基于样板测绘建立数模方法的研究

姜楠 常俊超

摘 要：目前，许多飞机制造公司都还在生产着大量的上世纪八九十年代设计的飞机，这些飞机的产品和工装制造依据均为模线样板。模线样板技术的落后性严重制约了飞机零件的制造效率，将此类工装的制造依据由模线样板转化为CAD信息成为解决生产瓶颈的有效手段之一。工装的精度和加工周期直接影响着飞机的质量和交付周期，所以工装制造是飞机制造过程中的重要环节。飞机工装具有单件或小批量生产、零件形状和加工过程复杂、加工周期长、加工精度高、零件需要反复修配调整等突出特点。该文提出了样板测绘建模的原则及一般方法，为样板转化为CAD信息提供了借鉴。

关键词：样板 CAD信息 测绘 数据处理

中图分类号：P232 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（a）-0076-01

1 模线样板制造法和CAD/CAM制造

1.1 模线样板法制造工装的过程

工装制造过程中涉及使用的样板主要有外形样板、展开样板、切面样板。

⑴外形样板：表达零件结构平面的形状。对于零件无弯边部分，样板外缘取零件的外廓形状。

⑵展开样板：展开样板用来表达有弯边的平面零件或单曲面零件展平后的准确形状。其尺寸和形状一般按计算方法得出，故有时需经工艺校正，以消除工艺因素的影响。

⑶切面样板：切面样板是用于表示双曲度钣金件纵、横切面外形的样板。切面样板又分为下列四种：切面外形样板、反切面外形样板、切面内形样板、反切面内形样板。

传统的以样板为依据制造工装，首先要根据飞机理论外形切面列表数据，手工绘制理论模线和结构模线，然后晒印出模线图板，按模线图板人工锉修加工样板，再按零件样板和夹具样板制造零件工装和装配工装。

1.2 采用CAD/CAM制造工装的过程

随着电子计算机和数控技术的发展，飞机理论外形（包括部分结构形状）的数学模型成为飞机设计、制造整个环节的统一依据。数模和图纸成为飞机工装制造依据。

采用数字模型技术制造工艺装备，可废除一部分过渡工艺装备，各类工艺装备可以高度并行制造，互换性强，同时也能保证良好的精度协调，可使用数控加工，加工周期大大缩短，同时CAD/CAM制造以电子数据为依据，具有制造基准不可变的优点。

1.3 样板制造工装转化为CAD/CAM制造的必要性

飞机工艺装备的特点是数量大，品种多，外形复杂，协调要求高。制造一架直升机的工艺装备品种包括：样板、标准样件、主体胎模、各类钣金成型模，机加夹具、装配型架等等。它们大多都有气动外形要求，而且各相关的工艺装备之间，有着严格的协调关系。

相对于CAD/CAM制造，目前使用样板制造具有非常大的局限性。

（1）由于时间较长，很多样板出现图面不清晰、变形严重等问题，严重阻碍生产。

（2）使用样件制造工装周期长，无法满足目前飞机制造周期的要求。

（3）样板可传递性差，制造离散性大，每次制造或修理都需要工人根据经验进行修挫，特别是在样板变形之后，而CAD/CAM数据可以保证制造基准的唯一性，同时通过数控设备控制加工质量，可保证制造和修理的准确性。

（4）依据样板制造工装一旦发现工装有问题，查找问题根源时首先需要看样板是否正确，这样就得查看样板图，对照图纸查模线，这样整个流程可追溯性比较差，而CAD/CAM方法可直接查看数模信息查找问题根源。

（5）由于技术人才的断层，出现模线样板加工方法传承的断档，很多年轻的技术人员没有解决实际问题的经验，遇到依据模线样板新制或返修工装时，解决问题的方法不当且周期较长。采用样板测绘技术将制造依据数字化是适应航空工业发展的必然趋势和要求。

2 测绘方法

目前对样板进行测绘的方法主要有三种，手工测量法、三坐标数控铣床测量法和三坐标测量机测量法。

（1）手工测量法。

常用工具卡尺、直角尺、R尺、钢板尺。首先将直角边或者样板上的基准定为测量基准（具体视工装的实际情况而定），配合使用测量工具，进行尺寸测量。

优缺点分析：缺点是方法较为原始落后，测量误差较大，加大了装配钳工后续修抛装配工作量，效率较低；优点是对于变形的在三坐标测量机上无法测量的样板更加实用。

（2）三坐标数控铣床测量法。

由工艺人员制定样板需测量部位，视实际情况选择测量机床。操作人员先摆放方向，然后将样板垫起一定高度（因为样板较薄，而测头一般选Q6，所以样板垫起高度至少在5mm以上）用压板装夹好。以样板上的基准线为测量基准，采用手摇的方式控制测头的移动，一般会将所需测量轮廓分为5mm一段，取测量点。操作人员记下测量的X、Y值，反馈给工艺人员，工艺人员在对数据进行处理时，要进行半径补偿才能得到真实的论据坐标数据。

优缺点分析：因手动取值，测量结果受主观因素影响较大，有时需要多次测量才能得到有效的样板外形数据。优点是测量值相对稳定可信。

（3）三坐标测量机测量法。

将被测物体置于三坐标测量空间，根据测量任务采集被测对象的若干点的三维空间坐标值，由这些点的空间坐标值，通过对点数据进行处理得出被测物体的几何尺寸、形状或几何要素的空间位置。

基于模线样板法的特性，三坐标测量机在样板的测绘中较为常用。三坐标测量机采集数据的方式是触发式数据采集方法，当测头的探针接触到样板外廓时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，通过数据采集系统记下探针尖（测球中心点）的当时坐标，逐点移动，就能采集到样板轮廓的坐标数据。

通过利用三坐标测量机，探测所要实现逆向工程设计的零件表面，利用专业软件对采集数据进行处理，生成该零件直观的图形化表示，进行有关设计。这样，可大大缩短了获取数据的时间，简化了数据的调整和评估时间，非常适合对样板进行测绘。

3 数据处理步骤

（1）选择点位。

（2）拟合样条曲线。

（3）测量曲面曲率变化点处的坐标值。

（4）将曲率变化处点坐标与三坐标测得的曲线拟合。

（5）样条曲线的验证。

（6）结合模线样板信息与测绘样板后得到的样条曲线建立设计所需要的外形。

参考文献

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[3] 谭昌柏.逆向工程中基于特征的实体重建关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学机电学院，2006.