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飞机钻模板孔位自动生成系统设计朱晓娇

发表时间：2020/12/28 来源：《基层建设》2020年第24期作者：朱晓娇

[导读] 摘要：在飞机部件装配中，制孔占据了很大一部分工作量。制孔中用到了大量的钻模板，钻模板设计过程繁琐，且一旦出错导致装配孔位错误，造成较大经济损失。

        中航飞机股份有限公司陕西西安 710089
        摘要：在飞机部件装配中，制孔占据了很大一部分工作量。制孔中用到了大量的钻模板，钻模板设计过程繁琐，且一旦出错导致装配孔位错误，造成较大经济损失。本文分析了钻模板的通用设计流程，将钻模板设计流程规范化，从几何角度考虑了钻模板的生成规则，基于扩展凸包算法实现了钻模板的快速生成，并基于位姿计算，实现了钻模板的快速装配。最后，本文基于CATIA二次开发设计了钻模板快速生成软件，表明本文所设计的快速生成方法的正确性。
        关键词：钻模板；自动生成；凸包算法；制孔
        1建模流程分析
        钻模板的目是制出飞机产品上的孔，其外形轮廓受飞机产品孔位区域和分布影响。在进行钻模板设计时，首先要根据产品外形确定钻模板的外形，然后提取产品孔位信息，在钻模板对应位置生成孔位，最后根据实际需求生成其他特征。钻模板最重要的几何结构参数就是它的外形轮廓和孔位。钻模板的设计步骤很多，但有很多步骤都是机械性的重复劳动，设计过程遵循一定的规律，可以用自动化步骤实现通过对类似操作的循环，使得设计时间有所缩短。
        2功能提取及抽象
        为完成建模过程，本文将建模过程进行了抽象，提取了以下操作。
        2.1点群法线/法面生成
        点群法线/法面生成操作用于提取待制孔的几何信息。其输入是一个平面和一个点群，输出是一组法线和法平面。运行时，要求用户首先选择一个曲面，然后选个一个点群（多选模式，可用框选），然后生成点群相对于该曲面的法线，最后求法线与曲面的交点，并在所有交点处建立法线的法平面。
        该操作非常普遍，由于飞机曲面上孔较多，在需要制孔的地方都需要利用该工具批量确定法线/法平面方向。
        2.2基准草图
        基准草图用于生成钻模板的基准面。该操作的输入是一组法平面，输出是一个基准草图（草图上有法线的交点）。运行时首先选择一个基准点和一个基准法线，然后利用一点一线生成法平面，利用该法平面生成草图，再将已有的所有点的法线与草图求交点，最后在交点处建立特征点。
        2.3二维轮廓
        二维轮廓操作用于生成钻模板的外廓。其输入是二维草图（包含草图上的点），输出是草图的闭包。运行时，选择相应草图后，程序会自动生成一个所有点集的凸包，将草图上所有点包围。生成二维轮廓的算法的本质是扩展凸包算法，具体如下：
        设所有点集为，现要从Pi中选择k个点，使得这组点构成Pi的凸包；
        1)取纵坐标最小的一点，设为P0，以P0为原点建立坐标系，计算各个点相对于P0的幅角，并按从小到大排序，排序好的点记为P1，P2，P3，……；
        2)建立一个栈，将最低点P0和排序好的第一个点P1压入栈中。然后从P2开始计算，计算栈顶两个元素与改点是否是逆时针转动。若是，则将改点压入栈中，否则将该栈顶元素推出；
        3）最后栈里面的元素就是所有凸包的外围点。
        其中，判断是否是逆时针转动的算法如下：设三个点分别为，
        有：

        其本质是所得矢量的z坐标的大小，该算法示意图如所示。

                            图1 三点方向判断
        在凸包算法的基础上，需要将将凸包边界沿其法向再扩展一定距离，这是因为凸包目前在钻模板的待制孔上，在生成实体时必须留出一定余量。
        2.4生成实体
        生成实体操作的输入是一个凸台或加厚曲面和一个曲面，输出是一个经过剪切的实体。运行后，程序会根据用户选择的“凸台模式”或“加厚曲面”生成不同的实体。
        2.5批量制孔/开槽
        批量制孔/开槽的输入是一组直线和一个平面，输出是一组孔（可设置盲孔、沉头孔、锥形孔等）。在CATIA内制孔是通过法线和制孔点实现的。制孔点是通过求解法线和曲面交点实现的，这一步为虚拟化操作，即完成整个流程后会删除中间操作结果。运行后，程序会在平面与直线相交的地方进行批量制孔。本步骤思路与上述工具大致相同，此处不再赘述。
        2.6位姿装配
        在完成钻模板设计，需要进行标准件、钻套等的装配，如图2所示。可通过计算待装配零件的位姿，实现装配过程的全自动化。钻模板在生成过程中，需要待钻孔的位置（即点位坐标）和产品钻孔平面（钻模板的接触平面），再结合所生产的法线等信息，便可以计算带装配物体的位姿，如图1所示，是装配过程各元素对应关系。

        图2 装配示意图
        设法线为l,方向为N, l与钻模板表面交点为P，P距离沉孔面的距离就是沉孔深度。l是通过产品的法线计算的，P是通过求交点计算的，二者都是可以确定的。现需要在P点处建立一个坐标系约束待装配零件，该坐标系原点为P，z轴为l方向，则x、y轴与l垂直。设l的方向的单位矢量为 ,则与l垂直的矢量n（假设为y轴）满足：

        其中nz=0是为了满足方程求解条件。做出该假设是因为与l垂直的是一个平面（相当于装配螺钉时，沿轴线和端面对螺钉约束后，仍然可以绕着轴线转动），有无数解，都是满足要求的。可以根据实际情况对该零件做出其他约束以消除此假设。当然，在实际计算中，还需要考虑l各个分量为0的情况（如当l的在xy平面时，显然有nz≠0）。
        在求出z轴和y轴后，可得x轴方向a=l×n。至此，就可以构造待装配物体应该在钻模板的位姿矩阵：

        同样，在待装配物体建立类似坐标系和矩阵，装配的目的就是将两个坐标系重合，使得对应元素相合/接触，这样也就满足了六自由度的约束。
        在CATIA的装配Product里，钻模板和待装配零件应该在同一级，假设钻模板在该Product的位姿矩阵为，待装配零件的位姿矩阵为，则装配结果满足要求：

        则有：

        即求得了待装配零件在其父组件的下位姿矩阵。在CATIA的二次开发中，利用Product.Move.Apply(CATSafeArrayVariant iTransformationArray)方法可以以位姿矩阵的方法对刚体施加位姿变换，iTransformationArray为位姿矩阵表示旋转和平移的12个参数。可以看出，利用生成和选择的几何元素，通过严格约束可以计算待装配体的位姿，实现通用零组件的快速装配。
        总结
        本文分析了钻模板自动生成的方法，对建模过程进行了抽象，提取了基于几何的造型方法，基于扩展凸包算法得到了钻模板的外轮廓，基于计算位姿的方法实现了自动装配。本文所设计的自动生成方法也可应用于其他类似产品的自动化生成。
        参考文献
        [1]范玉青.现代飞机制造技术.北京:北M航空航天大学出版，2001.
        [2]贾玉红,何景武.现代飞行器制造工艺学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.