航空二維圖紙衍生類工藝數模設計技術

陳博文，劉思宇，顧云峰

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都 610091）

0 引言

隨著數字化技術迅速發展和廣泛應用，目前，我國新機研制已全面采用以數字化為核心的設計制造技術體系，使傳統的飛機產品研制過程發生了根本性變革，大幅度提高了飛機設計制造技術水平，加快了現代飛機研制的整體進程。采用模線樣板—標準樣件方法來協調產品的形狀和尺寸是傳統飛機制造中尺寸傳遞的特點。在這個過程中，由于是模擬量傳遞，所以各個環節所形成的原始尺寸的一些誤差，也伴隨著形狀和尺寸的傳遞而轉移，這些誤差的積累（相加或相減），最終體現到產品的最后形狀和尺寸上。本文在產品二維設計圖紙的基礎上，進行飛機產品零件三維數字化模型構建，重要鈑金以及復材零件工藝裝備數字化重構等技術研究，對產品進行必要的數字化定義，可以有效提高工藝裝備制造質量、產品零件制造質量和飛機裝配質量。

1 典型二維圖紙衍生類工藝數模設計技術

1.1 二維圖紙衍生類工藝數模定義

二維圖紙衍生類工藝數模是在CATIA V5 3D 環境下，以飛機理論圖、產品圖（不包括產品數模）、飛機理論外形數模，數字化UD（無尺寸）圖等為依據，用來滿足工裝、零件的數字化制造、檢測和飛機裝配的各種工藝協調性要求而創建的零件三維幾何數字數模。可作為各類工序工藝協調數模的設計依據之一。

二維圖紙衍生類工藝數模屬于工藝協調數模范疇，以下簡稱工藝協調數模。

1.2 二維圖紙衍生類工藝數模技術難點和解決方案

1.2.1 數字化UD（無尺寸）圖建模技術

（1）根據數字化UD（無尺寸）圖創建工藝協調數模過程中，將數字化UD（無尺寸）圖導入CATIA V5 R18 草圖中，按視圖關系置于飛機坐標系下，經常會出現斷線和線條不連續問題（圖1）。

（2）解決方法。選取較長的線條，在距離斷點5～10 mm 上取點，并與另一線條的斷點連接，最后將3 條線段連接并光順。這種解決方法得到了大量工藝協調數模的驗證，有利于減小建模誤差，使工藝協調數模達到使用要求（圖2）。

1.2.2 曲面重構技術

（1）根據二維線框和理論外形構建三維數模過程中，理論曲面經常會出現不連續和不光順的情況，需要對曲面進行重構設計，使之能達到后續設計要求（圖3）。

圖1 線條斷點不連續

圖2 線條不連續解決方法

圖3 曲面不光順

（2）解決方法。選取曲面較長的邊線，設置30～50 個垂直于該曲線的平面。然后將平面與曲面求交得到相應的交線，這時的交線是不連續的。需要再對各個曲線進行擬合光順，得到符合條件的曲線。最后用多截面曲面的功能生成新的曲面（圖4）。最后根據企業規范要求檢查并修正，使用CATIA 曲面間距離分析功能，使重構后的曲面與原始曲面的偏差不超過±0.05 mm。

圖4 曲面重構

1.2.3 復材蒙皮類零件協調設計技術

（1）復材類蒙皮零件由于其鋪層數量不一致，導致其內型面形成臺階。存在兩個問題，一是內型面經常作為與之有裝配關系的鈑金零件的建模依據，因此，要處理好有臺階的內型曲面。二是復材蒙皮的鋪層厚度更改（如某機型垂尾復材蒙皮由0.12 mm 改為0.125 mm），現裝配時，由于機加件先安裝，蒙皮厚度增加，機加件將蒙皮外頂，導致其他基于鋪層厚度為0.125 mm 的蒙皮所設計的零件與蒙皮不能貼合（圖5）。要使與蒙皮裝配的鈑金件和機加件更好協調。

圖5 零件與蒙皮不能貼合

（2）解決方法。①針對處理有臺階的曲面，提出一種經過使用驗證的方法。將高臺階的面向外延伸1 mm，低臺階面做一條平行且距離端面5 mm 的曲面。利用橋接功能將延伸面和平行曲線連接得到過渡面，使之滿足后續其他裝配零件的建模要求（圖6）；②為使與蒙皮裝配的鈑金件和機加件更好協調。經設計驗證和裝配人員討論，設計基于鋪層厚度為0.12 mm 的復材零件，后續裝配未出現不貼合情況（圖7）。

圖6 復材蒙皮內型面擬合

圖7 裝配協調性解決方法

2 二維圖紙衍生類工藝數模設計技術的應用及思考

依據工藝協調數模三維數字化制造模型，完成相關零件工裝的設計和制造，使用工裝數模設計三維檢測數據，實現了上述工裝的數字化檢測，并以此作為工裝質量控制的重要手段。工裝的掃描測量主要以按飛機理論外形數據及產品圖紙建立的工藝數模為測量依據，數控測量工裝，測量設備為測量臂，測量點位精度為±0.028 mm。除直接掃描測量，部分工裝采用逆向建模來比較模型差異。即掃描工裝型面和零件外形線獲得點云數據，逆向處理后與零件數模對應型面進行比對，進一步確保建模質量。

3 結論

在傳統模擬量傳遞向數字化方法轉變的過渡時期，要更好結合設計技術，使得三維模型貫穿在整個飛機設計制造過程中，成為飛機設計制造的依據。隨之而來，應該深入研究二維圖紙衍生類工藝數模設計技術，繼續解決按樣板制造的實物標工，其表面外形質量不高、表面基準線、站位線、蒙皮分割線不準確問題以及標工長期存放變形問題；解決按樣板或實物標工協調制造的鈑金及復材零件工裝，工裝加工難度大、型面質量差以及零件外形刻線不準確的問題；解決飛機采用模擬量傳遞和協調，鈑金及復材零件制造精確性差、零件裝配互換性差、部件裝配協調性不高的問題；最終實現重要鈑金及復材零件的精確成形、數字化加工，實現航空產品零件精確交付。

二維圖紙衍生類工藝數模設計技術的推廣應用，能夠有效減小飛機重要鈑金零件工裝，如拉型模、模胎，以及復材零件的成型模、交接夾具等的制造技術難度，制造精度也得到大幅度提高，能更好滿足當前飛機質量需求。