２００８年ｌ０月 沈阳航空工业学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 第２５卷第５期 Ｏｃｔ．２００８ Ｖｏｌ＿２５ Ｎｏ．５ 文章编号：１００７—１３８５（２００８）０５—０００１—０４ 基于ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统的复杂机加件模线样板 设计方法探索 杜芳静 张凌云 于波章 （１．沈阳航空Ｔ业学院航空宇航：ｒ程学院，辽宁沈阳１１０１３６；２．沈阳飞机工业集团有限公司，辽宁沈阳１１００３４） 摘要：模线样板是检验零件几何尺寸和外形轮廓的量具，在航空制造中有着极其重要的作用。 个技术难题 针对飞机复杂机加零件模线样板设计中的两类典型问题提出三种有效、实用的 对于复杂的机加件，其空间曲面的展开和结构轮廓的提取一直是机加件模线样板设计过程中的 一解决方法，即“边界拟合曲面法”、“分割生长提取法”和“草图线面相合法”。 关键词：模线样板设计设计；拟合；分割生长；线面相合；ＣＡＴＩＡ 中图分类号：Ｖ２６１．２ ８ 文献标识码：Ａ 模线样板是飞机从设计到制造之间的桥梁， 是飞机几何尺寸的原始依据，是保证飞机制造过 下，根据零件加工检验的需要，在生产实际中要设 计外形（展）样板，但是ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统目前不提 程中各类零、组、部件尺寸协调的主要手段。模 供直接展开复杂曲面功能，所以在模线样板设计 中，如何做一个能够与零件自身曲面很好拟合，同 时又可以展开的曲面就显得尤为重要。 线——样板——标准样件工作法目前仍然是我国 飞机制造业中广泛使用的协调工艺方法。随着飞 机制造技术水平的不断提高，数字化技术的广泛 应用，根据零件的数学模型应用ＣＡＴＩＡ软件系统 设计模线已经在飞机制造厂中得到应用，模线样 板的功能也发生了一些改变川。在模线设计过 由于机加零件的结构复杂且形状不规则，在 设计腹板上下两块外形样板时，遇到的问题比较 多。根据样板设计使用要求，上下外形样板应设 计在零件的最高处，但是零件的实际边缘和筋条 程中，对于结构复杂的机加零件，存在着一些相应 的技术难题，根据以往的设计经验，本文总结了在 大型机加零件模线设计中最为常见的两类典型问 题，分别针对各个问题提出了有效的解决方法。 等几何信息并没有全部达到这个位置，所以样板 的使用平面不能直接和零件的全部有效信息相 交，这就使得模线的设计者要将零件的外表面、内 表面、筋条表面等一一延伸至样板使用平面，才能 在样板上反映出零件轮廓和筋条的形状、位置等 信息。这样不仅效率低，而且由于操作过程复杂 出现差错的几率也会较高。 现仅以某型飞机上一个机加肋零件作为实 １典型问题描述 在一些大型的机加件中，如壁板、肋、梁类零 件，需要外形样板辅助检查数控加工的零件是否 合格 。机加零件一般尺寸较大，外形轮廓和内 部结构比较复杂，因此设计的样板上需要显示的 例，对机加零件模线样板设计中最普遍的两类技 术难题提出简单而又行之有效的解决方法。示例 零件如图１所示。 信息很多，在模线样板的设计中会遇到很多问题， 其中最为突出的是复杂曲面的展开和零件轮廓形 状信息的提取问题。 现代军用飞机为适应高性能要求，气动外形 ２解决方法 ２．１ 曲面拟合问题的解决方法 ２．１．１ 边界拟合曲面法 越来越复杂，很多零件因为要与机身蒙皮连接，所 以零件表面的曲率分布也就比较复杂。这种情况 收稿日期：２００８—０７—０４ 作者简介：杜芳静（１９８３一），女，辽宁朝阳人．硕士研究生，研究方 在ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统中，通过两条曲线拼接的 曲面都是可以展开的，所以我们可以寻求合适的 拼接曲面来代替零件本身的复杂曲面。用来拼接 向：航空设备及工艺试验技术，Ｅ—ｍａｉｌ：ｊｉｎｇｅｒ１８２６＠１６３．１２０１１１；张 凌云（１９６３～），男，山东莱阳人，教授。 曲面的两条曲线的选择十分重要，它直接关系着 拟合曲面的精度 。下面介绍一种基于曲面初 ２ 沈阳航空工业学院学报 第２５卷 图１ 缘条上带子Ｌ的机加肋 始状态的拟合方法——边界拟合曲面法。 第一步，我们要找到做拟合曲面的两条边界 线。先将生成缘条最终结构形状的前一步定义为 工作对象，如图２所示，这时零件会变成一种坯料 的状态，而零件缘条的最终轮廓即是在这个基础 上形成的，只是形状的改变，曲面是不变的。所以 可以提取这个时刻的缘条上下边界线ｌｉｎｅｌ和 ｌｉｎｅ２作为生成拟合曲面的边界线。 图２定义缘条生成前一步为工作对象 这里要注意：提取的两条边界线要能够包含 缘条曲面最大面积。当在生成缘条的整个过程中 找不到两条能够完全包含整个曲面的边界线时， 可以提取生成缘条的最初时刻曲面上下边缘上最 长的两条边界线，再将这两条线延伸到包含整个 曲面的长度，这样才能将零件缘条上的所有信息 映射在生成的曲面上并一同展开。 第二步，通过提取或延伸后的两条边界线拼 接出一个曲面，如图３所示，这个曲面即是一个和 缘条曲面拟合精度较高的曲面 ｊ，然后将缘条的 外形轮廓和点位等需要表示的信息投影到这个曲 面上一同展开即可。 ２．１．２误差分析 将曲面以网格的形式划分，分割出的弧线我 们称之为关键弧，每两条关键弧的交点称之为关 键点，如图４所示。 图３ 利用提取的边界线桥接的曲面 图４ 曲面的关键弧和关键点 将原始曲面和用“边界拟合曲面法”拟合的 曲面以图５所示的方式进行划分，分别从关键弧 长度误差和关键点到拟合曲面之间距离误差两方 面进行分析，测量数据分别如表１和表２所示。 ｖ３ 图５缘条曲面的关键弧和关键点划分 从表１、表２中的分析数据结果可以看出，无 论是关键弧的长度还是原曲面上关键点到拟合曲 面的距离，误差都比较小，拟合效果良好。按本方 法设计的拟合曲面完全满足工程的要求。基于这 一方法，已经设计了某型飞机二十余件机加零件 缘条的外形（展）模线样板，全部达到了精度要 求，其中长度超过２米的大型机加件也具有很高 的精度。生产实践表明，本方法具有较强的通用 性和工程实用性。 表１关键弧长度 单位：ｍｍ 名称 ｖｌ ｖ２ ｖ３ ｕｌ Ｉ】２ ｕ３ 原始４０ ０００７ ４０．０００７ ４８ ０００７ ２５０．５０５７ ２４９．８１０８ ２４９．１１５９ 拟合０４．０００７ ４０．０００７ ４８．０００７ ２５０ ５０５７ ２４９ ８１０８ ２４９．１１５９ 差值０ ０ ０ ０ ０ ０ 第５期 杜芳静等：基于ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统的复杂机加件模线样板设计方法探索 ３ 表２关键点与拟合曲面距离 单位：ｍｉｌｌ ２．２轮廓提取问题的解决方法 ２．２．１分割生长提取法 上下两块外形样板对于机加零件来说十分重 要，如图６所示。零件轮廓以及内部结构都需要 外形样板来检验，机加零件内部筋条多，结构很复 杂，模线设计中轮廓的提取是一项非常繁琐的过 程，如何有效的简化轮廓的提取工作就显得十分 的重要。 外彤辑１簪ｃｌ “ ” “ ” 善 ”” ． ★ ，， ，，， ，－ ， ， ，， ，，， ；！＇ ７； ，， ，，， 量 、、…圳、甄 图６外形样板使用位置示意图 ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统零件设计模块中的“厚度”功 能可以对一个面或多个面进行添加或移除厚度， 对这一功能的有效利用可以简化机加零件外形样 板的设计。经过多次实践，提出了一种实用方 法——“分割生长提取法”，具体实施步骤如下： （１）分割面的选取 做一个与机加件腹板平面平行的平面Ｐｌａｎｅ． １，位于样板使用平面与腹板平面之间，且这个平 面与零件的所有缘条和筋条相交，称Ｐｌａｎｅ．１为 分割面，如图７所示。 （２）对零件实体进行分割 用选取的分割面Ｐｌａｎｅ．１分割零件，保留带 有腹板的部分，去掉另一部分，如图８所示。 （３）对分割后的零件增厚 将零件分割后保留下的部分向样板使用平面 的方向进行生长，也就是对分割后的零件截面进 行增厚，增厚高度为样板使用平面与分割面 Ｐｌａｎｅ．１之间的距离Ｉ ，如图９所示。 从图９可以看出生长后的零件的外形轮廓和 筋条等信息都长到了样板平面，可以直接进行提 取。这种增厚方式是对零件本身结构趋势的一种 延伸，所得结果与零件结构表面和样板使用平面 相交的结果完全一致，是对零件缘条、筋条轮廓位 图７ 选取分割面示意图 图８分割零件示意图 图９对分割的零件增厚示意图 置等信息的真实再现。 但应注意的是：在比较复杂的机加件中，由于 有很多限制因素（如转角、下陷等），切割后的零 件有时不能按零件自身趋势生长到新的高度，这 时ＣＡＴＩＡ Ｖ５软件也会给出一个和零件分离的平 面，这个平面只是切割后的零件截面到样板平面 的一个投影，不是生长的真实情况。这时改变我 们选取的分割面的位置，使其摆脱一些倒角的影 响；另外，也可以将生成一些细节的前一步定义为 工作对象，用分割面去切割这个状态下的零件，一 般情况下的问题都可以解决。 ４ 沈阳航空 业学院学报 第２５卷 ２．２．２草图线面相合法 在筋条与腹板平面不垂直的机加件中，当 “分割生长提取法”不能达到很好的效果时，我们 还可以利用“草图线面相合法”使筋条的处理得 以简化。 具体步骤如下： （１）选定样板使用平面，进入其草图状态下； （２）画一条直线ｌｉｎｅｌ，同时选定筋条的某一 个表面和ｌｉｎｅｌ，将二者约束为“相合”，如图１０ 示。这样得出的直线实际就是筋条前表面与样板 投影面的交线，再用同样的方法处理筋条的另一 个表面和其余的筋条； （３）在草图里将这些直线和筋条倒角等其他 图１０直线与筋条平面“线面相合” 的再设计。经过某型飞机上百余件类似零件的实 际生产检验，证明这些技术方法不仅提高了设计 效率，而且精度完全能够符合工程要求。 参考文献： 信息修整到一起。 这种方法不仅适用于筋条的位置提取．而且 在设计其它类零件时，当内部结构没有达到样板 平面的高度，需要将结构表面延长而与样板平面 一一相交时，同样可使用这种方法使设计得到简 ［１］杜兵举．基于ＣＡＴＩＡ Ｖ５飞机数字化设计环境下的模线样板 化。 并行设计［Ａ］．陕两省航空装备制造技术发展——第九届陕 ３ 结论 本文基于ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统环境下，针对复杂 机加零件的两类典型问题，结合实践探索出相应 的有效而又方便的解决方法，这三种方法其本质 是对零件结构内在规律的发现，是对ＣＡＴＩＡ Ｖ５ 西省青年科学家论坛论文集［Ｃ］，２００６． ［２］航空制造－ｒ程手册总编委会．航空制造 程手册［Ｍ］．北京： 航空工业出版社，１９９４． ［３］唐荣锡．计算机辅助飞机制造［Ｍ］．北京：航空工业出版社， １９９３． ［４］毛昕．工程曲面近似展开及精度分析方法的研究［Ｊ］．中国 有色金属学报，１９９８（８）：６１４—６１７． 系统功能的有效利用，是基于零件本身结构特征 ［５］奚晓波，张凌云．基于ＣＡＴＩＡ Ｖ５系统的非金属曲面零件展开 方法研究［Ｊ］．沈阳航空丁 业学院学报，２００８（１）：１７—１９． Ｍｅｔｈｏｄｓ ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｆｔｉｎｇ——ｔｅｍｐｌａｔｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＴＩＡ Ｖ５ ＤＵ Ｆａｎｇ－ｊｉｎｇ ＺＨＡＮＧ Ｌｉｎｇ—ｙｕｎ ＹＵ Ｂｏ—ｚｈａｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０１３６；２．Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １００３４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｏｆｔｉｎｇ—ｔｅｍｐｌａｔｅ ｉｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｐａｒｔｓ ｆｉｇｕｒｅｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ，ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎ ａｅｒｏｎａｕｔｉｃ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．Ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ｐａｒｔｓ，ｔｈｅ ｌｏｆｔｉｎｇ—ｔｅｍｐｌａｔｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ａｌｗａｙｓ ｔｈｅ ｃｈｏｋｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ ｑｕｅｓｔｉｏｎｓ ｗｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏｆｔｉｎｇ——ｔｅｍｐｌａｔｅ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍａｃｈｉ ｎｉｎｇ ｐａｒｔｓ，ｔｈｒｅｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｓｏｌｖｅｎｔｓ ａｒｅ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｉｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｙ ｂｏｕｎｄａｒｙｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ—ｕｐ． ．ｇｒｏｗｔｈ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｎｅ—ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ ｏｎ ｓｋｅｔｃｈ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｆｔｉｎｇ—ｔｅｍｐｌａｔｅ ｄｅｓｉｇｎ；ｆｉｔ；ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ—ｕｐｇｒｏｗｔｈ；ｌｉｎｅ—ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ：ＣＡＴＩＡ