飛機鈑金零件的數字化建模及逆向驗證

王 軍

（航空工業成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092）

1 飛機鈑金零件的數字化建模

飛機鈑金零件的數字化建模是先收集精確的鈑金零件模擬量，該文通過三維建模軟件CATIA 進行三維設計建模[1]，該三維模型精度較高可以作為鈑金零件的生產和檢驗依據。依托于現有的數字化生產設備和數字化檢驗設備，零件的生產周期將大量縮短，精度將穩步提升，質量將大幅改善，成本將明顯降低。隨著計算機輔助設計的興起[2]，航空鈑金零件的數字化設計、制造為鈑金數字化檢測技術帶來了巨大的技術發展空間，只有數字化的檢測技術才能真正協助鈑金數字化制造向成熟發展。

1.1 飛機鈑金零件模擬量信息提取

飛機鈑金零件模擬量信息的提取內容主要為零件的具體尺寸、零件的具體位置與零件的技術狀態3 個方面，這3個方面是零件最基本的屬性，除了部分直型材、直導管及部分標準件不需要零件的具體位置以外，所有鈑金零件三維數模都應包含這3 個要素。在提取飛機鈑金零件的具體尺寸模擬量信息時，要注意將圖紙中所有的模擬量信息提取完畢，特別需要注意某些尺寸需要在特定的剖視圖或者與其相配合的視圖中查找。某些非精確的尺寸需要根據已知的尺寸或相配合零件的尺寸進行計算得出，對于下陷、止裂槽等圖紙中未給出的尺寸可根據相應的國標或行標計算得出。在提取飛機鈑金零件具體位置模擬量信息時，要提取飛機坐標系下的位置信息，通常圖紙中會給出鈑金零件在飛機坐標系下BL 和WB 方向上的坐標位置，而WL 方向上的位置則需要通過查閱與其相配合的零件的具體尺寸進行計算而獲得。在提取飛機鈑金零件技術狀態模擬量信息時，可通過查閱圖紙中給出的零件狀態、已發布文件信息，對于熱處理及噴漆類關鍵信息需要多次確認，防止出錯造成報廢。飛機鈑金零件模擬量的提取一定要提取最新發布圖紙的有效信息，同時還要注意將工程指令中的信息納入總的模擬量信息中。

1.2 飛機鈑金零件三維數字模型構造

飛機鈑金零件三維數字模型構造主要采用CATIA 軟件完成，其強大的曲面設計功能和覆蓋面極廣的綜合性能基本滿足了復雜的飛機鈑金零件設計要求，隨著計算機輔助設計的興起，CATIA 應用領域越來越廣泛。圖1 為正向建模過程示意圖。飛機鈑金零件三維數字模型的具體外形通常是由在對應飛機坐標系位置的實體經過抽殼、分割、打凹槽與倒圓角等命令操作后形成的，每個三維數模具體需要什么樣的命令由其自身的外形所決定。為了將設計所要求的模擬量完全轉化為對應的數字量，必須注意特殊情況操作命令的使用順序，例如為了構造1 個長300 mm、寬100 mm、高50 mm、外圓角100 mm、厚2 mm 的“L”形簡單鈑金件，需要將分割好的實體先倒圓角再抽殼才能得到，如果先抽殼后倒圓角，CATIA 則會報錯。

圖1 正向建模流程示意圖

為實現數字化建模，根據工作原理，可以將結構復雜的模型劃分為多個子模型。圖2 為建模操作順序示意圖。數模結構樹的規范化與標準化是保證設計人員、校對人員、使用人員正常工作的基礎。

圖2 建模操作順序示意圖

三維數模的設計過程都統一放置在建模過程中，引用裝配數模中的曲面統一放置在標準元素中，各種技術狀態需要在對應的注釋后標明。經初步校對無誤后的數模需要上傳至內網供仿真人員進行仿真碰撞分析，若仿真結果顯示碰撞或有間隙時需數模設計人員復查數模構建錯誤的原因并進行修改。總的來說，建模錯誤的原因可以分為建模操作錯誤與模擬量提取錯誤，針對不同的錯誤原因采取不同的措施對數模進行修改直至數模仿真分析結果顯示無誤。數字化建模的宏觀把控重點在于優化建模流程，組織好各工位的工作順序[3]，控制各工位完成時間，進而縮短正向建模時間，提高建模工作效率。

2 飛機鈑金零件的逆向驗證

相對于傳統的正向裝配仿真分析驗證而言，逆向驗證具有針對性強、覆蓋面廣的特點。逆向驗證通過處理激光掃描工裝表面特征獲取的點云與便攜式柔性測量臂擬合工裝的刻線，采用逆向工程構建鈑金零件與成形工裝相貼合的面，可用于驗證飛機鈑金零件三維數字模型與實際鈑金零件在邊緣尺寸與空間外形方面的具體差異值。

2.1 激光掃描工裝表面特征獲取點云

在逆向還原實樣數字量時，首先需要對模型的數據進行采集，通過分析模型的曲面幾何特征確定整體方案。該方案采用3D 掃描技術獲取工裝型面的原始點云數據，通過點云數據處理與優化得到基礎數字化模型。結果表明，移動式三維激光掃描儀在掃描工裝中可以明顯提高作業效率且滿足測量精度要求，具有較好的應用前景。掃描工裝表面特征的儀器采用手持移動式激光掃描儀，相對于傳統的三坐標測量儀，它具有使用便攜、成本低廉、效率較高的特點。手持式激光掃描儀獲取工裝型面特征時需要在其上黏貼靶向點以便于計算機更加精準地擬合點云曲面，靶向點的黏貼要盡量均勻，間距大約為60 mm。圖3 為零件標點黏貼示意圖。在安放工裝的平臺上需要放置3 個坐標球用于定位，坐標球的擺放位置應盡量分散，不能在一條直線上。為保證掃描結果精度符合要求，掃描過程中手持式激光掃描儀速度要盡量保持勻速，移動線速度應控制在50 mm/s 以內，轉動角速度應控制在72 rad/s 以內。

圖3 零件標點黏貼示意圖

2.2 測量臂測量工裝刻線擬合零件內外形線

測量工裝型面刻線的儀器為便攜式柔性測量臂，探頭接觸式測量可人工規劃測量路徑，在某些死角區域也可完成測量任務。數字化測量技術是實現飛機數字化高精度裝配的基礎[4]，接觸式測量方式具有測量精度較高、使用方便和結構簡單等優勢，同時，比傳統三坐標測量機測量系統更靈巧、便捷。零件內外形線可由測量臂采集工裝刻線上的樣點經計算機最佳擬合后得到。測量臂選取樣點之間的間距根據曲線的曲度決定，與曲線的長度關聯性不大，曲線的曲度越大則需要選取的樣點越多。理論上計算機只需要采集3 個樣點就可以擬合出直線與圓弧，但是飛機鈑金零件外形較為復雜，其真實形狀非簡單的直線或圓弧，考慮到刻線本身的誤差，樣點的選取應盡量多一些。測量臂采用最小二乘法[4]計算坐標位置方程，測量臂需要在每個坐標球表面采集10 個以上的樣點，密集的樣點在CATIA 的快速表面重建界面重新生成坐標球，用以與點云中對應的每個坐標球相匹配，從而實現點云與刻線在同一個坐標系下的位置唯一性。

2.3 處理數據實行逆向驗證

逆向驗證通過量化對比零件與工裝型面相貼合的面和正向構建三維數模與工裝數模相貼合的面之間的差異值，顯性化與零件內外形線相對應的工裝刻線和三維數模的內外形線之間的差異值，進而得出正向構建的三維數模與實際生產的零件在對應尺寸處的差值，可更加全面、具體地驗證后者的準確性。由于零件實際的內外形線與型面和工裝相對應的表面特征具有一定的誤差，儀器收集、人工處理數據時也會產生誤差，誤差的累計會導致逆向構建的型面會有一定程度的失真，所以逆向驗證的結果更加傾向用于定性的參考。若90%零件型面的尺寸誤差在±1 mm 以內，90%零件內外形線的尺寸在±0.5 mm 以內，則視所正向構建的三維數模尺寸精度符合要求。

逆向驗證的過程即為利用測量臂計算機自動擬合生成的曲線切割激光掃描儀獲得的點云型面，再將切割后的型面與正向構建的三維數模對應型面進行偏差分析獲取偏差結果，進而驗證三維數模的正確性。在切割點云型面之前需要做3 個準備工作：固定點云型面與工裝刻線的對應位置、清除點云表面的噪點與處理切割曲線。固定點云型面與工裝刻線之間的空間位置需要通過約束兩者所收集到的3個坐標球位置相應匹配，而刻線中的坐標球則是用“基礎表面識別”功能擬合測量臂所收集樣點與自身偏差分析的結果而得到。點云型面表面的噪點必須去除，否則對比結果中的型面偏差值會偏大。直接由測量臂計算機自動擬合的曲線存在失真的現象，需要經過優化甚至重構才能作為切割曲線使用，例如某些圓弧形狀的工裝刻線由于工人采集樣點數目過少或所采集的樣點偏離了真實的位置，導致測量臂計算機擬合的曲線為非圓弧形曲線，這就需要盡量多用采集的樣點繪出圓弧。

點云型面的切割順序是合理、快速切割點云型面的關鍵因素（簡單的平面形、“Z”字形與“L”形點云型面切割順序無特殊要求）。逆向數字量最佳擬合到三維數模對應型面上時需要手動將前者移動到后者某一面的法向上，且應盡量對齊，并且需要重復多次最佳擬合兩者的位置信息直至兩者型面與型面、內外形線與內外形線的偏差最小，即逆向驗證結果偏差最小，即可切割其內形。逆向對比示意圖如圖4 所示。

圖4 逆向對比示意圖

3 數字化制造零件

對于沒有三維數字模型的型材類鈑金零件，已通過正向建模的方式構建三維數字模型，并通過逆向驗證的方式檢驗正向數模的精度。飛機型材零件具有結構相對簡單、批量相對較大、材料相對單一的特點，便于使用正向構建的數模進行高精度、大批次的精益化生產。某種型號的“L”形型材零件上具有8 個導孔，2 個定位孔，1 個定位凹槽及2 處倒角，對于按照外形樣板進行劃線切割與轉孔的傳統制造方式而言，存在加工精度低、生產周期長、表面質量低的缺陷。采用正向建模構建的三維數字模型作為數控編程的基準，運用CATIA 的Machining 中的Advanced Machining 模塊進行數控編程，將數控程序輸入四坐標型材銑切機床上進行數控加工的數字化制造方式可完美克服上述缺陷。在數控編程時需要注意規劃抓手的運行路徑，設置切削參數，并通過Vericut仿真的方式確定加工過程的安全性與零件的加工精度。將數字化生產的“L”形型材零件與外形樣板進行對比，前者的外形與后者完全重合；運用數字化柔性測量臂對前者的導孔、定位孔進行測量，前者的圓度、圓柱度、垂直度、尺寸精度均達標。數字化制造“L”形型材零件圖如圖5 所示。

圖5 數字化制造“L”形型材零件圖

4 結語

綜上所述，可以得到如下結論：1）鈑金零件數字化建模的重點在于優化建模流程，保證模擬量提取的正確性與建模順序的合理性可快速、高質地完成建模。2）逆向驗證的前提是通過提取工裝型面的模擬量信息還原零件實體的數字量信息，合理地掃描工裝型面、提取工裝刻線可提高實體零件數字量的正確性。3）正向建?？蓮脑O計人員視角還原零件的數字量狀態，逆向驗證可量化顯示正向數模與實體零件數字量之間的差異，將兩者相結合可為鈑金零件的數字化制造及檢驗提供理論依據。