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著大量的上世紀八九十年代設計的飛機，這些飛機的產品和工裝制造依據均為模線樣板。模線樣板技術的落后性嚴重制約了飛機零件的制造效率，將此類工裝的制造依據由模線樣板轉化為CAD信息成為解決生產瓶頸的有效手段之一。工裝的精度和加工周期直接影響著飛機的質量和交付周期，所以工裝制造是飛機制造過程中的重要環節。飛機工裝具有單件或小批量生產、零件形狀和加工過程復雜、加工周期長、加工精度高、零件需要反復修配調整等突出特點。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。
關鍵詞：樣板 CAD信息 測繪 數據處理
1 模線樣板制造法和CAD/CAM制造
1.1 模線樣板法制造工裝的過程
工裝制造過程中涉及使用的樣板主要有外形樣板、展開樣板、切面樣板。
⑴外形樣板：表達零件結構平面的形狀。對于零件無彎邊部分，樣板外緣取零件的外廓形狀。
⑵展開樣板：展開樣板用來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，故有時需經工藝校正，以消除工藝因素的影響。
⑶切面樣板：切面樣板是用于表示雙曲度鈑金件縱、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，手工繪制理論模線和結構模線，然后曬印出模線圖板，按模線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制造工裝的過程
隨著電子計算機和數控技術的發展，飛機理論外形(包括部分結構形狀)的數學模型成為飛機設計、制造整個環節的統一依據。數模和圖紙成為飛機工裝制造依據。
采用數字模型技術制造工藝裝備，可廢除一部分過渡工藝裝備，各類工藝裝備可以高度并行制造，互換性強，同時也能保證良好的`精度協調，可使用數控加工，加工周期大大縮短，同時CAD/CAM制造以電子數據為依據，具有制造基準不可變的優點。
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是數量大，品種多，外形復雜，協調要求高。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、各類鈑金成型模，機加夾具、裝配型架等等。它們大多都有氣動外形要求，而且各相關的工藝裝備之間，有著嚴格的協調關系。
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)由于時間較長，很多樣板出現圖面不清晰、變形嚴重等問題，嚴重阻礙生產。
(2)使用樣件制造工裝周期長，無法滿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驗進行修挫，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，同時通過數控設備控制加工質量，可保證制造和修理的準確性。
(4)依據樣板制造工裝一旦發現工裝有問題，查找問題根源時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，這樣整個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題根源。
(5)由于技術人才的斷層，出現模線樣板加工方法傳承的斷檔，很多年輕的技術人員沒有解決實際問題的經驗，遇到依據模線樣板新制或返修工裝時，解決問題的方法不當且周期較長。采用樣板測繪技術將制造依據數字化是適應航空工業發展的必然趨勢和要求。
2 測繪方法
目前對樣板進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(具體視工裝的實際情況而定)，配合使用測量工具，進行尺寸測量。
優缺點分析：缺點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;優點是對于變形的在三坐標測量機上無法測量的樣板更加實用。
(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。以樣板上的基準線為測量基準，采用手搖的方式控制測頭的移動，一般會將所需測量輪廓分為5mm一段，取測量點。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行處理時，要進行半徑補償才能得到真實的論據坐標數據。
優缺點分析：因手動取值，測量結果受主觀因素影響較大，有時需要多次測量才能得到有效的樣板外形數據。優點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，根據測量任務采集被測對象的若干點的三維空間坐標值，由這些點的空間坐標值，通過對點數據進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式數據采集方法，當測頭的探針接觸到樣板外廓時，由于探針尖受力變形觸發采樣中的開關，通過數據采集系統記下探針尖(測球中心點)的當時坐標，逐點移動，就能采集到樣板輪廓的坐標數據。
通過利用三坐標測量機，探測所要實現逆向工程設計的零件表面，利用專業軟件對采集數據進行處理，生成該零件直觀的圖形化表示，進行有關設計。這樣，可大大縮短了獲取數據的時間，簡化了數據的調整和評估時間，非常適合對樣板進行測繪。
3 數據處理步驟
(1)選擇點位。
(2)擬合樣條曲線。
(3)測量曲面曲率變化點處的坐標值。
(4)將曲率變化處點坐標與三坐標測得的曲線擬合。
(5)樣條曲線的驗證。
(6)結合模線樣板信息與測繪樣板后得到的樣條曲線建立設計所需要的外形。
參考文獻
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