飞机样板快速设计系统及关键技术

陈树林，杜宝瑞，田世明，方立辉，白玉珍

（中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 100850）

0 引言

当前，国内各航空制造企业的飞机制造体系已从模拟量协调全面转换为数字量协调，工装、样板数量得到显著减少。但是，与之相关的数字化检测技术发展相对缓慢，在新机研制及小批量生产过程中难以保证有序生产，再加上样板使用简便，因此，目前在大型整体结构件的检验、机加零件的常规加工、钣金零件下料及检验、化铣加工等飞机制造过程中仍然大量使用样板，各型飞机使用的样板数量均达到数万项。而这些样板的设计仍然依靠人工在通用的CAD/CAM平台上进行交互式设计，重复工作量大、效率低，规范性不足，主要体现为：1）大型结构件外形检验样板设计：每型飞机约数百项，在筋条端头、下陷等位置需要交互构建上千个视口（如图1(a)所示），过程繁琐，并且视口形式单一，重复工作量大，每块样板设计周期1～2天；2）钣金样板设计：每型飞机约上万项，包括展开样板及外形样板，弯边高度和角度计算过程繁琐、尺寸标注较多，效率低下，如图1(b)所示；3）样板补加：为了在小零件样板上添加工艺信息、加强样板强度等，80%~90%的样板（数万项）需要补加，如图1(c)所示，数量大，工作量大。上述问题影响了飞机制造生产准备进程，已经成为制约新机快速研制的瓶颈因素之一。因此，亟需面向样板设计环节研发一套支持飞机样板快速设计的数字化软件系统，以显著提升样板设计效率，大幅减少设计员的重复工作量。

图1 常见样板设计

目前，国内外的研究大多集中在飞机样板数字化设计制造工艺方面，而在样板快速设计方面仅有局部探索，例如，刘宝明[1]等在样板图形优化处理方面做了一些工作，在AutoCAD平台下研发了快速去除样板重线、处理大圆弧、连接短线、处理碎线等功能，实现了样板激光切割编程前置优化处理的自动化，但尚未形成全面解决样板设计效率低、重复工作量大等问题的数字化系统。为此，本文提出构建一套“飞机样板快速设计系统”架构，以CATIA为应用平台，综合样板设计知识库，突破复杂视口识别、钣金弯边特征识别、参数化样板补加设计等关键技术，实现各类样板的快速设计。

1 系统架构

如图2所示，建立“飞机样板快速设计系统”架构，该系统以CATIA系统为应用平台，以CAA V5为二次开发平台，在样板设计知识库的基础上，实现大型结构件外形样板、钣金外形及展开样板设计、样板补加等快速设计。其中：

图2 飞机样板快速设计系统架构

1）应用平台：国内飞机制造企业均在CATIA平台上进行产品的三维模型设计，为了保证样板的制造精度，样板设计过程是在同一平台下，基于产品三维模型进行投影、视口创建、弯边标注、补加设计等工作，因此本系统也以CATIA系统为应用平台。

2）开发平台：以CAA V5作为开发平台，它是CATIA系统的高级二次开发环境，通过快速应用开发环境RADE（Rapid Application Development Environment）和API接口来实现CATIA二次开发，其中RADE是一个可视化的集成开发环境，它提供完整的编程工具组，以Microsoft Visual Studio VC++为载体，在VC++环境中内置CAA开发工具，实现程序的编译、调试及运行。

3）支撑数据：样板设计过程涉及较多的设计经验，以设计知识的形式统一作为样板快速设计的支持数据，存储在专门的数据库中，便于实现设计过程的规范化、定制化，以提高设计质量的稳定性，设计过程的灵活性。

4）功能模块：在设计知识的基础上，分别构建三个模块，包括大型结构件外形样板快速设计模块、钣金外形及展开样板快速设计模块、样板补加快速设计模块，实现各类样板的快速 设计。

2 关键技术

2.1 基于主元的视口识别与构建技术

视口构建是大型结构件外形样板快速设计的主要工作，也是核心技术难点，需要人工识别视口主元、确定断点位置、添加视口辅助元素等，过程繁琐，重复工作量大。大型结构件外形样板设计涉及的典型视口有四类，分别为单视口、串视口、闭视口及并视口，如图3所示，其中单视口由单一主元，两侧边界元素（简称界元），以及在断点处的辅助元素（简称辅元）所构成，常用于检验筋端尺寸，如图3(a)所示；串视口由多个主元，两侧界元及辅元构成，相当于多个单视口的串联，用于检验距离较近的多个筋端尺寸，如图3(b)所示；闭视口由若干单视口串联而成并且形成一个自封闭的视口，如图3(c)所示；并视口由多个单视口或串视口并联而成，既用于筋端尺寸检验又用于下陷特征尺寸检验，分三种类型，如图3(d)、图3(e)和图3(f)所示。

图3 典型视口

为实现上述视口的自动设计，提出基于主元的视口识别与构建技术，有以下几个关键点：1）主元识别：以单个视口位置或投影图形的一部分作为输入，根据曲线凹凸性、长度及相邻曲线连接关系自动识别视口主元；2）主元分组：以最接近切连续的方式对每个视口主元进行边界拓展，先进行串联，判断是否封闭，然后再进行并联，形成单视口、串视口、闭视口及并视口主元，并进行分组；3）视口构建：根据视口的类型及主元，再次进行边界拓展，依据设计知识库中定义的界元长度提取界元，并进行断线操作，形成最终视口。

2.2 基于凹凸属性的钣金弯边特征识别技术

钣金外形及展开样板快速设计的关键是钣金弯边特征的识别，通过识别钣金弯边特征才能准确构建相应的截面、计算弯边特征的高度及角度，为后续钣金样板的尺寸标注提供基础数据。如图4所示，弯边特征是由弯边圆角及弯边面组合而成，一个钣金零件可能包含多个弯边特征。

图4 弯边特征

为实现上述钣金样板快速设计，提出基于凹凸属性的钣金弯边特征识别技术，主要步骤如下：1）凹凸边识别：交互选取钣金零件的腹板面，提取腹板面的拓扑边及腹板面的共边关联面，在公共边中点处垂直于公共边创建平面与腹板面及其共边关联面相交，如表1所示，根据矢量夹角对该边中点的凹凸性进行判别，包括六种情况，然后由点的凹凸性，确定其所在拓扑边的类型，包括凸边、凹边、平凸切边、平凹切边、凹凸切边及平切边；2）弯边圆角识别：提取平凸切边的共边关联面，识别为弯边圆角面；3）圆角面成组：将腹板面关联的弯边圆角面进行分组，原则是当一个圆角面与另一个圆角面存在公共边，则这两个面属于同组；4）弯边面识别：提取弯边圆角面组的最外环，去除腹板面的拓扑边及凸边，剩余边线关联的拓扑面即为弯边面；5）弯边特征构建：将圆角面组与其关联的弯边面进行合并构成弯边特征。

表1 凹凸点

2.3 基于关键点的样板快速补加技术

样板补加设计主要涉及补加投影点及补加边的构建，如图5所示，为此，提出基于关键点的补加快速构建技术，主要步骤为：1）关键点确定：在小样板临近的空白区域交互点击两点，认为是关键点，如图5的P1，P2所示；2）投影点构建：以关键点为基准，往样板边界进行投影，拾取距离最小并且属于投影边内点的投影点，认定为投影点，如图5的P1'，P2'所示；3）补加边提取：用两个投影点裁减小样板的边界，并提取临近关键点的部分作为补加边，如图5的P1'P2'所示；4）补加构建：以补加边为基准，依次连接P1’，P1，P2，P2'，再在P1，P2处倒圆角，添加工艺挂孔，并在P1，P2打断，完成小样板的补加构建。

图5 小样板补加说明

3 系统实现及验证

以CAA V5为开发平台，结合样板设计知识，开发了“飞机样板快速设计系统”，包括大型结构件外形样板快速设计、钣金外形及展开样板快速设计、小样板补加快速设计及知识库四大模块，形成了六项工具，其中：

3.1 大型结构件外形样板快速设计

该模块包含图形预处理、简单视口、联合视口3项工具，分别为：1）图形预处理工具，在给定精度的前提下对细碎线段拟合为直线或圆弧，如图6所示；2）简单视口工具，可实现对单视口的快速设计，包括单线视口、双线视口、三线视口及圆弧视口四种类型，通过点击视口主元即可自动构建选定类型的视口，如图7所示；3）并视口工具：可实现对并视口的快速设计，包括并视口I、并视口II及并视口III，通过点击并视口的两个主元即可实现视口自动设计，如图8所示。另外，该模块还支持框选主元，实现视口的批量化、快速化构建。

图6 图形预处理

图7 简单视口

图8 并视口

3.2 钣金外形、展开样板快速设计

该模块包含弯边数据构建与弯边标注两项工具，分别为：1）弯边参数自动计算：交互选定腹板面，设定角度步距、延伸长度等参数后，即可自动构建弯边的外形交线，在关键位置创建截面、计算弯边角度线并计算弯边高度及角度，如图9所示，并将结果保存在PPR结构中；2）弯边参数快速标注：自动将三维模型与工程投影图进行关联匹配，识别出需标注参数的部位，并将存储在PPR结构树上的弯边参数在识别的部位自动优化标注，使得标注的参数可视化程度高，如图10所示。尤其对于弯边角度变化复杂的钣金零件，能够大幅减少操作时间，降低操作强度，提高数据的准确性。

图9 弯边参数自动计算

图10 弯边自动标注结果

3.3 样板快速补加

该模块包含快速补加1个工具，能够快速处理标准补加、狭长补加、销钉补加、狭长视口四类典型补加，只需点击1~2次关键点即可完成，如图11所示，选定要补加的类型后，在样板需要添加补加位置的外侧点击两次鼠标，即可自动生成样板的补加。

图11 典型补加

3.4 样板设计知识库

鉴于个人偏好、特殊情况、后续更改等诸多因素，系统对于所应用的技术参数均给出明确的解释，各项快速设计工具分别有对应的知识库（例如，单视口设计知识如表2所示），使得设计员可以根据实际情况进行定制，实现专业化的样板快速设计。

表2 单视口设计知识

3.5 应用验证

2014年，该系统在沈阳飞机工业（集团）有限公司制造数据中心进行了有效推广，在多个新机研制中实现了广泛应用。截至2014年底，应用该系统进行样板快速设计的零件数为2646项，平均缩短设计时间65%~80%。其中，大型结构件外形样板设计应用零件117项，缩短设计时间70%；复杂钣金件外形样板及展开样板应用零件271项，缩短设计时间50%~80%；样板补加应用零件2312项，缩短设计时间50%；各工具应用零件均超百项，经应用证实其可靠性好，适应能力强。从应用情况看，该系统稳定性好，从总体上可提高样板设计效率。

1）大型结构件外形样板设计应用实例

针对某大型结构件样板（如图12(a)所示），其特征为碎线多，曲线扭曲复杂。采用快速设计系统进行设计，通过与传统交互式设计相似样板的数据进行比较。设计时间、工作量变化及最终设计结果如表3及图12(b)所示。

图12 某框类零件外形样板快速设计应用实例

表3 某大型结构件样板快速设计与交互设计对比

2）钣金外形、展开样板应用实例

针对某复杂钣金零件如图13(a)所示，其特点是弯边缺口多，弯边角度变化剧烈。采用快速设计系统进行设计，通过与传统交互式设计方式进行比较，节省时间及最终设计结果如表4及图13(b)所示。

表4 某钣金零件外形及展开样板快速设计与交互设计对比

图13 某框类零件外形样板快速设计应用实例

3）样板补加应用实例

选取四个小型零件样板（如图14(a)所示），需要添加标准补加，传统采用复制黏贴的方式可适当提高工作效率，但与快速设计方式相比较，仍然有较大差距。应用情况及结果如表5与图14(b)所示。

图14 零件样板应用实例

表5 样板补加快速设计与交互设计对比

4 结论

作为飞机零件制造及检验常用工具的样板，其设计效率在飞机零件生产中具有重要作用。本文研究了飞机样板快速设计系统架构及关键方法，将专家设计知识与CAD/CAM系统进行深度融合，大幅减少设计时间的同时显著降低设计人员的劳动强度，实现了飞机样板设计的快速化。根据应用情况，得出如下结论：1）该系统能够解决制约飞机样板设计效率的瓶颈问题，为新机研制缩短样板设计周期；2）实现专业化、快速化的设计思路，可以大幅度减少设计员的重复工作量；3）有效融合了专家设计经验知识，有助于设计过程及结果实现规范化、标准化。

[1] 刘宝明,韩志仁.基于AutoCAD二次开发的样板零件图自动优化处理软件设计[J].制造业自动化2011,9(33)：16-17.

[2] 石晶.MBD技术下框类零件钻孔样板的设计方法[J].装备制造技术.2014,9：78-80.

[3] 郝博,李亚南.基于CATIA二次开发的钣金零件检测规划技术[J].制造业自动化.2013,35(11)：10-14.

[4] 于芳芳,郑国磊,陈树林,杜宝瑞,初宏震.飞机整体壁板智能数控编程系统[J].航空制造技术.2008.23：83-88.

[5] 甘忠,王亮,谭海兵,黄官平.大型立体化铣样板设计与制造方法探索[J].航空制造技术.2013.17：78-88.