基于CATIA V5自由曲面测量采点方法研究与软件开发

黄梦莉

(中航飞机西安飞机分公司，陕西 西安 710089)

0 引言

目前，先进的测量软件可以利用CAD模型直接测量，但是由于其不具备 CAD软件的造型、分析功能，对于飞机各类零件和工装的曲线、曲面的测量，根本不能构造出符合企业质量文件要求的测量点，例如，沿某一方向的最高点、最低点或是切点、拐点，并且在曲率大处加密采点。

CATIA V5是IBM/DS基于Windows核心开发的高端CAD/CAE/CAM系统，作为国内外各大飞机制造企业的首选软件，它具有统一的用户界面、数据管理以及兼容的数据库和应用程序接口，并拥有20多个独立的模块。测量人员按照检测计划要求，依据相关质量文件规定在CATIA V5下构建测量点，并提取输出成标准格式，可供各种测量设备直接使用。

虽然应用CATIA V5的线框和曲面设计功能模块，可以构建符合规则要求的测量点，但是人工构建测量点的过程是一件十分繁琐的事情，对于1000多测量点的模胎，至少需要工作2 h，并且经常出现多取点、少取点等现象。为了实现曲面测量的自动采点，必须开发一套基于CATIA V5的测量理论数据自动提取软件，在确保工作质量的同时，最大程度地提高工作效率。

1 软件设计

CATIA开发接口是通过两种方式与外部程序通信:进程内应用程序 (In-process Application)方式和进程外应用程序 (Out-process Application)方式。由于进程内应用程序是使用脚本开发，不利于程序功能的扩展。本软件采用进程外应用程序方式，利用CATIA V5提供的COM接口，用VC#进行开发实现。

本软件将为测量理论数据的自动提取与集中存储提供解决方案。将每个产品的数据提取作为一项任务来处理，每个产品可能有多处部位需要检测，每个部位的测量理论数据作为单独一个数据集管理，这样可以形成一个结构树。其中任务管理具有新建、打开、保存、打印、页面设置、字体设置、打印内容设置、发布等功能。通过将产品数模、测量理论数据、布点草图等存储在一个XML文件中，可以实现测量理论数据的集中管理，改变了以往数据、数模、打印草图分散存储的现状，方便后续的数据管理工作。该软件的主界面如图1所示。

图1 软件主界面

本软件按照测量理论数据提取工作流程，采用模块化、参数化的方法进行设计，主要包括测量点分布、测量点排序、测量点提取等功能。为实现曲面测量理论数据的自动提取，需要解决以下关键技术:

1)针对不同曲面设计布点算法，实现在各类曲面上的自动布点。

2)控制测量点的构建顺序，保证与测量顺序一致，避免后续人工排序。

3)通过三维空间几何变换，实现测量数据从原始坐标系到测量坐标系的转换，并且输出成XYZIJK格式。

2 软件实现

2.1 曲面自动布点

根据曲面类型不同，可以采用三种布点方法。一是等参网格法;二是UV等分法;三是是等参截面法。其中等参网格法是目前被许多软件采用的方法，包括CATIA，UG，PC-DMIS以及SA等软件，它对于标准几何体可以直接通过创建等参线的方式，在曲面上划分网格，创建测量点。而对于非标准的几何体或边界不规则的曲面，只能采用UV等分法或截面法，其中UV等分法适用于曲率变化较小的光滑曲面，而截面法则适用于扫描面或拉深面。

2.1.1 等参网格法

等参网格法的用户界面如图2所示。首先分别沿两个方向创建等参曲线网格，然后创建网格交点即为要测量的点，这种方法适用于规则的零件外形测量。布点效果如图3所示。

图2 等参网格法界面

图3 等参网格法布点效果图

2.1.2 UV等分法。

UV等分法界面如图4所示。首先分别沿U，V方向构建等分平面，然后用等分平面对测量面划分网格，网格的交点即为要测量的点。其中“缩进”参数是指测量点偏离曲面边缘的距离。可以点击“U方向按钮”改变U的正方向，同理可以改变V的正方向，通过改变U，V的正方向可以改变测量点的构建顺序，分析时按照测量点的构建顺序输出。这种方法对于测量曲面变化不大的模胎比较适用。布点效果如图5所示。

图4 UV等分法界面

图5 UV等分法布点效果图

2.1.3 截面法

等参截面法的用户界面如图6所示。首先根据引导曲线的几何特征和截面参数构建平面，然后用平面与测量面相交构建截面曲线，最后根据截面曲线的几何特征和取点参数构建测量点。通过改变引导线的方向可以改变截面的构建顺序，在分析时通过改变各条截面曲线的采点方向，调整测量点的构建顺序，保证测量的顺序与构建点的顺序一致。布点效果如图7所示。

图6 截面法界面

图7 截面法自动布点效果图

2.2 测量顺序的规划

在利用等参用格法、UV等分法及截面法构造测量点时，为方便测量必须控制测量点的顺序，可先根据截面线进行分组然后按最近确定测量点顺序[3]。现以截面法为例说明测量点顺序的规划。利用截面法在被测面曲面上构造截面曲线，如图8所示，可人为确定第一条曲线的起始方向，然后程序自动按最近原则距离确定后续截面曲线及方向，构建的测量点的效果如图9所示。

图8 截面法构建曲线的顺序

图9 测量点规划效果图

2.3 生成XYZIJK文件

通过三维空间几何变换，实现测量数据从原始坐标系到测量坐标系的转换，并且输出成XYZIJK格式。CMM在测量零件时，需要对测尖给一个球头半径的补偿，而补偿方向是支撑面上在该点处的法向，因此确定测量点不仅需要给出坐标值，还需要给出支撑面在该点处的单位法向量[4]。通常原始坐标系统OXYZ和测量坐标系统TUVW不是同一坐标系，可以通过三维图形转换方法，将测量点在原始坐标系统的位置通过基本变换矩阵转换到测量坐标系统下[5]，通过计算得到以下公式:

式中:T1为平移变换的变换矩阵;T2为旋转变换的变换矩阵;X，Y，Z是测量点在OXYZ坐标系下的坐标值，I，J，K是该点处单位法向量的分量;X'，Y'，Z'是测量点在TUVW坐标系下的坐标值，I'，J'，K'是该点处单位法向量的分量;UX，UY，UZ表示 U轴在OXYZ坐标系下的各分量 (一个单位投影)，可通过AxisSystem对象的GetXAxis方法获得;VX，VY，VZ表示V轴在OXYZ坐标系下的各分量 (一个单位投影)，可通过 AxisSystem对象的 GetYAxis方法获得;WX，WY，WZ表示W轴在OXYZ坐标系下的各分量 (一个单位投影)，可通过AxisSystem对象的GetZAxis方法获得;TX，TY，TZ表示T点在OXYZ坐标系下的位置，可通过AxisSystem对象的GetOrigin方法获得。

在CATIA下生成每个测量点数据必须经历以下几步:首先必须选择被测曲面，用AddNewProject方法构造测量点到该支撑面的法向投影点，用AddNewLineNormal方法构造支撑面在测量点处的法向直线，对投影各点用GetCoordinates方法获取点坐标，对法向直线用GetDirection方法获取单位向量，最后选取测量坐标系，将点坐标和单位向量从原始坐标系转换到测量坐标系输出。

3 结束语

本文基于CATIA V5提供的COM接口，用VC#进行二次开发，提出并实现了三种自由曲面自动布点方法，并输出成可供CMM检测直接使用的XYZIJK格式，该软件有效地解决了CMM测量时曲面自动采点问题，满足了实际测量的需要，具有一定的实际意义和推广使用价值。

[1]胡挺，吴立军.CATIA二次开发技术基础 [M].北京:电子工业出版社，2006.

[2]周保珍，平雪良，龚玉玲，等.基于CAD模型的复杂曲面三坐标自动测量 [J].机床与液压，2008，36(4):125－127.

[3]宋春刚，兰诗涛，王文.自由曲面的接触式测量路径规划方法研究 [J].机电工程，2003，20(5):3－5.

[4]邹刚，王亚平，李永刚.三坐标测量机测量路径自动生成的研究 [J].计测技术，2004，24(3):6 －7，21.

[5]徐丽丽，白万民.接触式测头测量中测头半径补偿的研究[J].机械工程与自动化，2006(6):61－62，66.