面向工程数据集导管工艺性批量审查技术研究

（沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）

导管是由管材经过弯曲加工而成，大量应用于飞机的液压、燃油、环控、供氧等系统[1]。导管弯曲加工方法很多，根据成形方法分为：滚弯曲、模弯曲和无模弯曲3种。按弯曲时加热与否可分为:冷弯曲和热弯曲。按弯曲时有无填充物又分为有芯（填料）弯曲和无芯（填料）弯曲[2]。为了适应飞机导管零件设计的数字化，飞机导管零件的制造也正在逐步向数字化发展，数控弯管机的应用越来越广泛。

管材的弯曲和板料的弯曲一样。在纯弯曲的情况下，外径为D，壁厚为t的管材受外力矩M的作用发生弯曲时，中性层外侧管壁受拉应力作用，管壁变薄；中性层内层管壁受压应力作用，管壁变厚（见图1）。而且，横截面的形状由于受合力F1和F2的作用由圆形变为近似椭圆形[3]。如果弯曲时选择的参数不能在适当范围，导管在制造过程中会出现种种问题。常见的有管壁破裂、壁厚不均匀等。这些问题不仅降低了导管成品率，还会导致导管使用寿命受影响。在影响导管质量的诸多因素中，最小弯曲半径、圆度和褶皱度是主要的影响因素。经过静强度试验和动强度试验，结合大量的理论分析可知，当导管的弯曲半径一定的时候，那么导管弯曲处的圆度与皱纹度也就一定。所以，控制导管质量的重要因素之一是最小弯曲半径的合理选择[4]。

图1 变形过程Fig.1 Deformation process

导管的最小弯曲半径与导管的材料、导管外径和导管的壁厚有关。当选择的管材一定时，那么用它弯制导管时，它的最小弯曲半径也就一定。对于导管的材料，常用的有铝基合金、钢基合金、钛基合金以及铜基合金。铝管和钢管的部分最小弯曲半径如表1所示。

在使用数控弯管机时，由于弯管机本身的原因，对弯管形状有一定的尺寸要求，比如：管材的最大外径、管材的最大长度、最大弯曲角度、最大弯曲半径。此外，为了便于管材弯曲时的夹持，还要求管材末端及每个弯头之间有足够的直线段L，一般取L＞（1.5～3）D[4]。 另外，必须保证所需要的管材规格存在并且容易购买。

在导管设计的时候，为了满足导管的空间结构，经常会忽略导管的最小弯曲半径、最小直线段距离的限制，设计的管材规格可能在市场上不存在，这样会给后续生产造成麻烦。导管在飞机系统中数量多、结构复杂，如果通过人工的方式逐个进行检查，不仅费时费力，工作量庞大，而且还很难保证准确性。通过对CATIA软件进行二次开发[5]，研究面向工程数据集的导管信息，编写特定功能的程序，对特定结构树的导管数模进行工艺性检查，建立导管工艺性批量审查软件，实现自动判断导管的设计是否合理，可以保证检查的结果准确一致，并且提高效率[6]。

表1 最小弯曲半径

1 导管的工艺性审查

飞机导管工艺性批量审查主要通过计算机自动查找导管零件、自动读取导管数据，同时自动从数据库中获取导管最小弯曲半径、最小直线段长度、导管规格等工艺信息，在分析判断后给出审查结果，具体流程如图2所示。

图2 飞机导管工艺性批量审查流程Fig.2 Process of technological batch review of aircraft ducts

导管工艺性批量审查具体步骤如下。

（1）选择审查飞机部分或整体数模：将飞机部分或整体数模导入到CATIA软件中，通过拾取的方式，选择整体或部分数模的“Product”。

（2）找到导管零件：导管零件在飞机零件中的命名通常以DD开头，比如DD- JXX-55181-1810/167-1，拾取飞机部分或整体的“Product”之后，逐个查找每个“Part”的名字，对符合导管名字规格的零件进行检查。

（3）获得导管文件：对于符合名字规格的零件，即导管零件，获得它所在的文件，得到根目录，本例中根目录为DD- JXX-55181-1810/167-1，某导管的结构树格式如图3所示。

（4）查找结构树，获得关键数据：从根目录获得它下面的子节点，比如材料、交点坐标、弯曲半径，在图3中得到的材料为LF2-M，端点为点1、点2、点3、点4，弯曲半径为30mm，导管外径为30mm，厚度为5mm，最短直线段距离为65.359mm。

（5）判断导管弯曲半径是否满足要求：将导管最小弯曲半径的数据存入到Access数据库。Microsoft Office Access是微软开发的一种小型数据库，是一个面向对象的编程语言。根据得到的导管材料和导管外径，从结构树中检索出该管材的最小弯曲半径R，本例中最小弯曲半径为60mm。

（6）判断直线段距离是否满足要求：为了便于管材弯曲时的夹持，还要求管材末端及每个弯头之间有足够的直线段L，一般取L＞（1.5～3）D。本例中，导管外径D=30mm，所以L＞（45～90）mm。

（7）判断导管规格是否存在：将导管规格同样存入到Access数据库，方便检索。在本例中，导管材料为LF2-M，导管外径D=30mm，导管厚度t=5mm，该材料规格存在。

（8）屏幕输出判断结果：将判断的结果直接输出在屏幕上，方便用户查看，如图4所示。

（9）为了将检查结果保留，并且更加详细地查看导管信息，将导管信息和检查结果保存到Excel表格中，方便以后查看，导管工艺性审查结果如图5所示。

图3 某导管的结构树格式Fig.3 Structure tree specification of a duct

图4 导管工艺性审查界面Fig.4 Interface of technological review of duct

图5 导管工艺性审查结果Fig.5 Result of technological review of duct

2 导管数据异构的处理方法

导管模型常用的有中文版本和英文版本，另外由于导管结构树不规范，常用的有拉伸模型（通过肋命令生成）和释放模型（通过管模块生成），这些问题对结构树的提取造成一定困难，有必要研究导管异构的处理方法。

2.1 中、英文的处理方法

在不同的语言环境下，几何元素的名字会发生相应的变化，例如，在中文环境下点的名字为点.1，当切换到英文环境时，名字就会变为Point1。在查找结构树的时候，如果根据几何元素的名字进行查找，就会出现问题。除了名字，CATIA还为几何元素设置了另外的一个属性：类型，一个几何元素的类型是不会随着语言环境改变而发生变化的，它只与几何元素的构造方法有关。例如在创成式外形设计中，通过坐标建立的点，无论在什么语言环境下，其类型始终为CATIGSMPoint。查找几何元素时，不通过它们的名字，而是通过类型，再根据它们在结构树上的位置，这就解决了中英文版本问题。

2.2 拉伸模型和释放模型的结构树提取

拉伸模型顾名思义是通过轮廓，按照引导曲线拉伸而成，用的命令是CATIA中的肋命令。释放模型则是通过设置路径，利用管模块直接生成的。

拉伸模型的结构树提取相对比较简单，从结构树上面得到导管材料，得到的点即是导管的交点，再得到折线，可以从折线中获得导管的弯曲半径，最后得到草图，通过草图的外圆直径得到导管外径，通过内外圆的半径差得到导管厚度。利用这些数据对导管进行工艺性批量审查。

释放模型的结构树提取相对于拉伸模型比较复杂，最主要的区别在于交点的获取上。释放模型的引导曲线由直线段和圆弧构成，最后通过结合命令将它们结合为一根曲线。从结构树上提取出来的点不是交点，而是各个直线段的端点。为了获得交点，首先需要得到各个直线段，之后将它们分别作延伸，延伸的长度和方向要保证相邻的两个直线段能够相交到一起，之后将这些交点与之前引导曲线的两个端点保存起来，这些就是所需要的交点。导管的弯曲半径可以从结构树上直接获得，其他的关键数据的提取方法与拉伸模型一致。

3 结论

通过研究CATIA二次开发技术，开发面向工程数据集的导管工艺性批量审查软件，实现了面向工程数据集导管工艺性批量快速审查，避免了人工进行繁琐重复的判断工作，保证了判断结果的高效准确。另外，在飞机数字化制造的背景下，该方法也符合数字化制造发展的趋势。

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