飞机型材零件检验模具规范、智能化快速设计

白 扬，车剑昭，韩志仁，1b，翟 攀，杨文举

(1.沈阳航空航天大学 a.航空宇航学院，b.航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136； 2.西安飞机工业(集团)有限责任公司 工程部，西安 710089)

在航空制造业领域内，型材零件是机身骨架的重要组成部分[1-2]，具有种类多、形状复杂的特点[3]，通常通过拉弯成形[4-5]和挤压成形[6-7]两种方式获得。腹板弯边上存在下陷特征[8-9]，在其侧壁通常有漏水孔。为检验型材零件产品是否合格，型材零件检验模具应运而生。

不同型材零件长度不一致，且侧面与腹板面均有不同程度的弯曲。从形状上分为L形、T形、Z形；从特征上分为有无下陷和有无漏水孔。检验块要覆盖漏水孔与下陷特征，其走向与型材零件保持一致且与型面、立面(占位面)贴合。因为型材零件长度、弯度、特征不同，所以检验块位置与尺寸差异性大。设计型材检验模具结构时，检验块尺寸、位置均需工程人员凭经验进行复杂计算获得[10]，因此导致模具设计总体耗时长。

本文通过分析检验块设计原则，提出了漏水孔、下陷特征识别、检验块尺寸与位置的计算方法，提出了检验块分割曲面构造方案。再结合组件应用架构(Component Application Architecture，CAA)对CATIA进行二次开发，实现了快速、规范生成检验块的目标。

1 型材零件检验模具特征分析

型材零件检验模具结构如图1所示，基体采用整体框架结构，表面层采用环氧树脂材料，与基体贴合，其上表面用于型材零件检验。检验块尺寸和位置由型材零件上的漏水孔、下陷特征确定。

每根型材零件对应一个检验块组，一个检验块组由若干单一检验块组成。检验块组要涵盖型材零件漏水孔、下陷特征。要求该检验块一端距离漏水孔心15 mm以上。单一检验块长度默认为200 mm(人为输入)，两个检验块间距默认为100 mm(人为输入)，长度、间距会因漏水孔、下陷特征而改变。检验块宽度、高度均默认为50 mm,具体参数说明如图2所示。

图1 型材零件检验模具结构

图2 单一检验块设计参数

型材零件检验模具设计输入元素如图3所示，每根型材零件有一个贴合侧面的立面，所有型材零件的外腹板面贴合于一个型面，在预处理阶段人为建立全局参考坐标系，x、y、z方向与基体的长、宽、高方向平行。

图3 输入元素示意图

2 建模设计

2.1 型材零件检验模具设计主要难点

(1)漏水孔、下陷特征分布是决定检验块尺寸和位置的因素之一；

(2)智能确定检验块的尺寸和位置是难点之一。

2.2 方案

(1)用拓扑法对孔边界特征进行识别，得到漏水孔特征。利用拾取方式选择下陷特征，用类比法将漏水孔、下陷特征整合至同一特征组。

(2)基于输入参数与得到的特征组，利用分治策略确定检验块毛坯草图位置、尺寸，如图4所示。通过构造分割面分割毛坯，确定检验块尺寸、位置，如图5所示。

图4 检验块毛坯

图5 检验块

2.3 智能算法

2.3.1 参考特征的识别与获取

(1)漏水孔特征的自动识别

漏水孔特征均为通孔，打孔面有平面与曲面两种情况。基于零件B-rep信息[11]，孔边界分别由两条闭环线构成，平面孔闭环线为圆形，曲面孔闭环线为非圆形，如图6所示。基于孔特征边界线的几何特点，设计了自动识别漏水孔特征的算法，其流程如下，流程中提到的各几何元素如图6所示。

步骤1：特征是具有一定关系的拓扑元素[12]，通过CAA拓扑接口获得型材零件实体所有边线。将全部线存入数组Cell_1，声明变量i=1。

步骤2：对Cell_1数组第i号元素进行填充判断。若能填充成功，执行步骤3，反之执行步骤6。

步骤3：找到填充曲面的质心，过该质心作填充曲面的切平面，记作Tan。

步骤4：将填充曲面的边界投影到切平面Tan上，将投影线(记作Project1)向MeasurableCircle接口转换，若转换成功，说明投影线为圆形，执行步骤5。不成功则执行步骤6。

步骤5：该闭环为孔特征边界线，在Project1的圆心标记孔位点，插入结构树便于后续识别。

步骤6：该闭环为非孔特征边界线，i=i+1,继续迭代步骤2。

图6 几何元素

(2)下陷特征的识别与参考特征组的建立

用类比思想拾取下陷特征，将孔特征整合至下陷特征组中，整合之后称其为参考特征组，特征元素统称为参考特征。类比思想即遍历结构树，获得全部孔位点，在每个点以该点为中心，两端沿着全局坐标系x轴正、负方向各延长(孔径+15)mm建立线段。将这一线段类比为一个下陷。如图7所示。

图7 特征类比

2.3.2 型材零件的检验块组与单一检验块所占区域尺寸和位置的确定

(1)前处理流程

步骤1：获得立面与型面交线的两端点，并标记出在全局坐标系下相对x坐标值小的点。该点作为型材零件参考坐标系原点，记为o点，如图8所示。

步骤2：在o点建立型材参考坐标系，该坐标系xy平面为检验块草图平面。

步骤3：基于此坐标系确定检验块组所占区域的尺寸和位置。检验块毛坯草图y方向取值范围为(-400，400)。因为要考虑后续用曲面分割出与型材零件贴合的检验块最终形态，被分割的凸台要足够大，才能保证分割准确。草图x方向取值范围则以立面、型面交线的两端点的x坐标值加减安全距离来界定。

以上3步为前处理流程，如图9所示。

图8 几何元素

图9 前处理流程

由逻辑树可知，有n个型材零件，需要自动批量建立n个数量的型材零件参考坐标系。当计算第i个型材零件的检验块位置、尺寸时，将对应的第i个型材零件坐标系设为当前坐标系，用于辅助计算。

(2)基于下陷、漏水孔特征组驱动的检验块尺寸和位置计算

检验块是通过毛坯分割得到的，毛坯是检验块草图拉伸的凸台。毛坯与检验块在型材相对坐标系x方向的尺寸、位置一致，且毛坯的尺寸、位置计算等价于检验块尺寸、位置的计算。

因毛坯尺寸、位置变化与检验块等效，为了方便表述与观察，用检验块代替毛坯。根据参考特征组信息，对检验块在型材参考坐标系x方向的尺寸、位置进行调整，使检验块在该方向的位置和尺寸趋于合理。

参考特征组是由下陷特征和漏水孔特征组成的集合。基于参考特征组，在符合设计原则的基础上，确定每根型材零件所属的若干单一检验块的尺寸和位置，需要引入分治策略。分治策略重在“分而治之”，是将一个复杂的问题分成多个相似的子问题，子问题可以分成更小的子问题[13-14]。用递归方法解决这些子问题，再将子问题的解合并作为全局最优解[15]。检验块尺寸、位置计算的分治策略步骤如下：

步骤1：先将型材零件组件的检验块布局问题划分为若干型材零件的检验块布局问题。

步骤2：将每个单一型材零件分为若干区域，每个区域包含一个单一检验块。型材分区域示意如图10所示。分区域时，将每个单一检验块及其左右各二分之一的间距作为一个区域。

图10 型材分区域

步骤3：在步骤2中的检验块草图位置按照输入参数确定尺寸，此时不考虑参考特征影响。用F_max(i，j)表示在第i个型材零件第j个区域的单一检验块草图在x方向的极大值，F_min(i，j)为极小值。F_max(i,j)= min+2(j-1)(L1+L2);F_min(i,j)=F_max(i,j)-L1。min为该型材零件检验块组的第一个检验块的起始位置在型材零件参考坐标系下的x坐标值，L1为200 mm的检验块长度，L2为100 mm的检验块间距。

步骤4：参考特征组通过CAA的GetPartNum()函数追溯数组元素所属的零件名称，筛选出属于每个单一型材零件的参考特征，再筛选出属于本型材零件的每个区域的参考特征。

步骤5：针对参考特征位置在每个区域对单一检验块进行位置、尺寸调整。

为避免单一检验块草图与相邻区域单一检验块草图自相交，采用始端对齐、终端越界补偿原则进行处理。所有区域中参考特征在型材参考坐标系x坐标最小的一侧为始端，反之为终端。始端、终端示意图如图11所示。

始端对齐：将从每个区域始端到该区域单一检验块草图始端的区域划分为一个区间，筛选出始端处于该区间的参考特征组元素，将满足条件的元素存进一个临时数组，按照始端x坐标值从小到大对数组元素进行冒泡排序。将标记排序后的第一号元素记作Spec1，显然Spec1始端不能被检验块所覆盖,且为这一区域本应被覆盖的距离草图始端最远的元素。将检验块实体草图始端延长至Spec1始端，如图11中A[1,2]区域所示。

终端越界补偿：筛选出始端处于该区域的参考特征组元素，并获得这些元素的终端。在这些元素中，终端超过区域内草图终端的元素存入临时数组。递归对比出临时数组元素的终端x值，选出最大值，这一元素记作Spec2,将草图终端拉至与Spec2终端平齐，如图11中A[2,3]区域所示。

终端越界补偿优化：经上述步骤选出的Spec2的始端必然位于这一区域区间。但是终端可能会越界至下一区域区间。当第n个草图越界补偿超过0.5倍的检验块间距，就会造成与第n+1区域草图相交，此时将两区域合并，将第n个区域草图始端最终位置记作Posi1，将该区域草图删除，第n+1个区域草图始端拉至Posi1，再迭代计算该区域草图终端位置变化。数组元素A[i,j]表示第i个型材的第j个区域。各区域检验块位置变化如图11所示，A[1,2]为终端越界补偿，A[2,3]为始端对齐补偿。

图11 检验块局部示意图

步骤6：依次对每个区域进行迭代运算，得出每根型材零件检验块的位置、尺寸的计算结果。

步骤7：将单一型材零件检验块位置、尺寸计算结果合并，作为型材组件的检验块位置、尺寸计算结果。

2.3.3 分割曲面的构造与分割方向判别

为保证检验块贴合型材零件，对于图4中所示毛坯，需要用立面、型面分割。为保证检验块厚度均匀且外侧为平面，需构造上顶面、外侧面，并用上述曲面分割毛坯，最终生成图5中所示检验块。

将型面沿着型材零件参考坐标系z轴平移一个检验块高度建立上顶面。

在贴合单一检验块的两侧设置采样平面，求立面与型面交线，然后求交线与各个采样平面的交点(图12框内)。将交点按型材零件参考坐标系中x坐标从小到大顺序依次相连。将连接线向两侧外插延伸得到母线A，将母线A向型材零件参考坐标系y方向平移一个检验块宽度，生成母线B。建立平行于z轴的引导线，将母线B沿引导线拉伸，即外侧面。

图12 检验块示意图

因为曲面分割实体存在分割方向的二义性，需要通过分割函数的CATGSM Orientation类别的参数来控制分割方向。Same Orientation为默认方向，Invert Orientation为反向。将待分割实体沿着两个方向各分割一次，得到两个分割体。比较二者质心在型材参考坐标系下某方向的坐标分量大小，根据比较结果确定分割方向。分割后的实体用函数F(Face,Body,L,K)表示。其中：Face表示分割曲面；Body表示待分割的实体；L∈N{1,2,3}，L的3个取值与坐标系的x、y、z轴的方向一一映射。根据L值分别获取两个方向的分割体质心在相对坐标系中L方向的坐标分量;K∈N{0,1}，K=0表示质心坐标分量较大的实体为保留的实体，K=1表示质心坐标分量较小的实体为保留的实体。

变量初始化：Body为检验块毛坯，如图4所示。Face1～Face4分别表示立面、型面、上顶面、外侧面。故检验块最终实体区域可表示为：F(Face1,Body,2,0)∩F(Face2,Body,3,0)∩F(Face3,Body,3,1)∩F(Face4,Body,2,1)。

3 实例验证

3.1 功能验证

通过CATIA开发完成型材零件检验模具快速设计，包括导入外部参考模块、模具设计模块。在导入型材零件组件后，进入模具设计菜单，在模具设计菜单中点选型材零件的下陷特征，可以根据用户需要勾选型材零件类别，修改建议值，进行模具生成预览。程序自动确定检验块布局方案，生成型材零件检验模具。以3组不同的型材作为输入实例，依托快速设计模块，生成模具如图13所示。

图13 生成模具

3.2 效率验证

软件测试采用含有漏水孔、下陷特征的L、Z、T形型材零件各两组，分别记录下工艺人员通过手动操作进行完整建模和利用软件完成建模所花费的平均时长,如表1所示。从表1看出，使用该软件可以将建模效率提升10倍。

表1 效率验证记录

4 结论

本文在研究参考特征获取方法、参考特征组与检验块草图位置、尺寸关系的基础上，综合考虑漏水孔特征自动识别方法、检验块草图位置尺寸确定方法等，形成了型材零件检验模具快速设计算法，通过CATIA二次开发完成了检验模具设计系统。以“Z”、“L”、“T”型材零件为例完成了实例测试，结果表明：检验模具设计系统有效地解决了型材零件参考特征识别困难、检验块位置、尺寸难以确定等关键问题，实现了检验模具设计的规范化、智能化、快速化。该系统在航空工业生产中使用不但可以提高设计效率，而且可以提高检验模具的设计质量，有利于航空工业数字化制造水平的提高。