CN109063272A - 一种柔性钻孔模板的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性钻孔模板的设计方法，属于航空领域中钻孔模板数字化设计制造方法。本发明首先采用批量制孔算法预处理待制孔部件，获得待制孔部件的提取面，提取面上对应的R模型位置做了批量的辅助孔。通过预处理操作将R模型的位置信息以孔的形式关联显示在提取曲面上。接着采用有限元网格法展开上述获得的提取曲面。并应用最小二乘法拟合获得展开后连接件的对应位置，实现连接件展开前后位置的映射，最终完成柔性钻模板的设计。

Description

一种柔性钻孔模板的设计方法

技术领域

本发明涉及一种柔性钻孔模板的设计方法，属于航空领域中钻孔模板数字化设计制造方法。

背景技术

航空企业针对飞机整体壁板结构要素(长桁、窗框等)的制孔难题，采用一种柔性可变形的钻孔模板。在制孔过程中将柔性钻孔模板定位在待制孔部件上，并通过夹紧装置，实现钻模板与待制孔曲面在贴合状态下简易制孔。

柔性钻模板是一种平面展开结构，包含部件上待制孔的位置信息，它的设计依据是待制孔部件的曲面结构以及连接件信息，其中连接件在数模结构树中以R模型表示。调研航空企业，由于待制孔部件曲面复杂，连接件数量众多，制约柔着柔性钻模板的设计，设计过程中的曲面展开与连接件位置信息的映射是柔性钻模板设计瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性钻孔模板的设计方法，从而解决飞机柔性钻孔模板设计过程中的曲面展开与连接件位置信息的映射问题。

本发明方法应用模块化设计思想，将柔性钻孔模板展开系统分为预处理模块，曲面展开及连接件位置映射模块。

工装设计人员通过产品数模上的R模型获取制孔要求。R模型是独立于产品的线段集合，将这些线段的位置映射到展开面上是柔性钻模板的设计关键。首先采用批量制孔算法预处理待制孔部件，获得待制孔部件的提取面，提取面上对应的R模型位置做了批量的辅助孔。通过预处理操作将R模型的位置信息以孔的形式关联显示在提取曲面上。接着采用有限元网格法展开上述获得的提取曲面。并应用最小二乘法拟合获得展开后连接件的对应位置，实现连接件展开前后位置的映射，最终完成柔性钻模板的设计。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：

本发明开发预处理模块。柔性钻模板的设计需要首先筛选出待制孔部件上的连接件，再将这些连接件的位置信息映射到待制孔部件对应的展开面上。连接件的R模型数量众多，工装设计人员手动处理任务繁重。针对此问题，设计批量制孔算法，并应用CATIA CAA提供的接口和函数实现该算法，基于该算法，通过对待制孔部件的预处理操作，可以快速获得包含批量孔位信息的提取曲面，即带有对应连接件数量的辅助孔位的提取曲面。

一种柔性钻孔模板的设计方法，输入：R模型所在的几何图形集、钻模板的名称、待制孔的曲面、辅助孔的大小；

所述R模型表示飞机装配中紧固件类型及理论位置。

输出：新建的钻模板部件，包含特征：带有批量孔的提取曲面；

该方法包括三个主要流程：批量制孔的预处理、有限元网格法的展开、连接件位置映射；

它具体包括如下步骤：

步骤1：获取当前建模环境交互编辑器，依据对话框交互输入的钻模板名称，新建一个对应名称的部件；

步骤2：提取待制孔的曲面特征，并获得该输入曲面所在实体的最小包围盒；

步骤3：获取输入的几何图形集下的所有R模型直线特征，存入数组；

步骤4：遍历数组中的每个直线特征，判断是否在实体的最小包围盒内部，若是，将该直线特征复制粘贴到新建的钻模板部件下，并存入数组，若不在包围盒内部，继续遍历；

步骤5：遍历数组中的每个直线特征，做与提取面特征的相交特征，以相交特征与提取面特征为输入做在曲面上的圆特征，依据做的圆特征在提取面上做分割，生成带有批量孔的提取面。

进一步的，本设计方法应用在CAD平台上，提供两个交互的对话框：预处理对话框与展开求解计算对话框，用户在对话框中输入相应的信息，后台自动完成钻孔模板的展开并在建模环境中显示，实现飞机柔性钻孔模板的展开设计。

进一步的，曲面的展开模块划分为前置处理、求解计算、后置处理；

前置处理包括曲面的网格大小设置，网格类型选择，网格划分；

求解计算的求解器基于有限元网格法，输入特征为网格单元信息，输出为展开曲面的边界线上的点的坐标集合，以及内部孔的离散点的坐标集合；

后置处理调用CATIA CAA提供的接口和函数，在建模环境中依据求解的点集，绘制点、样条线，显示计算结果；求解结果包括柔性钻模板展开的外轮廓及内部离散的点。

进一步的，采用最小二乘算法将内部上述离散的点拟合成圆以获得圆心位置，实现连接件的位置信息从待制孔部件曲面到展开面上的映射；

通过离散的点，拟合成误差的平方和最小的圆，进而获得圆心坐标，完成连接件位置的映射，最终完成柔性钻孔模板的设计。

本发明的有益效果：

本发明的批量制孔算法，并应用CATIA CAA提供的接口和函数实现该算法，基于该算法，通过对待制孔部件的预处理操作，可以快速获得包含批量孔位信息的提取曲面，即带有对应连接件数量的辅助孔位的提取曲面。

附图说明

图1为本发明柔性钻模板展开方法总体框架；

图2为本发明批量制孔算法流程图；

图3为本发明基于有限元网格法生成的钻模板外轮廓及内部的离散点；

图4为本发明最小二乘算法示意图；

图5为本发明柔性钻孔模板展开方法的应用实例。

具体实施方式

下面配合附图进行实施例说明，本实施方式是在以本发明方案的前提下进行实施，给出了详细实施方式和具体实施过程，但本发明不局限于下述实例。

一种柔性钻孔模板的设计方法，输入：R模型所在的几何图形集、钻模板的名称、待制孔的曲面、辅助孔的大小；

所述R模型表示飞机装配中紧固件类型及理论位置。

输出：新建的钻模板部件，包含特征：带有批量孔的提取曲面；

该方法包括三个主要流程：批量制孔的预处理、有限元网格法的展开、连接件位置映射；

它具体包括如下步骤：

步骤1：获取当前建模环境交互编辑器，依据对话框交互输入的钻模板名称，新建一个对应名称的部件；

步骤2：提取待制孔的曲面特征，并获得该输入曲面所在实体的最小包围盒；

步骤3：获取输入的几何图形集下的所有R模型直线特征，存入数组；

步骤4：遍历数组中的每个直线特征，判断是否在实体的最小包围盒内部，若是，将该直线特征复制粘贴到新建的钻模板部件下，并存入数组，若不在包围盒内部，继续遍历；

步骤5：遍历数组中的每个直线特征，做与提取面特征的相交特征，以相交特征与提取面特征为输入做在曲面上的圆特征，依据做的圆特征在提取面上做分割，生成带有批量孔的提取面。

进一步的，本设计方法应用在CAD平台上，提供两个交互的对话框：预处理对话框与展开求解计算对话框，用户在对话框中输入相应的信息，后台自动完成钻孔模板的展开并在建模环境中显示，实现飞机柔性钻孔模板的展开设计。

进一步的，曲面的展开模块划分为前置处理、求解计算、后置处理；

前置处理包括曲面的网格大小设置，网格类型选择，网格划分；

求解计算的求解器基于有限元网格法，输入特征为网格单元信息，输出为展开曲面的边界线上的点的坐标集合，以及内部孔的离散点的坐标集合；

后置处理调用CATIA CAA提供的接口和函数，在建模环境中依据求解的点集，绘制点、样条线，显示计算结果；求解结果包括柔性钻模板展开的外轮廓及内部离散的点。

进一步的，采用最小二乘算法将内部上述离散的点拟合成圆以获得圆心位置，实现连接件的位置信息从待制孔部件曲面到展开面上的映射；

通过离散的点，拟合成误差的平方和最小的圆，进而获得圆心坐标，完成连接件位置的映射，最终完成柔性钻孔模板的设计。

具体飞机机身壁板长桁的柔性钻孔模板的实施如下：

本实例针对飞机机身壁板长桁的柔性钻孔模板的展开设计。

1)本发明涉及三个主要流程：批量制孔的预处理；有限元网格法的展开；连接件位置映射，如图1所示。

2)在预处理对话框中，设置钻孔模板的名称：ZuanmoBan，选择R模型的几何图形集合：紧固件，选择要展开的长桁曲面，设置做辅助孔的大小。输入信息设置完成，点击“生成带有批量孔位的钻模板零件”，后台处理输入特征，在当前建模环境中新建一个输入名称的钻模板零件，其中包含着带有批量孔位的提取面，预处理流程算法如图2所示。

3)进入开发的“画网格展开模块”，在网格划分求解计算对话框中输入上一步的提取面，设置网格大小及类型，点击确定按钮。

4)单击求解计算按钮，后台需要消耗一定的时间求解计算，并在建模环境中显示展开的曲面轮廓以及映射的连接件的位置点，如图3所示。

5)根据最小二乘法，实现孔位映射。如图5所示是通过该方法设计出的柔性钻孔模板实例图。

关于采用最小二乘算法将内部上述离散的点拟合成圆以获得圆心位置，实现连接件的位置信息从待制孔部件曲面到展开面上的映射，其具体计算过程如下：

拟合圆上的点集：(X_i,Y_i)i∈(1,2,3...N)

拟合圆上的点集(X_i,Y_i)i∈(1,2,3...N)到圆心的距离为d_i

拟合圆圆心坐标(A，B)与圆半径R

最小二乘法算法公式：

假定通过最小二乘法将点拟合成圆曲线的表达式：R²＝(x-A)²+(y-B)²，并作出如下的等值转化：

可得到拟合的圆曲线方程的另一种表达形式：x²+y²+ax+by+c＝0(2)

由公式(1)可知只要求出a,b,c就可以通过转化得到圆心坐标(A,B)与圆半径R的参数值。

如图4所示，拟合圆上的点集(X_i,Y_i)i∈(1,2,3...N)到圆心的距离为d_i：

d_i＝(X_i-A)²+(Y_i-B)² (3)

图4最小二乘算法法示意图

点(X_i,Y_i)到拟合的圆边缘的距离的平方和与半径平方的差σ_i为：

令Q(a,b,c)为所有的点σ_i的平方和，则Q(a,b,c)的值为：

依据最小二乘法的核心思想，求参数a,b,c使得Q(a,b,c)的值为最小值。

F(a,b,c)对a,b,c求偏导，令偏导等于0，得到所有的极值点，并比较所有的极值点的函数值即可得到最小的值。

为了方便表示求得的方程解，下面用CDEGH简化右边的表达式：

可解得令误差平方和最小的拟合圆的表达式中abc的值分别为：

通过公式(1)可得拟合圆的中心坐标(A,B)与半径R的值。采用CAA提供的接口将拟合的圆心点与展开的外轮廓线在建模环境中显示出来。完成待制孔曲面外轮廓的展开与连接件位置信息的映射。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种柔性钻孔模板的设计方法，其特征在于：输入：R模型所在的几何图形集、钻模板的名称、待制孔的曲面、辅助孔的大小；

输出：新建的钻模板部件，包含特征：带有批量孔的提取曲面；

该方法包括三个主要流程：批量制孔的预处理、有限元网格法的展开、连接件位置映射；

它具体包括如下步骤：

步骤1：获取当前建模环境交互编辑器，依据对话框交互输入的钻模板名称，新建一个对应名称的部件；

步骤2：提取待制孔的曲面特征，并获得该输入曲面所在实体的最小包围盒；

步骤3：获取输入的几何图形集下的所有R模型直线特征，存入数组；

步骤4：遍历数组中的每个直线特征，判断是否在实体的最小包围盒内部，若是，将该直线特征复制粘贴到新建的钻模板部件下，并存入数组，若不在包围盒内部，继续遍历；

步骤5：遍历数组中的每个直线特征，做与提取面特征的相交特征，以相交特征与提取面特征为输入做在曲面上的圆特征，依据做的圆特征在提取面上做分割，生成带有批量孔的提取面。

2.根据权利要求1所述的柔性钻孔模板的设计方法，其特征在于：本设计方法应用在CAD平台上，提供两个交互的对话框：预处理对话框与展开求解计算对话框，用户在对话框中输入相应的信息，后台自动完成钻孔模板的展开并在建模环境中显示，实现飞机柔性钻孔模板的展开设计。

3.根据权利要求1所述的柔性钻孔模板的设计方法，其特征在于：曲面的展开模块划分为前置处理、求解计算、后置处理；

前置处理包括曲面的网格大小设置，网格类型选择，网格划分；

求解计算的求解器基于有限元网格法，输入特征为网格单元信息，输出为展开曲面的边界线上的点的坐标集合，以及内部孔的离散点的坐标集合；

后置处理调用CATIA CAA提供的接口和函数，在建模环境中依据求解的点集，绘制点、样条线，显示计算结果；求解结果包括柔性钻模板展开的外轮廓及内部离散的点。

4.根据权利要求1所述的柔性钻孔模板的设计方法，其特征在于：采用最小二乘算法将内部上述离散的点拟合成圆以获得圆心位置，实现连接件的位置信息从待制孔部件曲面到展开面上的映射；

通过离散的点，拟合成误差的平方和最小的圆，进而获得圆心坐标，完成连接件位置的映射，最终完成柔性钻孔模板的设计。