CN101738983B - 飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法，通过计算可定位域定义系和产品接头位置、确定候选定位器、优选定位器等过程来自动确定满足定位要求的标准定位器型号与规格。该方法能够应用于“飞机复杂构件快速数控加工准备系统”中“工装快速生成子系统”标准定位器自动选取程序的开发。提高了工装设计效率、缩短工装研制乃至整个生产准备周期，具有良好的应用效益。此外，本发明也可推广应用到飞机制造工装其它专用标准件的自动调用。应用该方法，只需通过人工选取产品接头以及定位器支撑面，可以自动选择标准定位器，实现定位器自动化智能化快速设计，提高复杂构件数控加工工装的设计效率和质量，从而缩短飞机研制周期。

Description

飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法

技术领域

本发明涉及飞机复杂构件数控加工工装标准定位器一种自动选取方法，用于数控加工工装CAD系统设计与开发，属于飞机制造工装智能设计技术领域。

背景技术

在飞机制造领域，定位器用于保证所定位的工件处于正确、可靠的位置以及各部件的互换和对接接头的协调等。随着我国飞机制造业水平的大幅提升，整体壁板和隔框等复杂构件在现代飞机结构中的应用，使飞机数控加工工装结构也发生了相应的变化。接头定位器因其定位准确、节省空间、方便美观等优点，在设计和生产中越来越多地被采用，已成为飞机制造工装中主要的定位元件，因而其设计将成为影响工装的研制效率和周期的关键因素之一。在工装CAD系统中，定位器的一般设计过程包括数据准备、零件造型和装配建模等三个阶段。由于定位器结构复杂、形式多样等原因，整个设计过程繁琐，而且在数据准备中存在人为的计算失误，导致最终的设计结果出现结构尺寸不协调、定位器与产品或者工艺接头间的定位关系不准确等问题。实现接头定位器的自动设计，可以进一步简化工装设计过程并提高工装设计效率。定位器由工作头和标准定位器两部分构成，其中标准定位器的自动选取是实现其自动设计的技术关键。

发明内容

本发明提供一种飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法，能够移植并嵌入专业三维CAD系统或是通用三维CAD系统实现飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动调用，进一步简化工装设计过程，提高工装设计效率。该方法可以推广应用到工装其它专用标准件的自动调用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法，步骤如下：

(1)计算标准定位器的可定位域：

计算过程为：

①根据产品接头位置和方向，确定定位器工作面；

②应用工作面计算支撑元件的截面和截面尺寸；

③根据支撑元件截面尺寸，计算各类型中所有规格定位器的单域；

④根据支撑元件截面位置及可定位域定义系的设定，计算可定位域定义系在工装设计坐标系中的位置和坐标轴方向；

其中，定义系为直角坐标系O_lX_lY_l，其中，原点O_l一般取支撑元件在工作面内截面的形心，X_l轴同向平行于定位器支撑面的法矢方向，Y_l轴指向产品接头方向。

(2)计算产品接头位置：

计算过程为：

①根据复杂构件设计坐标系在工装设计空间内方位，计算产品接头在工装设计坐标系中的位置；

②根据产品接头在工装空间中的位置，计算其在可定位域定义系中的位置坐标。

其中整个计算过程涉及三个坐标系：复杂构件设计坐标系O_dX_dY_dZ_d、可定位域定义系O_lX_lY_lZ_l(为了统一维数，增加了Z轴，其中Z＝X×Y)和工装设计坐标系O_fX_fY_fZ_f，前两者均定义在工装设计坐标系中。

所述的计算产品接头在工装设计坐标系的位置方法为：设所述的计算产品接头在复杂构件设计坐标系O_dX_dY_dZ_d中的位置为P(x_d，y_d，z_d)，那么P在工装设计系O_fX_fY_fZ_f中为位置中(x_f，y_f，z_f)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_f=\stackrel{\→}{O_{f}P}\·\stackrel{\→}{X_f}\\ y_f=\stackrel{\→}{O_{f}P}\·\stackrel{\→}{Y_f}\\ z_f=\stackrel{\→}{O_{f}P}\·\stackrel{\→}{Z_f}\end{array}\right.$

其中，

为工装设计坐标系原点O_f至P点的矢量，

与

分别为工装设计坐标系方向矢量。

所述的产品接头在可定位域定义系中位置坐标的计算方法为：

P在可定位域定义系O_lX_lY_lZ_l中的位置(x_l ^j，y_l ^j，z_l ^j)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_l^j=\stackrel{\→}{O_{l}P}\·\stackrel{\→}{X_l}\\ y_l^j=\stackrel{\→}{O_{l}P}\·\stackrel{\→}{Y_l}\\ z_l^j=\stackrel{\→}{O_{l}P}\·\stackrel{\→}{Z_l}\end{array}\right.$

其中，

为可定位域定义系原点至P点的矢量，

与

分别为定义系的方向矢量。

(3)确定候选定位器：根据候选定位器选择依据选择满足条件的定位器；

将步骤(2)求得的产品接头在可定位域定义系中的位置坐标(x_l ^j，y_l ^j)代入到如下所示的可定位域计算公式，如果满足条件，则该定位器为可供选用的定位器。

$\left\{\begin{array}{c}{x}_l\≤x_l^j\≤x_l+l_l\\ y_l\≤y_l^j\≤y_l+w_l\end{array}\right.$

其中，(x_l，y_l)为产品接头在定义系中的位置，(l_l，w_l)为可定位域分别沿X_l和Y_l方向的大小。

(4)优选定位器：若候选定位器不是唯一，则需要根据优选规则从中选择一个作为最优先使用的定位器；

所述的优选规则为：

①形状匹配原则，即：若工作头的基础形状为块状，优先选择双导杆标准定位器；否则，亦即工作头的基础形状为柱体，选择单导杆定位器；

②最小规格原则：若同一类型定位器中同时有多个适用的规格，则优先选择其中的最小规格。

所述的可定位域：是在定位器工作面内利用现有可供选择的定位器可以定位的产品接头的位置区域，按标准定位器的类型和规格，将其分为单域、类域和全域；对于某类定位器，用于定义其类域的属性序列称为这类定位器的属性空间；定位器的属性空间中各个属性取值或取值范围的集合，称为该类定位器的参数值空间；属性空间和参数值空间的组合称为该类定位器的参数空间，在支撑面内，定位器位置可能的分布区域称为位置域；

可定位域的表示：可定位域通过数据定义来进行表示，包括内部数据定义和外部数据定义，可定位域内部数据定义包括定位器的类型、规格系列、参数空间、类域算子、位置域算子和单域地址等元素；外部数据格式以文件形式存储，包括了定位器类型、规格、参数、定位与位置等项，其中文件可看成是“段”的集合，而“段”的核心是定位器类域和位置域的定义，

所述的标准定位器的内部数据定义为：

可定位域＝(类型，规格系列，参数空间(A空间，V空间)，类域算子，位置域算子，单域地址)

所述的标准定位器外部数据定义为：

<文件>::＝<段>{<段>}

<段>::＝SEGMENT<序号>：

{TYPE：<类型>

SIZE<规格>{，<规格>}

PARAMETERS：<参数名>{，<参数名>}

VALUES：<参数值11>，<参数值12>,…，<参数值1n>

         <参数值21>，<参数值22>，…，<参数值2n>

        <参数值m1>，<参数值m2>，…，<参数值mn>

LOCATION：

     <x₁计算函数>，<y₁计算函数>，

     <l₁计算函数>，<w₁计算函数>

POSITION：

     <x_s1计算函数>，<y_s1计算函数>，

     <l_s1计算函数>，<w_s1计算函数>

}。

本发明的有益效果：本发明通过计算可定位域定义系和产品接头位置、确定候选定位器、优选定位器等过程来自动确定满足定位要求的标准定位器型号与规格。该方法能够应用于“飞机复杂构件快速数控加工准备(PrtRMP)系统”中“工装快速生成子系统”标准定位器自动选取程序的开发。此模块能够应用在多个航空型号飞机复杂构件数控加工工装的设计，提高了工装设计效率、缩短工装研制乃至整个生产准备周期，具有良好的应用效益。此外，本发明也可推广应用到飞机制造工装其它专用标准件的自动调用。应用该方法，只需通过人工选取产品接头以及定位器支撑面，可以自动选择标准定位器，实现定位器自动化智能化快速设计，提高复杂构件数控加工工装的设计效率和质量，从而缩短飞机研制周期。

附图说明

图1为标准定位器的自动选取流程图；

图2为接头定位器的可定位域示意图；

其中A与B之间的宽度为零的矩形区域为可定位域，1为支撑面，2为支持元件；

图3为产品接头位置计算用坐标变换；

图4应用本发明提供的方法开发的CAD软件所设计的定位器实例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。

图1所示为标准定位器自动选取流程，包括：标准定位器可定位域计算、产品接头位置计算、候选定位器选择、定位器优选等。具体实施步骤如下：

步骤1)计算标准定位器可定位域(S1)

图2所示为接头定位器可定位域。可以表示为B_t[x₁，y₁，l₁，w₁]，其中(x₁，y₁)为产品接头在定义系O_lX_lY_l中的位置，(l₁，w₁)为可定位域分别沿X_l和Y_l方向的大小；

第1步：根据产品接头和位置和方向以及支撑元件有关条件，通过人工确定定位器工作面；

第2步：应用工作面计算支撑元件的截面和截面尺寸(a，b)。其计算方法为：(下面以标准导杆定位器HB595为例来说明，该型定位器根据导杆伸缩长度L值300与500分为两种规格，分别表示为：300HB595与500HB596，该定位器的定位域见图2所示。)

计算可定位域：HB595的可定位域为：B_HB595[x₁，y₁，l₁，w₁]＝A_HB595(L，(a，b))，其中A_HB595为HB595的可定位计算算子，为：

$\left.\begin{array}{c}{x}_l=100+a/2\\ y_l=115-(b-130)/2\\ l_l=0\\ w_l=L+(b-130)\end{array}\right\}$

式中，L的意义见前述；(a，b)为支撑元件的界面尺寸。

确定定位器的参数空间：HB595的参数空间L为：L_HB595＝{(L)，{(300)，(500)}}

计算位置域：HB595的位置域D_HB595表示为：

D_HB595[x_sl，y_sl，l_sl，w_sl]＝C_HB595((a，b))

$\left.\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{sl}}=a/2\\ y_{\mathrm{sl}}=-(b-130)/2\\ l_{\mathrm{sl}}=0\\ w_{\mathrm{sl}}=b-130\end{array}\right\}$

第3步：根据支撑元件截面尺寸，计算各类型中所有规格定位器的单域。HB595的单域为：B_HB595[x1，y1，l1，w1]＝A_HB595(300，(a，b))

根据前面步骤(1)-(3)计算以及标准定位的外部数据定义，可以定义HB595的外部数据如下：

{TYPE：HB595

  SIZE：A300，A500，B300，B500

  PARAMETERS：L

  VALUES：300，500，300，500

  LOCATION：100+a/2，115-(b-130)/2，0，L+(b-130)

  POSITION：a/2，-(b-130)/2，0，b-130

}

第4步：根据支撑元件截面位置及可定位域定义系的设定，计算可定位域定义系在工装设计坐标系中的位置和坐标轴方向。其中，定义系为直角坐标系O_lX_lY_l，其中，原点O_l一般取支撑元件在工作面内截面的形心，X_l轴同向平行于定位器支撑面的法矢方向，Y_l轴指向产品接头方向(见图2)。

步骤2)产品接头位置计算(S2)

图3为产品接头位置计算用坐标变换。产品接头位置的计算过程为：

第1步：根据复杂构件设计坐标系在工装设计空间内方位，计算产品接头在工装设计系中的位置；

第2步：根据产品接头在工装空间中的位置，计算其在可定位域定义系中的位置坐标。即：

已知条件为复杂构件设计坐标系O_dX_dY_dZ_d和可定位域定义系O_lX_lY_lZ_l在工装设计坐标系O_fX_fY_fZ_f中的位置和方向，以及产品接头在在O_dX_dY_dZ_d中的位置P(x_d，y_d，z_d)。根据计算，可得P在O_lX_lY_lZ_l的位置(x_l ^j，y_l ^j，z_l ^j)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_l^j=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{l}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{X_l}\\ y_l^j=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{l}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{Y_l}\\ z_l^j=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{l}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{Z_l}\end{array}\right.$

步骤3)候选定位器选择(S3)

根据给定的候选定位器候选条件，从标准件库中确定满足条件的定位器，其选择依据为：

对于某标准定位器，t为其类型、s为规格，B_t[x_l，y_l，l_l，w_l]

为可定位域定义系中单域，若产品接头位置(x_l ^j，y_l ^j)满足下式，

则该定位器为可供选用的定位器。

$\left.\begin{array}{c}{x}_l\&le;x_l^j\&le;x_l+l_l\\ y_l\&le;y_l^j\&le;y_l+w_l\end{array}\right\}$

步骤4)定位器优选(S4)

若定位器不唯一，需要根据优选原则从中选择最优先使用的定位器。定位器优选原则如下：

(1)形状匹配原则，即若工作头的基础形状为块状，优先选择双导杆标准定位器；否则，亦即工作头的基础形状为柱体，选择单导杆定位器。

(2)最小规格原则。若同一类型定位器中同时有多个适用的规格，则优先选择其中的最小规格。

经过上述步骤，通过人工选择产品接头和定位器支撑面作为初始条件，可以自动选择满足定位条件的标准定位器。

其中应用本实施例上述方法步骤在开发的CAD软件所设计的接头定位器如图4所示，其中：3为标准导杆定位器HB595，是自动选取；4为工作头。

Claims (2)

1.飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法，步骤如下：

(1)计算标准定位器的可定位域：

所述的可定位域：是在定位器工作面内利用现有可供选择的定位器可以定位的产品接头的位置区域，按标准定位器的类型和规格，将其分为单域、类域和全域；

计算过程为：

①根据产品接头位置和方向，确定定位器工作面；

②应用工作面计算支撑元件的截面和截面尺寸；

③根据支撑元件截面尺寸，计算各类型中所有规格定位器的单域；

④根据支撑元件截面位置及可定位域定义系的设定，计算可定位域定义系在工装设计坐标系中的位置和坐标轴方向；

(2)计算产品接头位置：

计算过程为：

①根据复杂构件设计坐标系在工装设计空间内方位，计算产品接头在工装设计坐标系中的位置；

②根据产品接头在工装设计空间中的位置，计算其在可定位域定义系中的位置坐标；

其中整个计算过程涉及三个坐标系：复杂构件设计坐标系O_dX_dY_dZ_d、可定位域定义系O_lX_lY_lZ_l和工装设计坐标系O_fX_fY_fZ_f，前两者均定义在工装设计坐标系中；

所述的计算产品接头在工装设计坐标系的位置方法为：设所述的产品接头在复杂构件设计坐标系O_dX_dY_dZ_d中的位置为P(x_d，y_d，z_d)，那么P在工装设计坐标系O_fX_fY_fZ_f中的位置(x_f，y_f，z_f)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_f=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{f}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{X_f}\\ y_f=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{f}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{Y_f}\\ z_f=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{f}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{Z_f}\end{array}\right.$

其中，

为工装设计坐标系原点Of至P点的矢量，与

分别为工装设计坐标系方向矢量；

所述的产品接头在可定位域定义系中位置坐标的计算方法为：

P在可定位域定义系O_lX_lY_lZ_l中的位置为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_l^j=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{l}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{X_l}\\ y_l^j=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{l}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{Y_l}\\ z_l^j=\stackrel{\&RightArrow;}{O_{l}P}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{Z_l}\end{array}\right.$

其中，

为可定位域定义系原点至P点的矢量，

与

分别为可定义域定义系的方向矢量；

(3)确定候选定位器：根据候选定位器选择依据选择满足条件的定位器；

将步骤(2)求得的产品接头在可定位域定义系中的位置坐标

代入到如下所示的可定位域计算公式，如果满足条件，则定位器为可供选用的定位器；

$\left\{\begin{array}{c}{x}_l\&le;x_l^j\&le;x_l+l_l\\ y_l\&le;y_l^j\&le;y_l+w_l\end{array}\right.$

其中，(x_l，y_l)为产品接头在可定义域定义系中的位置，(l_l，w_l)为可定位域分别沿X_l和Y_l方向的大小；

(4)优选定位器：若候选定位器不是唯一，则需要根据优选规则从中选择一个作为最优先使用的定位器；

所述的优选规则为：

①形状匹配原则，即：若工作头的基础形状为块状，优先选择双导杆标准定位器；否则，亦即工作头的基础形状为柱体，选择单导杆定位器；

②最小规格原则：若同一类型定位器中同时有多个适用的规格，则优先选择其中的最小规格。

2.根据权利要求1所述的飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动选取方法，其特征在于：对于某类定位器，用于定义其类域的属性序列称为这类定位器的属性空间；定位器的属性空间中各个属性取值或取值范围的集合，称为该类定位器的参数值空间；属性空间和参数值空间的组合称为该类定位器的参数空间，在支撑面内，定位器位置可能的分布区域称为位置域；

可定位域的表示：可定位域通过数据定义来进行表示，包括内部数据定义和外部数据定义，可定位域内部数据定义包括定位器的类型、规格系列、参数空间、类域算子、位置域算子和单域地址元素；外部数据格式以文件形式存储，包括了定位器类型、规格、参数、定位与位置项，其中文件可看成是“段”的集合，而“段”的核心是定位器类域和位置域的定义；

所述的标准定位器的内部数据定义为：

可定位域＝(类型，规格系列，参数空间(A空间，V空间)，类域算子，位置域算子，单域地址)

所述的标准定位器外部数据定义为：

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