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基于樣板測繪建立數模方法的研究
摘 要：目前，許多飛機制造公司都還在生產(chǎn)著(zhù)大量的上世紀八九十年代設計的飛機，這些飛機的產(chǎn)品和工裝制造依據均為模線(xiàn)樣板。模線(xiàn)樣板技術(shù)的落后性嚴重制約了飛機零件的制造效率，將此類(lèi)工裝的制造依據由模線(xiàn)樣板轉化為CAD信息成為解決生產(chǎn)瓶頸的有效手段之一。工裝的精度和加工周期直接影響著(zhù)飛機的質(zhì)量和交付周期，所以工裝制造是飛機制造過(guò)程中的重要環(huán)節。飛機工裝具有單件或小批量生產(chǎn)、零件形狀和加工過(guò)程復雜、加工周期長(cháng)、加工精度高、零件需要反復修配調整等突出特點(diǎn)。該文提出了樣板測繪建模的原則及一般方法，為樣板轉化為CAD信息提供了借鑒。
關(guān)鍵詞：樣板 CAD信息 測繪 數據處理
1 模線(xiàn)樣板制造法和CAD/CAM制造
1.1 模線(xiàn)樣板法制造工裝的過(guò)程
工裝制造過(guò)程中涉及使用的樣板主要有外形樣板、展開(kāi)樣板、切面樣板。
�、磐庑螛影澹罕磉_零件結構平面的形狀。對于零件無(wú)彎邊部分，樣板外緣取零件的外廓形狀。
�、普归_(kāi)樣板：展開(kāi)樣板用來(lái)表達有彎邊的平面零件或單曲面零件展平后的準確形狀。其尺寸和形狀一般按計算方法得出，故有時(shí)需經(jīng)工藝校正，以消除工藝因素的影響。
�、乔忻鏄影澹呵忻鏄影迨怯糜诒硎倦p曲度鈑金件縱、橫切面外形的樣板。切面樣板又分為下列四種：切面外形樣板、反切面外形樣板、切面內形樣板、反切面內形樣板。
傳統的以樣板為依據制造工裝，首先要根據飛機理論外形切面列表數據，手工繪制理論模線(xiàn)和結構模線(xiàn)，然后曬印出模線(xiàn)圖板，按模線(xiàn)圖板人工銼修加工樣板，再按零件樣板和夾具樣板制造零件工裝和裝配工裝。
1.2 采用CAD/CAM制造工裝的過(guò)程
隨著(zhù)電子計算機和數控技術(shù)的發(fā)展，飛機理論外形(包括部分結構形狀)的數學(xué)模型成為飛機設計、制造整個(gè)環(huán)節的統一依據。數模和圖紙成為飛機工裝制造依據。
采用數字模型技術(shù)制造工藝裝備，可廢除一部分過(guò)渡工藝裝備，各類(lèi)工藝裝備可以高度并行制造，互換性強，同時(shí)也能保證良好的精度協(xié)調，可使用數控加工，加工周期大大縮短，同時(shí)CAD/CAM制造以電子數據為依據，具有制造基準不可變的優(yōu)點(diǎn)。
1.3 樣板制造工裝轉化為CAD/CAM制造的必要性
飛機工藝裝備的特點(diǎn)是數量大，品種多，外形復雜，協(xié)調要求高。制造一架直升機的工藝裝備品種包括：樣板、標準樣件、主體胎模、各類(lèi)鈑金成型模，機加夾具、裝配型架等等。它們大多都有氣動(dòng)外形要求，而且各相關(guān)的工藝裝備之間，有著(zhù)嚴格的協(xié)調關(guān)系。
相對于CAD/CAM制造，目前使用樣板制造具有非常大的局限性。
(1)由于時(shí)間較長(cháng)，很多樣板出現圖面不清晰、變形嚴重等問(wèn)題，嚴重阻礙生產(chǎn)。
(2)使用樣件制造工裝周期長(cháng)，無(wú)法滿(mǎn)足目前飛機制造周期的要求。
(3)樣板可傳遞性差，制造離散性大，每次制造或修理都需要工人根據經(jīng)驗進(jìn)行修挫，特別是在樣板變形之后，而CAD/CAM數據可以保證制造基準的唯一性，同時(shí)通過(guò)數控設備控制加工質(zhì)量，可保證制造和修理的準確性。
(4)依據樣板制造工裝一旦發(fā)現工裝有問(wèn)題，查找問(wèn)題根源時(shí)首先需要看樣板是否正確，這樣就得查看樣板圖，對照圖紙查模線(xiàn)，這樣整個(gè)流程可追溯性比較差，而CAD/CAM方法可直接查看數模信息查找問(wèn)題根源。
(5)由于技術(shù)人才的斷層，出現模線(xiàn)樣板加工方法傳承的斷檔，很多年輕的技術(shù)人員沒(méi)有解決實(shí)際問(wèn)題的經(jīng)驗，遇到依據模線(xiàn)樣板新制或返修工裝時(shí)，解決問(wèn)題的方法不當且周期較長(cháng)。采用樣板測繪技術(shù)將制造依據數字化是適應航空工業(yè)發(fā)展的必然趨勢和要求。
2 測繪方法
目前對樣板進(jìn)行測繪的方法主要有三種，手工測量法、三坐標數控銑床測量法和三坐標測量機測量法。
(1)手工測量法。
常用工具卡尺、直角尺、R尺、鋼板尺。首先將直角邊或者樣板上的基準定為測量基準(具體視工裝的實(shí)際情況而定)，配合使用測量工具，進(jìn)行尺寸測量。
優(yōu)缺點(diǎn)分析：缺點(diǎn)是方法較為原始落后，測量誤差較大，加大了裝配鉗工后續修拋裝配工作量，效率較低;優(yōu)點(diǎn)是對于變形的在三坐標測量機上無(wú)法測量的樣板更加實(shí)用。
(2)三坐標數控銑床測量法。
由工藝人員制定樣板需測量部位，視實(shí)際情況選擇測量機床。操作人員先擺放方向，然后將樣板墊起一定高度(因為樣板較薄，而測頭一般選Q6，所以樣板墊起高度至少在5mm以上)用壓板裝夾好。以樣板上的基準線(xiàn)為測量基準，采用手搖的方式控制測頭的移動(dòng)，一般會(huì )將所需測量輪廓分為5mm一段，取測量點(diǎn)。操作人員記下測量的X、Y值，反饋給工藝人員，工藝人員在對數據進(jìn)行處理時(shí)，要進(jìn)行半徑補償才能得到真實(shí)的論據坐標數據。
優(yōu)缺點(diǎn)分析：因手動(dòng)取值，測量結果受主觀(guān)因素影響較大，有時(shí)需要多次測量才能得到有效的樣板外形數據。優(yōu)點(diǎn)是測量值相對穩定可信。
(3)三坐標測量機測量法。
將被測物體置于三坐標測量空間，根據測量任務(wù)采集被測對象的若干點(diǎn)的三維空間坐標值，由這些點(diǎn)的空間坐標值，通過(guò)對點(diǎn)數據進(jìn)行處理得出被測物體的幾何尺寸、形狀或幾何要素的空間位置。
基于模線(xiàn)樣板法的特性，三坐標測量機在樣板的測繪中較為常用。三坐標測量機采集數據的方式是觸發(fā)式數據采集方法，當測頭的探針接觸到樣板外廓時(shí)，由于探針尖受力變形觸發(fā)采樣中的開(kāi)關(guān)，通過(guò)數據采集系統記下探針尖(測球中心點(diǎn))的當時(shí)坐標，逐點(diǎn)移動(dòng)，就能采集到樣板輪廓的坐標數據。
通過(guò)利用三坐標測量機，探測所要實(shí)現逆向工程設計的零件表面，利用專(zhuān)業(yè)軟件對采集數據進(jìn)行處理，生成該零件直觀(guān)的圖形化表示，進(jìn)行有關(guān)設計。這樣，可大大縮短了獲取數據的時(shí)間，簡(jiǎn)化了數據的調整和評估時(shí)間，非常適合對樣板進(jìn)行測繪。
3 數據處理步驟
(1)選擇點(diǎn)位。
(2)擬合樣條曲線(xiàn)。
(3)測量曲面曲率變化點(diǎn)處的坐標值。
(4)將曲率變化處點(diǎn)坐標與三坐標測得的曲線(xiàn)擬合。
(5)樣條曲線(xiàn)的驗證。
(6)結合模線(xiàn)樣板信息與測繪樣板后得到的樣條曲線(xiàn)建立設計所需要的外形。
參考文獻
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