一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法
2023-05-13 12:28:06 1
一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法
【專利摘要】本發明從模擬量飛機零件改進設計和數位化製造的客觀要求出發，提出一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法，可以較為準確地建立符合現有生產協調關係的飛機零件實體數模，通過平板式掃描設備掃描零件的切面模線圖板形成二維光柵圖像，然後藉助正交網格線對二維光柵圖像進行失真校正、矢量化處理和擬合光順，最後通過擬合切面模線對飛機零件進行實體建模。
【專利說明】一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於逆向工程領域，涉及一種飛機零件逆向建模方法，特別涉及一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法。
【背景技術】
[0002]飛機具有合乎氣動力學的光滑幾何外形，其大量零件具有與氣動力外形有關的複雜曲面。因此，在飛機製造中廣泛採用一種與一般機械製造業不同的技術一模線樣板技術，以保證製造出來的各種工藝裝備和零件互相協調。其中，模線是根據飛機設計圖紙和工藝要求，按1:1比例精確繪製在圖板上，表示飛機零部件理論外形和結構軸線的圖樣。模線是飛機製造過程中尺寸傳遞的原始依據，是保證各類零部件尺寸協調的基本手段。為了便於敘述，以下將採用模線樣板技術製造的飛機，稱為模擬量飛機。在模擬量飛機的製造過程中，具有複雜外形曲面的飛機零件是採用切面模線定義其外形的。所謂飛機零件的切面模線，是指一組表示飛機零件切面輪廓的縱橫交錯的平面曲線。事實上，由於以往手工繪圖的局限性，切面模線是通過描述飛機零件的特定位置的切面輪廓來定義整個飛機零件的。一般情況下，一個飛機零件的切面模線繪製在數張圖板上，各切面模線之間的三維空間位置關係通過定位基準確定。
[0003]隨著製造技術的飛速發展，全面應用CAD/CAM技術，已成為航空技術發展的必然趨勢。飛機研製正面臨一場革命，採用先進的數位化設計與製造手段取代傳統的模線樣板方法已迫在眉睫。然而，模擬量飛機零件實體數模的缺失，阻礙了數位化設計製造技術在我國航空企業的應用和推廣，導致飛機製造工裝需求量大、生產準備周期長、零部件互換協調性差、質量難以保證、成本高、批量生產能力不足等一系列問題，同時也極大地限制了模擬量飛機自身的改型升級。發展模擬量飛機零件的逆向建模技術，是提高模擬量飛機的製造效率和精度的有效手段，也是促進模擬量飛機自身改型升級的客觀要求。可見，在以模線樣板為協調依據的模擬量飛機上實施數位化技術，並在不報廢現有工裝的原則下，採用逆向建模方法建立與現有的生產協調關係一致的飛機零件實體數模，是急需解決的問題。
[0004]常用的零件逆向建模方法是通過三維CAD軟體對零件的掃描數據點雲進行處理，然後基於點雲進行曲面重構和實體建模。文獻「陳文琳等，殼體零件反向建模，製造業信息化，2 (2009)91-93」公開了一種殼體零件的逆向建模方法，具體流程如下:(1)採用三維測量設備採集零件的外形點雲；(2)將掃描點雲導入三維CAD軟體，剔除明顯錯誤的數據，並對其進行拼合、去噪、過濾、修補及網格化等一系列預處理操作；(3)通過掃描點雲構造零件外形曲面，進而建立零件實體數模。該方法的缺陷表現為:
[0005](I)實施過程需要掃描大量的零件外形數據，加之零件經過長期使用後產生變形和磨損，容易造成難以避免的逆向建模誤差；
[0006](2)掃描設備採集的是無序的三維數據，因而識別和提取零件結構特徵的難度大，難以實現參數化建模，進而不利於零件自身的改進設計。
【發明內容】
[0007]為了克服現有逆向建模方法的缺陷，本發明從模擬量飛機零件改進設計和數位化製造的客觀要求出發，提出一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法，可以較為準確地建立符合現有生產協調關係的飛機零件實體數模。
[0008]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法，其特徵在於包括以下步驟:
[0009]步驟1:通過平板繪圖機在尺寸穩定的透明介質上以給定間距繪製MXN條正交網格線，並將網格交點記為Oij，其中i=l、2、…、M，j=l、2、…、N，然後以網格交點O11為坐標原點建立正交坐標系Χ0Υ，獲取各網格交點Oij的坐標；
[0010]步驟2:將零件的其中一張切面模線圖板平鋪在平板式掃描設備的工作檯上，然後將步驟I繪製的透明介質置於切面模線圖板上方，並使繪有正交網格線的一面與切面模線圖板的正面相貼，充分貼合後固定，得到帶透視網格線的切面模線圖板；
[0011]步驟3:採用平板式掃描設備將帶透視網格線的切面模線圖板進行掃描，得到包含掃描切面模線圖板、掃描切面模線、掃描定位基準、掃描透明介質和掃描正交網格線的二維光柵圖像，將二維光柵圖像中的網格交點記為Oij丨,Oij丨與Oij 對應；
[0012]步驟4:對二維光柵圖像進行失真校正和矢量化處理，得到矢量切面模線和矢量定位基準；
[0013]步驟5:參照步驟2~4處理零件的其他切面模線圖板，得到零件每一個切面模線圖板的矢量切面模線和矢量定位基準；
[0014]步驟6:將零件的所有矢量切面模線和矢量定位基準導入三維CAD軟體中，並在保證精度的前提下對其進行擬 合光順，得到擬合切面模線和擬合定位基準；
[0015]步驟7:在CAD軟體的三維坐標系OXYZ中，藉助擬合定位基準，通過平移和旋轉操作，將擬合切面模線定位到空間理論位置；
[0016]步驟8:參考零件圖紙和相關技術文件，採用曲線曲面操作，通過擬合切面模線構造出飛機零件的外形面，進而採用實體操作建立零件的實體數模；
[0017]上述步驟4對二維光柵圖像進行失真校正和矢量化處理的具體做法為:
[0018]步驟(4-1):在圖像校正軟體中打開二維光柵圖像，以網格交點O11丨為坐標原點建立與XOY協調一致的正交坐標系O ; Y '，捕獲各網格交點Oij丨的坐標；
[0019]步驟(4-2):以各網格交點Oij 』為待校正點，以各對應的網格交點Oij為校正目標點，對二維光柵圖像進行失真校正；
[0020]步驟(4-3):將校正後的二維光柵圖像矢量化，得到矢量切面模線和矢量定位基準，然後以三維CAD軟體兼容的文件格式保存。
[0021]上述步驟6中擬合切面模線和擬合定位基準的具體步驟為；
[0022]步驟(6-1):對於任意一條矢量切面模線或矢量定位基準，在其上提取若干個點；
[0023]步驟(6-2):通過提取的點逐一擬合與曲線原始定義類型一致的切面模線或定位基準；
[0024]步驟(6-3):通過平板繪圖機繪製步驟(6-2)擬合的切面模線和定位基準，並與原切面模線圖板進行對比檢測，如果超差，參考原切面模線圖板對其進行修正，然後再繪製並進行對比，如此反覆，最終得到滿足設計公差要求的擬合切面模線和擬合定位基準。[0025]該方法針對採用切面模線定義外形的飛機零件，首先通過平板式掃描設備掃描零件的切面模線圖板形成二維光柵圖像，然後藉助正交網格線對二維光柵圖像進行失真校正、矢量化處理和擬合光順，最後通過擬合切面模線對飛機零件進行實體建模。
[0026]本發明的有益效果是:(1)由於採用切面模線作為逆向建模的數據來源，而切面模線是飛機零件製造的原始依據，因此，本發明提出的逆向建模方法的建模精度高，所建立的零件實體數模能夠符合現有的生產協調關係，不會造成現有工裝的報廢，可直接代替原切面模線圖板作為零件數位化製造的依據。
[0027](2)針對圖板掃描過程產生的圖像失真，本發明藉助正交網格線實現了圖像失真的快速校正，避免了建立失真模型和標定失真參數等複雜的圖像校正過程，有效提高了逆向建模的效率和準確性。
[0028](3)與常用的基於掃描點雲的逆向建模方法相比，本發明直接將切面模線作為零件實體建模的特徵線，無需識別和提取零件結構特徵，生成零件實體數模的操作過程簡單，工作量小。更重要的是，本發明實現了以切面模線為特徵參數的飛機零件參數化逆向建模，有利於零件自身的改進設計。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是本發明實施例零件的其中一張切面模線圖板；
[0030]圖2是本發明實施例繪製的含有正交網格線的聚酯薄膜膠板；
[0031]圖3是本發明實施例掃描得到的二維光柵圖像；
[0032]圖4是本發明實施例獲得的擬合切面模線和擬合定位基準；
[0033]圖5是本發明實施例定位到理論位置的擬合切面模線和擬合定位基準；
[0034]圖6是本發明實施例建立的零件實體數模。
[0035]圖中編號說明:1切面模線圖板、2切面模線、2 』掃描切面模線、2"擬合切面模線、3定位基準、3'掃描定位基準、3"擬合定位基準，4聚酯薄膜膠板、4'掃描聚酯薄膜膠板、5正交網格線、5 』掃描正交網格線、6 二維光柵圖像，7零件本體，8局部特徵。
【具體實施方式】
[0036]為了實現本發明的有益效果，保證所建立的零件實體數模符合現有的生產協調關係，避免現有工裝的報廢，在實施本發明的過程中應遵循以下原則:
[0037](I)原始定義不變原則。逆向建模過程應充分尊重原有的設計理念和方案，不能破壞原飛機零件理論圖中規定的型面分界線，不能破壞其曲線、曲面原始定義類型。
[0038](2)協調關係不變原則。建立的零件實體數模應符合現有的生產協調關係，零件的外形應與相關的製造依據和裝配狀態協調一致。
[0039](3)建模誤差不超過設計公差的原則。基於飛機零件製造精度要求高的特點，逆向建模過程中應實時對建模誤差進行嚴格控制，保證最終的零件實體數模符合設計公差要求。
[0040]以下結合一典型飛機蒙皮零件的逆向建模實施過程描述本發明的優選實施方式。
[0041]本實施例選用的的軟硬體設備如下:選用的平板繪圖機為Kongsberg平板繪圖機，選用聚酯薄膜膠板作為繪製正交網格線的透明介質，選用大幅面的平板式CCD掃描儀作為切面模線圖板的掃描設備，選用Vpmax軟體作為掃描圖像的失真校正和矢量化工具，選用CATIA V5軟體作為建立零件實體數模的三維CAD軟體。
[0042]圖1為該零件的其中一張切面模線圖板1，包括切面模線2及其定位基準3，採用本發明提供的方法建立該零件的實體數模的步驟如下:
[0043]步驟1:通過Kongsberg平板繪圖機在聚酯薄膜膠板4上以50mmX 50mm的間距繪製MXN條正交網格線5，並將網格交點記為Oij,其中i=l、2、…、M，j=l、2、…、N，然後以網格交點O11為坐標原點建立正交坐標系Χ0Υ,獲取各網格交點Oij的坐標,如圖2所示。
[0044]步驟2:將圖1所示的切面模線圖板I平鋪在平板式CCD掃描儀的工作檯上，然後將步驟I繪製的聚酯薄膜膠板4置於切面模線圖板I上方，並使繪有正交網格線5的一面與切面模線圖板I的正面相貼，充分貼合後固定。
[0045]步驟3:採用平板式CCD掃描儀掃描聚酯薄膜膠板4和切面模線圖板I，得到如圖3所示的包含掃描切面模線圖板I '、掃描切面模線2'、掃描定位基準3'、掃描聚酯薄膜膠板4'和掃描正交網格線5'的二維光柵圖像6，將二維光柵圖像6中的網格交點記為
Oij '，Oij '與 Oij —一對應。
[0046]步驟4:對二維光柵圖像6進行失真校正和矢量化處理，得到矢量切面模線和矢量定位基準8，具體過程如下:
[0047]步驟(4-1):在Vpmax軟體中打開二維光柵圖像6，以網格交點f為坐標原點建立方向與XOY協調一致的正交坐標系)T O' Y'，捕獲各網格交點Oi/的坐標。
[0048]步驟(4-2):以各網格交點Oij 』為待校正點，以各對應的網格交點Oij為校正目標點，對二維光柵圖像6進行失真校正。
`[0049]步驟(4-3):將校正後的二維光柵圖像6矢量化，得到矢量切面模線和矢量定位基準，然後以DXF格式保存。
[0050]步驟5:參照步驟2~4處理零件的其他切面模線圖板。
[0051]步驟6:將矢量切面模線和矢量定位基準導入CATIA V5軟體中，在保證精度的前提下對其進行擬合光順，得到擬合切面模線2"和擬合定位基準3"，具體過程如下:
[0052]步驟(6-1):對於任意一條矢量切面模線或矢量定位基準，在其上提取若干個點。
[0053]步驟(6-2):通過提取的點逐一擬合與曲線原始定義類型一致的切面模線或定位基準。
[0054]步驟(6-3):通過Kongsberg平板繪圖機繪製步驟(6_2)擬合的切面模線和定位基準，並與原切面模線圖板進行對比檢測。如果超差，參考原切面模線圖板對其進行修正，然後再繪製並進行對比，如此反覆，最終得到滿足設計公差要求的擬合切面模線2"和擬合定位基準3"，結果如圖4所示。
[0055]步驟7:在CATIA V5軟體的三維坐標系OXYZ中，藉助擬合定位基準3"，通過平移和旋轉操作，將擬合切面模線2"定位到空間理論位置，如圖5所示。
[0056]步驟8:參考零件圖紙和相關技術文件，採用CATIA V5軟體的曲線曲面操作，通過擬合切面模線2"構造出飛機零件的外形面，進而通過加厚曲面操作建立該零件的零件本體7，最後在零件本體7上添加該零件的局部特徵8，結果如圖6所示。這裡需要說明的是，在構造外形面的過程中，為了保證曲面的光順性，在保證精度的前提下可以適當捨棄部分中間擬合切面模線。[0057]以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明的限制，本發明的具體實現並不局限於上述方式。凡依據本發明的技術方案通過邏輯分析等方式得到的技術方案，皆應在本發明的保護範圍之內。特別地，為了避免爭議，在此概括以下顯而易見的技術方案:(I)逆向建模的數據來源不是切面模線，而是切面模線對應的實物樣板；(2)逆向建模的對象不是飛機零件，而是用於成型飛機零件的模胎；(3)逆向建模的思路是:掃描零件或掃描用於成型零件的模胎，通過獲得的掃描數據進行零件逆向建模，然後通過切面模線或對應的實物樣板對建立的零件實體數模進行修正。
【權利要求】
1.一種基於切面模線的飛機零件逆向建模方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟1:通過平板繪圖機在尺寸穩定的透明介質上以給定間距繪製MXN條正交網格線，並將網格交點記為Oij，其中i=l、2、…、M，j=l、2、…、N，然後以網格交點O11為坐標原點建立正交坐標系Χ0Υ，獲取各網格交點Oij的坐標； 步驟2:將零件的其中一張切面模線圖板平鋪在平板式掃描設備的工作檯上，然後將步驟I繪製的透明介質置於切面模線圖板上方，並使繪有正交網格線的一面與切面模線圖板的正面相貼，充分貼合後固定，得到帶透視網格線的切面模線圖板； 步驟3:採用平板式掃描設備將帶透視網格線的切面模線圖板進行掃描，得到包含掃描切面模線圖板、掃描切面模線、掃描定位基準、掃描透明介質和掃描正交網格線的二維光柵圖像，將二維光柵圖像中的網格交點記為Oij丨，Oij丨與Oij —一對應； 步驟4:對二維光柵圖像進行失真校正和矢量化處理，得到矢量切面模線和矢量定位基準； 步驟5:參照步驟2~4處理零件的其他切面模線圖板，得到零件每一個切面模線圖板的矢量切面模線和矢量定位基準； 步驟6:將零件的所有矢量切面模線和矢量定位基準導入三維CAD軟體中，並在保證精度的前提下對其進行擬合光順，得到擬合切面模線和擬合定位基準； 步驟7:在CAD軟體的三維坐標系OXYZ中，藉助擬合定位基準，通過平移和旋轉操作，將擬合切面模線定位到空間理論位置； 步驟8:參考零件圖紙和相關技術文件，採用曲線曲面操作，通過擬合切面模線構造出飛機零件的外形面，進而`採用實體操作建立零件的實體數模。
2.如權利要求1所述的基於切面模線的飛機零件逆向建模方法，其特徵在於上述步驟4對二維光柵圖像進行失真校正和矢量化處理的具體做法為: 步驟(4-1):在圖像校正軟體中打開二維光柵圖像，以網格交點O11丨為坐標原點建立與XOY協調一致的正交坐標系X' O' Y'，捕獲各網格交點Oi/的坐標； 步驟(4-2):以各網格交點Oij丨為待校正點，以各對應的網格交點Oij為校正目標點，對二維光柵圖像進行失真校正； 步驟(4-3):將校正後的二維光柵圖像矢量化，得到矢量切面模線和矢量定位基準，然後以三維CAD軟體兼容的文件格式保存。
3.如權利要求1或2所述的基於切面模線的飛機零件逆向建模方法，其特徵在於上述步驟6中擬合切面模線和擬合定位基準的具體步驟為； 步驟(6-1):對於任意一條矢量切面模線或矢量定位基準，在其上提取若干個點； 步驟(6-2):通過提取的點逐一擬合與曲線原始定義類型一致的切面模線或定位基準； 步驟(6-3):通過平板繪圖機繪製步驟(6-2)擬合的切面模線和定位基準，並與原切面模線圖板進行對比檢測，如果超差，參考原切面模線圖板對其進行修正，然後再繪製並進行對比，如此反覆，最終得到滿足設計公差要求的擬合切面模線和擬合定位基準。
【文檔編號】G06F17/50GK103577630SQ201310473190
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月11日 優先權日:2013年10月11日
【發明者】彭豔敏, 陳金平, 黨建衛, 韓強儒, 楊亮 申請人:中航飛機股份有限公司西安飛機分公司