如下:

其中:Ni表示線段cd間添加的第i個(gè)采樣平面；L為線段cd的長(zhǎng)度；w為外形交叉線長(zhǎng)度；n由用戶給定.

步驟3:獲取展開(kāi)參數(shù)

采樣平面與零件實(shí)體相交,得到展開(kāi)參數(shù):彎曲內(nèi)半徑R、斜角值α以及彎邊實(shí)際寬度H.

針對(duì)零件可展開(kāi)彎邊類型的不同,斜角值α以及彎邊實(shí)際寬度H的計(jì)算方法也不盡相同(如圖3所示):

(1)直彎邊框肋類零件:斜角值α為腹板面和彎邊面的夾角.彎邊寬度H為采樣平面上外形交叉線至彎邊面的終線間垂直距離.

(2)(凸、凹)曲面彎邊的零件:斜角值α的計(jì)算作割線處理.彎邊寬度H為在采樣平面上彎邊面外插延伸后至外形交叉線的曲線長(zhǎng)度.

步驟4:查詢K值

系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢K值(如表1所示),進(jìn)行展開(kāi)值Z值的計(jì)算.

步驟5:對(duì)比分析選擇合適的展開(kāi)值Z值

由于利用多個(gè)采樣平面切分,計(jì)算出來(lái)的展開(kāi)值不一定相同,對(duì)比、分析選擇合適的展開(kāi)值Z值進(jìn)行下一步操作:

(1)如果角度變化小,則選擇最大的展開(kāi)值進(jìn)行下一步操作,例如角度值分別為95°、97°,最終計(jì)算出來(lái)的展開(kāi)值分別為16.261 mm、16.469 mm,則選擇Z＝16.469 mm進(jìn)行步驟6操作.

表1 K值數(shù)據(jù)庫(kù)(部分)

(2)如果角度變化大,則增加高密度采樣平面(此時(shí),在外形交叉線上,每隔0.1 mm設(shè)置一個(gè)采樣平面),并獲取每個(gè)采樣平面對(duì)應(yīng)的展開(kāi)值Z值進(jìn)行步驟7操作.增加采樣平面公式如下:

其中,i＝0,1,…,i,…,n.

步驟6:外形交叉線平移法

在腹板面的外插延伸面上,將外形交叉線沿法向平移Z個(gè)單位,繪制展開(kāi)線L.

步驟7:外形交叉線光順?lè)?/p>

在腹板面的外插延伸面上,過(guò)每一個(gè)采樣平面與外形交叉線的交點(diǎn),作外形交叉線的垂線,垂線長(zhǎng)度為Z,并用光滑的曲線依此連接這些垂線的終點(diǎn),即展開(kāi)線L.

步驟8:倒角

利用邊界條件判斷是否需要倒角,并選擇倒角類型,有:倒圓角、倒斜角.

步驟9:缺口

判斷是否有缺口,利用邊界條件、工具孔參考點(diǎn)條件繪制長(zhǎng)桁缺口線及工藝孔.工藝孔包括工具孔和導(dǎo)孔等,工具孔規(guī)格隨長(zhǎng)桁缺口樣式變動(dòng)、導(dǎo)孔均勻位于外形交叉線上.

步驟10:三維展開(kāi)效果補(bǔ)充

長(zhǎng)桁軸線處標(biāo)注計(jì)算Z值時(shí)采用的斜角值；線型改變:外形交叉線變雙點(diǎn)劃線；結(jié)構(gòu)樹(shù)中展開(kāi)線及作圖過(guò)程的體現(xiàn)等.

步驟11:二維展開(kāi)圖

系統(tǒng)自動(dòng)選擇三維展開(kāi)效果中的腹板面、展開(kāi)線L、長(zhǎng)桁缺口線、長(zhǎng)桁軸線、倒角等進(jìn)行投影生成二維展開(kāi)圖.

二維展開(kāi)圖中配有輔助功能:補(bǔ)加功能、開(kāi)視孔功能.

彎邊展開(kāi)流程如圖4所示.

2.2 多次彎邊零件展開(kāi)

如果零件有多次彎邊,如ㄇ、幾、ㄣ截面形狀盒形零件等,則依次展開(kāi).每次展開(kāi)的斜角值α和彎邊寬度H與單彎邊零件展開(kāi)時(shí)相同,需要注意區(qū)分對(duì)應(yīng)的腹板面、彎邊面等.

如圖5所示為帶有兩個(gè)彎邊的零件,其中,右側(cè)彎邊為雙彎邊.以該復(fù)雜零件為例闡述其中注意事項(xiàng):

(1)如圖5a所示,零件左側(cè)彎邊展開(kāi)時(shí),對(duì)應(yīng)的腹板面為中間腹板的下表面；右側(cè)展開(kāi)時(shí),對(duì)應(yīng)的腹板面為中間腹板的上表面.

(2)零件右側(cè)雙彎邊展開(kāi)時(shí)(如圖5b所示),展開(kāi)值相當(dāng)于兩次展開(kāi)的累加.第一次展開(kāi),對(duì)應(yīng)的腹板面、彎邊面分別是腹板面1、彎邊面1,展開(kāi)值為Z1.第二次展開(kāi),對(duì)應(yīng)的腹板面、彎邊面分別是腹板面2、彎邊面2,展開(kāi)值為Z2.外形交叉線1為腹板面1與彎邊面1兩者的外插延伸面的交線,最終以外形交叉線1為參考線做展開(kāi)處理,總展開(kāi)值為Z＝Z1+Z2.

3 缺口的設(shè)計(jì)

3.1 定制缺口

標(biāo)準(zhǔn)缺口類型有:角形型材桁條的缺口、丁字型材桁條的缺口、槽型型材桁條的缺口、Z字型材桁條的缺口等,缺口類型繁多(如圖6).每一類缺口中,由于桁條位置的變化(如圖7中距離A的變化),工具孔的位置參數(shù)也將隨之發(fā)生改變.為營(yíng)造良好的用戶交互性環(huán)境,構(gòu)建缺口數(shù)據(jù)庫(kù)是十分必要的.

3.2 缺口的參數(shù)化設(shè)計(jì)

缺口的參數(shù)化設(shè)計(jì)主要是對(duì)彎邊展開(kāi)部分以及工具孔位置進(jìn)行設(shè)計(jì),為了滿足桁條所需空間,零件內(nèi)部彎邊展開(kāi)時(shí)需要倒斜角,靠近邊界的彎邊展開(kāi)時(shí)需要倒圓角,以角形型材桁條的缺口HBO-26-B6為例介紹,如圖7所示.

系統(tǒng)通過(guò)控制關(guān)鍵點(diǎn)的約束關(guān)系(如表2所示),實(shí)現(xiàn)缺口的參數(shù)化設(shè)計(jì).約束關(guān)系主要有:弧EF分別與DE、FG相切,BC與垂線夾角為7°,CD與垂線夾角為30°,DE距外形交叉線的距離為展開(kāi)值Z值.

表2 關(guān)鍵點(diǎn)約束關(guān)系

表2中,B點(diǎn)坐標(biāo)由零件外形決定,w表示外形交叉線長(zhǎng)度,Z為展開(kāi)值.

4 實(shí)例及驗(yàn)證

4.1 快速展開(kāi)工藝數(shù)模功能實(shí)現(xiàn)

以某一型號(hào)飛機(jī)帶缺口直彎邊補(bǔ)償件為例(如圖8a所示),介紹快速展開(kāi)工藝數(shù)模功能的實(shí)現(xiàn).進(jìn)入CATIA界面,打開(kāi)需要展開(kāi)的零件數(shù)模.按照?qǐng)D8b中示意圖提示,拾取零件相應(yīng)特征信息,并設(shè)定初始參數(shù).點(diǎn)擊預(yù)覽,此時(shí)三維數(shù)模中增添展開(kāi)線、外形交叉線、長(zhǎng)桁軸線、工具孔、導(dǎo)孔、斜角標(biāo)注,如圖8c中添加線所示.左方結(jié)構(gòu)樹(shù)中增添工藝信息作圖過(guò)程、工藝協(xié)調(diào)數(shù)模信息、斜角標(biāo)注集等信息.點(diǎn)擊生成二維圖按鈕,系統(tǒng)遍歷結(jié)構(gòu)樹(shù)自動(dòng)選定要投影的幾何信息,如圖8c中對(duì)話框所示.點(diǎn)擊確定生成二維展開(kāi)圖,分別點(diǎn)擊開(kāi)視孔、補(bǔ)加功能按鈕添加相應(yīng)幾何信息,二維展開(kāi)最終效果圖如圖8d所示.

4.2 效率驗(yàn)證

分別對(duì)帶單個(gè)彎邊的零件、帶單個(gè)曲面彎邊的零件、帶多個(gè)彎邊的復(fù)雜零件(如圖1所示零件)、帶缺口多個(gè)彎邊的零件(如圖8a所示零件)進(jìn)行測(cè)試.記錄工藝人員和軟件對(duì)四種零件展開(kāi)所花費(fèi)的時(shí)間,具體結(jié)果如表3所示,并將結(jié)果繪制成折線圖,如圖9所示.

表3 花費(fèi)時(shí)間記錄表 min

由表3和圖9可以看出,隨著零件復(fù)雜度的增大,工藝人員和軟件展開(kāi)工作所花費(fèi)時(shí)間均逐漸增長(zhǎng),但工藝人員所花時(shí)間增長(zhǎng)更快,和軟件所花時(shí)間的差距越來(lái)越大.所以,對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的零件,效率已提高3倍以上,隨著零件復(fù)雜程度的增大,利用軟件進(jìn)行彎邊展開(kāi)的優(yōu)勢(shì)將愈來(lái)愈明顯.

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究復(fù)雜框肋類零件展開(kāi)工藝數(shù)模建模方法,提出一套快速展開(kāi)工藝數(shù)模技術(shù).有效地提取零件幾何特征信息并計(jì)算展開(kāi)尺寸,保證了零件展開(kāi)信息的有效性,實(shí)現(xiàn)了:

(1)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì),程序內(nèi)部通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)多個(gè)彎邊同時(shí)展開(kāi),而不是對(duì)每個(gè)彎邊進(jìn)行逐一展開(kāi),解決了帶有多個(gè)彎邊的狹長(zhǎng)零件在展開(kāi)時(shí)效率低、精度不高的問(wèn)題.

(2)完成了工藝信息:工藝孔、角度線、缺口等的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化、快速化設(shè)計(jì).

(3)由本文提出的基于CATIA/CAA的帶缺口飛機(jī)框肋類零件展開(kāi)工藝數(shù)?？焖僭O(shè)計(jì)的方法將展開(kāi)設(shè)計(jì)工作效率至少提高3倍以上,降低了工藝人員工作負(fù)擔(dān),提高了數(shù)字化制造水平.