飞机蒙皮的逆向建模研究

李彦

摘 要：为了实现飞机蒙皮的数字化，同时解决蒙皮零件工装型胎的磨损问题，可以通过扫描蒙皮零件或其工装，获取点云数据，利用CATIA模块逆向建模得以实现。这一研究，既保留了工装型胎的原始数据，又为蒙皮的数字化制造、数字化协调提供了电子数据。

关键词：蒙皮；数字化；逆向；建模

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0018-02

1 概 述

随着数字化技术的发展，三维的数字化模型已经成为尺寸传递的主导方式。为了适应当前形势，通过采集现有蒙皮零件或者其型胎的点云数据，利用CATIA命令进行逆向建模，返求出蒙皮零件的三维数学化模型。这样一个从实际物体到几何建模的过程，是蒙皮零件数字化生产制造的基础，是零件工装型胎再制造的依据，也是新型数字化制造、数字化协调同原有制造依据的纽带。这一过程既延续了传统的生产链，又与当下的数字化生产制造相接轨。

通常情况下，蒙皮类零件的形状较为复杂，曲面由多个曲率不同的曲面组成，因此形成蒙皮型面时，不仅要求对曲面进行有经验地分割和拼接，而且还要求每一个曲面均是平滑高质量的曲面，要想达到此目的，关键在于构建光顺平滑的曲线。下面就以一个蒙皮类零件为例，详细描述其逆向建模研究的具体步骤。

2 逆向建模研究的具体步骤

蒙皮零件逆向建模的具体步骤有：采集及处理数据、构建蒙皮实体模型、模型偏差因素分析。

其中，构建模型又分为：截面线的形成、优化；构建曲面；拟合边缘线和形成实体等几个步骤。蒙皮零件，如图1所示，以图1为例来加以说明。

2.1 采集及处理数据

采集蒙皮零件数据的方法有直接扫描蒙皮和扫描零件模胎两种。通常情况下，采用激光扫描仪对零件或模胎进行垂直扫描，采集三维数据，然后在CATIA中利用CLOUD IMPORT导入形成点云文件，如图2所示。

当点云数据导入到CATIA后，对点云进行适当处理。为了预防曲面存在鼓包等问题，过滤、去除一些偏差较大元素，可以减小点云曲率突变的概率。

由于扫描仪采集后直接形成的曲面通常是不规则自由曲面，初步建立网格就可以直观地看出零件的外形特征。仔细观察区域内是否有鼓包或塌陷等缺陷，去除这些失真元素，尽量使破坏表面质量的元素降低到最少，那么就可以利用此点云进行建模了。

2.2 构建蒙皮实体模型

2.2.1 截面线的形成、优化

建模的第一步就是建立截面元素。截面元素是用来创建与扫描数据相交的平面，将截面元素与相应的网格或点云相交，得到的交线就是截面线。截面线是曲面构建的基础，也是关系曲面质量好坏的关键元素。

通过观察点云数据，筛选出外形接近的部分放在一个设计区域里，然后运用CATIA命令，按照一定的间距创建截面线，就可以得到一组曲线。形状较为简单的零件可以直接以这些曲线为基础进行曲面设计，形成一个完整的曲面。但是对于形状相对复杂的零件，这些曲线就不能直接生成曲面，因此必须先对这些曲线进行优化。

由于生成的截面线会有许多缺陷，比如端点不齐，这将导致创建多截面曲面时，边缘质量不好；再比如过渡不平滑，使得形成的曲面不均匀过渡，型面质量不好，因此需要对截面线进行调整。线条调整的方式较多，可以通过草图拟合，也可以通过样条曲线拟合，拟合时，各样条曲线的节点数应尽量一致，线条长短、点位间距比例均应恰当。这样可以保证形成的曲面没有明显鼓包，如图3所示。

2.2.2 构建曲面

蒙皮型面的构建主要采用的方法是扫掠法。选择优化后的截面线进行多截面曲面扫掠，通常可以得到较完善的型面。

在蒙皮型面曲率变化不太大的情况下，可以将点云数据分割之后分别扫掠，然后拼接，形成整个型面。

这样做的好处是分割处理点云数据，每部分曲面可以细化，得到更精细、更完善的设计。但是在拼接时需要注意的是要保证相邻曲面之间平滑过渡、保证整体曲面曲率的连续性，这样才能保证曲面整体的表面质量。如图4所示。

2.2.3 拟合边缘线

通常情况下，构建好的曲面一定是大于蒙皮零件的，所以此时还要用边缘线对曲面进行切割。拟合边缘线采用的方法有：草图拟合法和投影法两种。

①草图拟合法是先创建一个平面，然后近似绘制出零件的边界，将其进行法向拉伸，再与型面相交，就可得到边缘线。通常情况下，草图拟合法应用于构建带弧度的边缘线。

②投影法是先选择边缘，然后利用CATIA模块命令，提取边缘线。这种方法比较适合于设计较直的边缘线。在设计中，通常会同时利用草图拟合法和投影法两种方法。

边缘线拟合后，投影到构建好的曲面上，用其分割曲面，就形成了与蒙皮零件大小一致的型面。

2.2.4 形成实体

曲面形成后，直接加厚就可以构建实体了。如果蒙皮零件的数据是扫描其模具所得，那么将构建好的曲面先偏移再增厚即可得到所需的蒙皮零件。

2.3 模型偏差因素分析

蒙皮零件的逆向建模存在偏差的因素有：零件或者工装型胎表面质量；扫描仪器的精度；建模过程曲线的处理方式等。基于以上因素，为了尽量减小模型的偏差，首先应在扫描前将零件或者工装型胎进行修复，其次应用高精度扫描仪，严格按照操作规程进行扫描，最后在建模过程中曲线进行细致优化。

这样，就可将模型的偏差控制在最小值范围之内。通常情况下，蒙皮类零件的设计偏差应大部分控制在0.5 mm以内。

3 结 语

综上所述，逆向建模是实现蒙皮数字化的有效工具，架设起实际物体与几何建模的桥梁，也为蒙皮的数字化生产、数字化协调提供了一个高效的技术手段。

参考文献：

[1] 范玉青.现代飞机制造技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[2] 金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 尤春风.CATIA V5高级应用[M].北京：清华大学出版社，2006.

[4] 中航工业沈飞制造工程部.工艺员手册第二分册模线样板及制造数 据设计管理[K].沈阳飞机工业（集团）有限责任公司内部资料.2009.