CN103577630A - 一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明从模拟量飞机零件改进设计和数字化制造的客观要求出发，提出一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法，可以较为准确地建立符合现有生产协调关系的飞机零件实体数模，通过平板式扫描设备扫描零件的切面模线图板形成二维光栅图像，然后借助正交网格线对二维光栅图像进行失真校正、矢量化处理和拟合光顺，最后通过拟合切面模线对飞机零件进行实体建模。

Description

一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法

技术领域

本发明属于逆向工程领域，涉及一种飞机零件逆向建模方法，特别涉及一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法。

背景技术

飞机具有合乎气动力学的光滑几何外形，其大量零件具有与气动力外形有关的复杂曲面。因此，在飞机制造中广泛采用一种与一般机械制造业不同的技术——模线样板技术，以保证制造出来的各种工艺装备和零件互相协调。其中，模线是根据飞机设计图纸和工艺要求，按1：1比例精确绘制在图板上，表示飞机零部件理论外形和结构轴线的图样。模线是飞机制造过程中尺寸传递的原始依据，是保证各类零部件尺寸协调的基本手段。为了便于叙述，以下将采用模线样板技术制造的飞机，称为模拟量飞机。在模拟量飞机的制造过程中，具有复杂外形曲面的飞机零件是采用切面模线定义其外形的。所谓飞机零件的切面模线，是指一组表示飞机零件切面轮廓的纵横交错的平面曲线。事实上，由于以往手工绘图的局限性，切面模线是通过描述飞机零件的特定位置的切面轮廓来定义整个飞机零件的。一般情况下，一个飞机零件的切面模线绘制在数张图板上，各切面模线之间的三维空间位置关系通过定位基准确定。

随着制造技术的飞速发展，全面应用CAD/CAM技术，已成为航空技术发展的必然趋势。飞机研制正面临一场革命，采用先进的数字化设计与制造手段取代传统的模线样板方法已迫在眉睫。然而，模拟量飞机零件实体数模的缺失，阻碍了数字化设计制造技术在我国航空企业的应用和推广，导致飞机制造工装需求量大、生产准备周期长、零部件互换协调性差、质量难以保证、成本高、批量生产能力不足等一系列问题，同时也极大地限制了模拟量飞机自身的改型升级。发展模拟量飞机零件的逆向建模技术，是提高模拟量飞机的制造效率和精度的有效手段，也是促进模拟量飞机自身改型升级的客观要求。可见，在以模线样板为协调依据的模拟量飞机上实施数字化技术，并在不报废现有工装的原则下，采用逆向建模方法建立与现有的生产协调关系一致的飞机零件实体数模，是急需解决的问题。

常用的零件逆向建模方法是通过三维CAD软件对零件的扫描数据点云进行处理，然后基于点云进行曲面重构和实体建模。文献“陈文琳等，壳体零件反向建模，制造业信息化，2（2009）91-93”公开了一种壳体零件的逆向建模方法，具体流程如下：（1）采用三维测量设备采集零件的外形点云；（2）将扫描点云导入三维CAD软件，剔除明显错误的数据，并对其进行拼合、去噪、过滤、修补及网格化等一系列预处理操作；（3）通过扫描点云构造零件外形曲面，进而建立零件实体数模。该方法的缺陷表现为：

（1）实施过程需要扫描大量的零件外形数据，加之零件经过长期使用后产生变形和磨损，容易造成难以避免的逆向建模误差；

（2）扫描设备采集的是无序的三维数据，因而识别和提取零件结构特征的难度大，难以实现参数化建模，进而不利于零件自身的改进设计。

发明内容

为了克服现有逆向建模方法的缺陷，本发明从模拟量飞机零件改进设计和数字化制造的客观要求出发，提出一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法，可以较为准确地建立符合现有生产协调关系的飞机零件实体数模。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：通过平板绘图机在尺寸稳定的透明介质上以给定间距绘制M×N条正交网格线，并将网格交点记为O_ij，其中i=1、2、…、M，j=1、2、…、N，然后以网格交点O₁₁为坐标原点建立正交坐标系XOY，获取各网格交点O_ij的坐标；

步骤2：将零件的其中一张切面模线图板平铺在平板式扫描设备的工作台上，然后将步骤1绘制的透明介质置于切面模线图板上方，并使绘有正交网格线的一面与切面模线图板的正面相贴，充分贴合后固定，得到带透视网格线的切面模线图板；

步骤3：采用平板式扫描设备将带透视网格线的切面模线图板进行扫描，得到包含扫描切面模线图板、扫描切面模线、扫描定位基准、扫描透明介质和扫描正交网格线的二维光栅图像，将二维光栅图像中的网格交点记为O_ij＇，O_ij＇与O_ij一一对应；

步骤4：对二维光栅图像进行失真校正和矢量化处理，得到矢量切面模线和矢量定位基准；

步骤5：参照步骤2～4处理零件的其他切面模线图板，得到零件每一个切面模线图板的矢量切面模线和矢量定位基准；

步骤6：将零件的所有矢量切面模线和矢量定位基准导入三维CAD软件中，并在保证精度的前提下对其进行拟合光顺，得到拟合切面模线和拟合定位基准；

步骤7：在CAD软件的三维坐标系OXYZ中，借助拟合定位基准，通过平移和旋转操作，将拟合切面模线定位到空间理论位置；

步骤8：参考零件图纸和相关技术文件，采用曲线曲面操作，通过拟合切面模线构造出飞机零件的外形面，进而采用实体操作建立零件的实体数模；

上述步骤4对二维光栅图像进行失真校正和矢量化处理的具体做法为：

步骤（4-1）：在图像校正软件中打开二维光栅图像，以网格交点O₁₁＇为坐标原点建立与XOY协调一致的正交坐标系X＇O＇Y＇，捕获各网格交点O_ij＇的坐标；

步骤（4-2）：以各网格交点O_ij＇为待校正点，以各对应的网格交点O_ij为校正目标点，对二维光栅图像进行失真校正；

步骤（4-3）：将校正后的二维光栅图像矢量化，得到矢量切面模线和矢量定位基准，然后以三维CAD软件兼容的文件格式保存。

上述步骤6中拟合切面模线和拟合定位基准的具体步骤为；

步骤（6-1）：对于任意一条矢量切面模线或矢量定位基准，在其上提取若干个点；

步骤（6-2）：通过提取的点逐一拟合与曲线原始定义类型一致的切面模线或定位基准；

步骤（6-3）：通过平板绘图机绘制步骤（6-2）拟合的切面模线和定位基准，并与原切面模线图板进行对比检测，如果超差，参考原切面模线图板对其进行修正，然后再绘制并进行对比，如此反复，最终得到满足设计公差要求的拟合切面模线和拟合定位基准。

该方法针对采用切面模线定义外形的飞机零件，首先通过平板式扫描设备扫描零件的切面模线图板形成二维光栅图像，然后借助正交网格线对二维光栅图像进行失真校正、矢量化处理和拟合光顺，最后通过拟合切面模线对飞机零件进行实体建模。

本发明的有益效果是：（1）由于采用切面模线作为逆向建模的数据来源，而切面模线是飞机零件制造的原始依据，因此，本发明提出的逆向建模方法的建模精度高，所建立的零件实体数模能够符合现有的生产协调关系，不会造成现有工装的报废，可直接代替原切面模线图板作为零件数字化制造的依据。

（2）针对图板扫描过程产生的图像失真，本发明借助正交网格线实现了图像失真的快速校正，避免了建立失真模型和标定失真参数等复杂的图像校正过程，有效提高了逆向建模的效率和准确性。

（3）与常用的基于扫描点云的逆向建模方法相比，本发明直接将切面模线作为零件实体建模的特征线，无需识别和提取零件结构特征，生成零件实体数模的操作过程简单，工作量小。更重要的是，本发明实现了以切面模线为特征参数的飞机零件参数化逆向建模，有利于零件自身的改进设计。

附图说明

图1是本发明实施例零件的其中一张切面模线图板；

图2是本发明实施例绘制的含有正交网格线的聚酯薄膜胶板；

图3是本发明实施例扫描得到的二维光栅图像；

图4是本发明实施例获得的拟合切面模线和拟合定位基准；

图5是本发明实施例定位到理论位置的拟合切面模线和拟合定位基准；

图6是本发明实施例建立的零件实体数模。

图中编号说明：1切面模线图板、2切面模线、2＇扫描切面模线、2〞拟合切面模线、3定位基准、3＇扫描定位基准、3〞拟合定位基准，4聚酯薄膜胶板、4＇扫描聚酯薄膜胶板、5正交网格线、5＇扫描正交网格线、6二维光栅图像，7零件本体，8局部特征。

具体实施方式

为了实现本发明的有益效果，保证所建立的零件实体数模符合现有的生产协调关系，避免现有工装的报废，在实施本发明的过程中应遵循以下原则：

（1）原始定义不变原则。逆向建模过程应充分尊重原有的设计理念和方案，不能破坏原飞机零件理论图中规定的型面分界线，不能破坏其曲线、曲面原始定义类型。

（2）协调关系不变原则。建立的零件实体数模应符合现有的生产协调关系，零件的外形应与相关的制造依据和装配状态协调一致。

（3）建模误差不超过设计公差的原则。基于飞机零件制造精度要求高的特点，逆向建模过程中应实时对建模误差进行严格控制，保证最终的零件实体数模符合设计公差要求。

以下结合一典型飞机蒙皮零件的逆向建模实施过程描述本发明的优选实施方式。

本实施例选用的的软硬件设备如下：选用的平板绘图机为Kongsberg平板绘图机，选用聚酯薄膜胶板作为绘制正交网格线的透明介质，选用大幅面的平板式CCD扫描仪作为切面模线图板的扫描设备，选用Vpmax软件作为扫描图像的失真校正和矢量化工具，选用CATIA V5软件作为建立零件实体数模的三维CAD软件。

图1为该零件的其中一张切面模线图板1，包括切面模线2及其定位基准3，采用本发明提供的方法建立该零件的实体数模的步骤如下：

步骤1：通过Kongsberg平板绘图机在聚酯薄膜胶板4上以50mm×50mm的间距绘制M×N条正交网格线5，并将网格交点记为O_ij，其中i=1、2、…、M，j=1、2、…、N，然后以网格交点O₁₁为坐标原点建立正交坐标系XOY，获取各网格交点O_ij的坐标，如图2所示。

步骤2：将图1所示的切面模线图板1平铺在平板式CCD扫描仪的工作台上，然后将步骤1绘制的聚酯薄膜胶板4置于切面模线图板1上方，并使绘有正交网格线5的一面与切面模线图板1的正面相贴，充分贴合后固定。

步骤3：采用平板式CCD扫描仪扫描聚酯薄膜胶板4和切面模线图板1，得到如图3所示的包含扫描切面模线图板1＇、扫描切面模线2＇、扫描定位基准3＇、扫描聚酯薄膜胶板4＇和扫描正交网格线5＇的二维光栅图像6，将二维光栅图像6中的网格交点记为O_ij＇，O_ij＇与O_ij一一对应。

步骤4：对二维光栅图像6进行失真校正和矢量化处理，得到矢量切面模线和矢量定位基准8，具体过程如下：

步骤（4-1）：在Vpmax软件中打开二维光栅图像6，以网格交点O₁₁＇为坐标原点建立方向与XOY协调一致的正交坐标系X＇O＇Y＇，捕获各网格交点O_ij＇的坐标。

步骤（4-2）：以各网格交点O_ij＇为待校正点，以各对应的网格交点O_ij为校正目标点，对二维光栅图像6进行失真校正。

步骤（4-3）：将校正后的二维光栅图像6矢量化，得到矢量切面模线和矢量定位基准，然后以DXF格式保存。

步骤5：参照步骤2～4处理零件的其他切面模线图板。

步骤6：将矢量切面模线和矢量定位基准导入CATIA V5软件中，在保证精度的前提下对其进行拟合光顺，得到拟合切面模线2〞和拟合定位基准3〞，具体过程如下：

步骤（6-1）：对于任意一条矢量切面模线或矢量定位基准，在其上提取若干个点。

步骤（6-2）：通过提取的点逐一拟合与曲线原始定义类型一致的切面模线或定位基准。

步骤（6-3）：通过Kongsberg平板绘图机绘制步骤（6-2）拟合的切面模线和定位基准，并与原切面模线图板进行对比检测。如果超差，参考原切面模线图板对其进行修正，然后再绘制并进行对比，如此反复，最终得到满足设计公差要求的拟合切面模线2〞和拟合定位基准3〞，结果如图4所示。

步骤7：在CATIA V5软件的三维坐标系OXYZ中，借助拟合定位基准3〞，通过平移和旋转操作，将拟合切面模线2〞定位到空间理论位置，如图5所示。

步骤8：参考零件图纸和相关技术文件，采用CATIA V5软件的曲线曲面操作，通过拟合切面模线2〞构造出飞机零件的外形面，进而通过加厚曲面操作建立该零件的零件本体7，最后在零件本体7上添加该零件的局部特征8，结果如图6所示。这里需要说明的是，在构造外形面的过程中，为了保证曲面的光顺性，在保证精度的前提下可以适当舍弃部分中间拟合切面模线。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制，本发明的具体实现并不局限于上述方式。凡依据本发明的技术方案通过逻辑分析等方式得到的技术方案，皆应在本发明的保护范围之内。特别地，为了避免争议，在此概括以下显而易见的技术方案：（1）逆向建模的数据来源不是切面模线，而是切面模线对应的实物样板；（2）逆向建模的对象不是飞机零件，而是用于成型飞机零件的模胎；（3）逆向建模的思路是：扫描零件或扫描用于成型零件的模胎，通过获得的扫描数据进行零件逆向建模，然后通过切面模线或对应的实物样板对建立的零件实体数模进行修正。

Claims (3)

1.一种基于切面模线的飞机零件逆向建模方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：通过平板绘图机在尺寸稳定的透明介质上以给定间距绘制M×N条正交网格线，并将网格交点记为O_ij，其中i=1、2、…、M，j=1、2、…、N，然后以网格交点O₁₁为坐标原点建立正交坐标系XOY，获取各网格交点O_ij的坐标；

步骤2：将零件的其中一张切面模线图板平铺在平板式扫描设备的工作台上，然后将步骤1绘制的透明介质置于切面模线图板上方，并使绘有正交网格线的一面与切面模线图板的正面相贴，充分贴合后固定，得到带透视网格线的切面模线图板；

步骤3：采用平板式扫描设备将带透视网格线的切面模线图板进行扫描，得到包含扫描切面模线图板、扫描切面模线、扫描定位基准、扫描透明介质和扫描正交网格线的二维光栅图像，将二维光栅图像中的网格交点记为O_ij＇，O_ij＇与O_ij一一对应；

步骤4：对二维光栅图像进行失真校正和矢量化处理，得到矢量切面模线和矢量定位基准；

步骤5：参照步骤2～4处理零件的其他切面模线图板，得到零件每一个切面模线图板的矢量切面模线和矢量定位基准；

步骤6：将零件的所有矢量切面模线和矢量定位基准导入三维CAD软件中，并在保证精度的前提下对其进行拟合光顺，得到拟合切面模线和拟合定位基准；

步骤7：在CAD软件的三维坐标系OXYZ中，借助拟合定位基准，通过平移和旋转操作，将拟合切面模线定位到空间理论位置；

步骤8：参考零件图纸和相关技术文件，采用曲线曲面操作，通过拟合切面模线构造出飞机零件的外形面，进而采用实体操作建立零件的实体数模。

2.如权利要求1所述的基于切面模线的飞机零件逆向建模方法，其特征在于上述步骤4对二维光栅图像进行失真校正和矢量化处理的具体做法为：

步骤（4-1）：在图像校正软件中打开二维光栅图像，以网格交点O₁₁＇为坐标原点建立与XOY协调一致的正交坐标系X＇O＇Y＇，捕获各网格交点O_ij＇的坐标；

步骤（4-2）：以各网格交点O_ij＇为待校正点，以各对应的网格交点O_ij为校正目标点，对二维光栅图像进行失真校正；

步骤（4-3）：将校正后的二维光栅图像矢量化，得到矢量切面模线和矢量定位基准，然后以三维CAD软件兼容的文件格式保存。

3.如权利要求1或2所述的基于切面模线的飞机零件逆向建模方法，其特征在于上述步骤6中拟合切面模线和拟合定位基准的具体步骤为；

步骤（6-1）：对于任意一条矢量切面模线或矢量定位基准，在其上提取若干个点；

步骤（6-2）：通过提取的点逐一拟合与曲线原始定义类型一致的切面模线或定位基准；

步骤（6-3）：通过平板绘图机绘制步骤（6-2）拟合的切面模线和定位基准，并与原切面模线图板进行对比检测，如果超差，参考原切面模线图板对其进行修正，然后再绘制并进行对比，如此反复，最终得到满足设计公差要求的拟合切面模线和拟合定位基准。

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