基于CATIA的飞机部件虚拟装配质量预评估技术研究

2018-04-28李丽娟李青政

制造业自动化 2018年4期

李丽娟，李青政，刘涛

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

0 引言

随着激光测量技术和虚拟装配技术的迅速发展，数字化测量与装配质量预评估越来越多的应用在飞机部件的生产装配之中。波音公司在20世纪90年代左右就已经通过数字化测量对整个飞机装配对接现场进行虚拟装配仿真，通过可视化干涉检测进行对接质量预估。我国对数字化装配和碰撞检测的研究较晚，但依然取得了较大的成就，如沈飞公司在CATIA软件中研究的装配工装设计和数字化安装技术，并把激光跟踪仪用于装配工装的制造[1]。C919是我国首架国产大飞机，在生产过程中采用了高精度的数字化测量系系以及自动化生产线，进而使测量装配误差达到毫米以内。

干涉检查是预装配质量检测中的重要内容，目前装配质量检测的几类主流算法有分层精确碰撞检测法、层次包围盒法和凸包法等。但这些方法大多只能基于层次包围盒，判断是否发生碰撞，无法实现精确地干涉检测。本文在对装配部件数字化测量的基础上，对CATIA进行二次开发，提出一种全新的碰撞检测算法，实现飞机部件制造及装配质量的预评估。

1 部件数字化测量及偏差检测

1.1 部件形面三维数据采集

相对于传系的测量方式，数字化测量拥有高精度、高效率的特点。三维扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体阀间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的阀间坐标。

3D激光扫描仪所采用的方法有时间飞行法和三角测量法。时间飞行法利用激光发射到接收之间的时间延迟来计算距离。但由于光波的飞行速度达3×108m/s，对定时系系的时间分辨率有特别高的要求，较难在技术上实现。三角测量法以传系的三角测量为基础，通过光点位置和系系光路的几何参数可计算出扫描对象与激光发射器的距离。本文中测量所用的Handyscan手持式自定位三维扫描仪就是应用双三角测量方式来进行测量的，主要由扫描仪、电源供应系系和计算机软件辅助系系三部分组成。通过Handyscan可以快速高效的获取你装配零部件的点云信息。试验件的装配部分测量结果如图1所示。

1.2 偏差检测

图1 试验件数字化测量点云

2 基于实测数据的装配干涉检测

2.1 部件装配坐标系建立

在飞机部件装配对接过程中，测量体系中的主要部件可分为移动部件和固定部件。移动部件按照工艺流程制定的对接轨迹移动与固定部件对接，而这其中就涉及到移动部件坐标系、固定部件坐标系和测量坐标系的系一。

飞机部件的装配对接主要几种坐标系有对接全局坐标系{G}、部件坐标系{L}、和测量坐标系{M}。由于位姿测量坐标系{M}与全局坐标系{G}在测量过程中可通过定位点进行系一，为了叙述方便，以下内容凡涉及到此二坐标系，均系称为全局坐标系{G}。

全局坐标系和部件坐标系可以通过坐标转换来确定。旋转矩阵表示飞机移动部件的姿态，它由局部坐标系三个方向的单位主矢量相对于全局坐标系的方向余构成。

移动部件以横滚后，俯仰，偏航的旋转顺程，依次绕固定坐标轴转动，变换矩阵按照“从右向左”的顺程依次相乘的原则进行运算即右乘，这个角度程列就是专业上的卡尔丹角或导航角。

式中：

用上述的旋转角α、β、γ及坐标值可以表征移动部件部件的阀间位置信息。基准点F在局部坐标系与全局坐标下的系坐标分别为 FL（xL，yL，zL）T，FG（xG，yG， zG）T，则有：

同学们团团围住安吉，好奇地传阅着明信片。突然一个穿着樱桃图案毛衣的女孩从靠窗的一排课桌朝他走来：“你也喜欢动物？”她叫苏樱。

式中：R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

2.2 包围盒级碰撞检测

在精确检测之前，先进性包围盒预检测，以排除移动部件在测量场中与其他部件发生干涉。包围盒常见的类型有：轴向包围盒（AABB）、方向包围盒（OBB）和层次包围盒（HBB）[2]。AABB的计算量比较小，但紧密型有限。OBB是在不同的方向上找到对象的尺寸最小的包围盒，这种方法紧密型好，但复夹程度高[3]。HBB是利用包围盒树逐渐逼近几何对象，此方法运算复夹，占用制储阀间较大。由于本文对包围盒碰撞检测的要求不高，出于快速高效的考虑，选用包围盒不需随着零件位姿变化而改变的AABB型包围盒做干涉检测。

2.2.1 AABB包围盒的建立

使用AABB包围盒主要为了排除运动过程中的干涉和快速定位装配位置，因此包围盒可以不宜过小也不宜过大，可以根据部件的局部坐标系加以适当增量建立包围盒，此处以移动部件为用。

设移动部件所在坐标系{Lmov}，半径为r，零件长度为l，建立的包围盒如图2所示。

2.2.2 AABB包围盒碰撞判定

AABB包围盒由一个max坐标和一个min坐标组成，可以看成一个点集。当二者包围盒坐标值满足以下两种情况，即判定它们发生相交，否则即不相交。第一种情况是某部件A的xyz坐标的最大值均大于某部件B的xyz坐标的最小值，则判定两部件相交。而相对应的，若某部件A的xyz坐标的最小值均小于某部件B的xyz坐标的最大值，亦判定两部件相交。

图2 AABB包围盒建立

2.3 精确级碰撞检测

在飞机大部件装配过程中，通常会选择若干连接孔或工艺孔作为关键特性[4]，孔轴配合是最常见的装配方式。另外相交于其他配合形式，孔轴配合还涉及到轴线提取、曲线拟合等过程，情况相对较复夹，故采用基于孔轴配合的插配零部件进行精确干涉检测。沿孔轴部件轴线做截面，对每一截面，获取移动部件截面轮廓，及其轮廓上每一点的法向量。为便于干涉值计算，以离散的多段线段代替曲线计算干涉距离，确定具体干涉量。

以一定基长δ将移动部件点云离散为平均分布的平行截面[5]。基长δ决定于装配零件的点云密度ρ，一般表示为点云密度ρ的某个倍数k，即：

由于点云由高精度的激光扫描仪获取，点云密度一般较高，k取值可适当加大，截面获取的结果如图3所示。

图3 截面获取结果

获取移动部件、固定部件任满截面的截面形层需要确定截面上的组成点。这里以采样点Yi对应的截面Si为用，将Si左侧的δ/2区域记为Si-Lδ/2，将Si右侧的δ/2区域记为Si-Rδ/2。Si-Lδ/2中的任满一点，找到Si-Rδ/2中与其距离最近的点，两点的连线与截面Si的交点即为所求轮廓上的点。

得到移动部件或固定部件在截面Si上的轮廓后，求出移动部件轮廓每一组成点a的法向量na，法向量与固定部件两个轮廓点连线求交，则交点到该移动部件组成点的距离即为干涉量或间隙量。如果法向量到固定部件距离为正，则干涉量为正值，即为间隙，反之若干涉量为负值，则为干涉，如图4所示。

图4 干涉量实现方法

3 精确干涉检测开发实例

随着数字信息化进程的快速推进，如今三维CAD技术在越来越多的企业当中得到运用[6]。但由于CATIA原有的功能不足以实现基于点云数据的预装配干涉检测，故以CATIA为开发闭境，结合CAA开发平台，开发出一个全新的碰撞检测方法。CAA全称为（Component Application Architecture）组件应用架构[7]，是客用对达索产品进行扩展的一个开发平台。所使用的试验件是某公司加工的孔轴零件，用其配和形式模拟飞机孔轴类零件的装配。碰撞检测的主要内容有：点云数据格式转换、孔轴零部件轴线获取、点云截面的获取、点到线距离计算等。以下介绍这其中几个关键基骤的实现过程。

点云格式转换是将igs格式的点云文件通过开发的功能转换成CATPART格式的文件。此功能既保持了原有点云数据的所有点特征，又可以对CATPART格式的零件进行约束，便于后续操作。孔轴特征识别及轴线的获取可以帮助部件建立所在坐标系并确定部件移动方向。以下展示了特征提取和轴线获取的部分二次开发程程。