CN114969976B - 基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空制造工程/飞机装配领域，涉及基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法。本发明融合了数字化测量、逆向建模、虚拟装配技术，以产品实测数据为依据精确模拟一体化结构的装配规划与定位偏差，为产品的装配质量和关键配合特征的精准修配提供理论依据，显著减少零件修合过程中的反复拆装与测试，降低修配超差风险，提高部件的整体装配效率，实现飞机的快速试制与迭代升级。

Description

基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法

技术领域

本发明属于航空制造工程/飞机装配领域，涉及基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法。

背景技术

虚拟装配技术是近年来兴起的重要研究方向之一，它从产品装配设计的角度出发，建立在产品数字化设计、制造、检验基础上，在虚拟环境中构建产品的装配场景，模拟部件的装配规划和操作，检验和评价产品的装配质量。

飞机一体化结构具有整体尺寸大、结构特征多、装配控制要素高度融合、制造精度相对较低等特点，而现有的虚拟装配技术以产品理论模型为依据，导致结构的定位偏差和修合量与产品的实际状态存在较大偏差。为实现一体化结构的高精度、高效率装配，需应用数字化测量方法、关键特征逆向重构技术开展基于实测数据的一体化结构虚拟装配方法研究，为复杂结构特征的高精度定位和精准修配提供理论依据。

本发明提出的基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，采用数字化测量方法提取一体化结构的关键特征并进行逆向重构，再基于实测数据开展结构的虚拟装配，为飞机关键配合特征的精准修配提供理论依据，减少装配过程中的反复拆装，提高装配效率的同时，大大降低修配超差风险。

发明内容

本发明是基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，采用数字化测量方法对结构的关键特征及型面进行高精度测量并进行逆向重构，再基于产品的实测数据开展一体化结构的虚拟装配，评价零件的定位质量，确定修配量。

本发明的技术方案如下：

基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，步骤如下：

第一步：构建高精度数字化测量场

应用激光跟踪仪搭建数字化测量场，完成测量坐标系与产品坐标系的基准统一。测量场建立如图1所示，Z1、Z2、Z3、Z4、Z5为一体化结构的工艺制造基准，F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10为测量场拟合基准，P1、P2、P3、P4为激光跟踪仪测量站位。构建方法为：将产品结构形式简化为长方体，长、宽、高分别为a、b、h，则

|P1P2|>2b

|P2P3|>2a

激光跟踪仪在P1站位对Z1、Z3、Z4、Z5、F3、F4、F5、F6、F7、F8进行测量，在P2站位对Z1、Z2、Z3、Z4、F1、F2、F7、F8、F9、F10进行测量，在P3站位对Z1、Z2、Z3、Z5、F1、F2、F3、F4、F5、F8、F9、F10进行测量，在P4站位对Z1、Z2、Z4、Z5、F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7进行测量。在SA软件中，以Z1、Z2、Z3、Z4、Z5的理论值为基准，完成测量场最佳拟合。

将坐标系拟合后获得的F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10三维坐标值导出，作为后续结构特征及型面测量的拟合基准。

第二步：结构特征及型面的数字化测量

应用激光跟踪仪对产品结构特征进行接触式测量，应用光学追踪式激光扫描测量系统对关键型面进行数字化扫描测量。在F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10位置布设测量靶标，选取测量站位。站位选取原则是不少于5个对F1～F10进行测量，以提高坐标系拟合精度。

确定站位后，启动测量设备扫描F1～F10提取基准测量值，与对应的理论值进行最佳拟合，将测量坐标系与产品坐标系统一。然后采集相互配合的零件几何信息，如交点、框梁轴线、框缘、型面孔径、相对位置关系等。

框梁轴线的测量方法如图2所示。

腹板面1选取3点，测量三维坐标T1(x1，y1，z1)、T2(x2，y2，z2)、T3(x3，y3，z3)，腹板面2选取3点，测量三维坐标S1(u1，v1，w1)、S2(u2，v2，w2)、S3(u3，v3，w3)，因腹板面1与腹板面2为平行平面，则求解：

腹板面1的平面方程为aX+bY+cZ+D1＝0……①

腹板面2的平面方程为aX+bY+cZ+D2＝0……②

求得零件腹板厚度为

将腹板厚度带入求解框梁轴线所在位置平面方程：aX+bY+cZ+D1+

第三步：关键特征的逆向重构

应用逆向建模技术对关键区域的产品实际状态进行模型重构，提取关键配合区特征的实际数据。在Geomagic Control软件中，对点云数据进行噪声点删除、数据精简、修补、光顺处理等操作，提高点云质量和建模精度，数据处理后以stl格式导出。点云数据的简化方法有以下三种，需根据实际工况选择。

(1)均匀采样：适合曲率变化小，精度要求不高的曲面；

(2)弦偏差采样：适合曲率变化大，精度要求高的曲面；

(3)距离采样：适合大多数情况，可根据精度要求设置距离公差进行简化。

在Geomagic Design X软件中，导入点云数据，首先进行区域化处理，根据零件类型选择精确建模或参数化建模。然后进行零件特征的提取和重建，方法主要有面片拟合，截面创建，曲线提取等。最后进行建模质量检查，采用点云进行型面校核，将重构模型与原始扫描数据进行三维对比分析，根据装配精度要求设置评比误差。关键特征逆向重构流程如图3所示。

第四步：基于实测数据的虚拟装配

在虚拟装配过程中，将基于实测数据重构的零件模型、工装、夹具等相关装配资源模型加入仿真环境，并依据规划好的装配工艺指令，对装配工艺规划过程中的操作进行可视化演示，对装配的可达性、可拆卸性和可维护性进行全面分析，验证装配工艺方案的可行性。

将重构模型按关键特征与工装定位器精确定位，分析配合部位的间隙、干涉情况，对于间隙超差部位合理给出工艺余量值，干涉部位给出修配量。并对装配型面与理论外形的偏差情况进行分析，确定原因及解决方案。最后，依据仿真结果输出电子装配工艺文件指导装配现场，提高装配精度及效率，降低返工返修工作量。

本发明的有益效果在于：

本发明融合了数字化测量、逆向建模、虚拟装配技术，以产品实测数据为依据精确模拟一体化结构的装配规划与定位偏差，为产品的装配质量和关键配合特征的精准修配提供理论依据，显著减少零件修合过程中的反复拆装与测试，降低修配超差风险，提高部件的整体装配效率，实现飞机的快速试制与迭代升级。

附图说明

图1数字化测量场构建示意图；

图2框梁轴线测量方法示意图；

图3关键特征逆向重构流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述

基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，步骤如下：

1.构建高精度数字化测量场

(1)准备工作：在产品及工装周围布设F1、F2、F3、F4、F5……若干个测量基准，在产品上选取Z1、Z2、Z3……若干个工艺制造基准，在测量基准和工艺制造基准上布设测量靶标，选取激光跟踪仪测量站位P1、P2、P3、P4。

(2)测量场构建：分别在P1～P4站位测量基准F1、F2、F3、F4、F5……和Z1、Z2、Z3……。在SA软件中以Z1、Z2、Z3……在产品坐标系下的理论值为依据，对测量场进行最佳拟合，完成测量坐标系与产品坐标系的统一。

(3)记录测量基准：记录坐标系统一后的测量基准F1、F2、F3、F4、F5……三维坐标，作为后续结构特征及型面测量的拟合基准。

2.结构特征及型面的数字化测量采集

根据结构特征类型，应用激光跟踪仪或光学追踪式激光扫描测量系统等数字化测量设备，每一测量站位需依次扫描F1～F10提取基准测量值(有效采集数量不少于5个)，与对应的理论值进行最佳拟合，将测量坐标系与产品坐标系统一。然后采集相互配合的零件几何信息，如交点、框梁轴线、框缘、型面孔径、相对位置关系等，提取测量数据集，形成测量数据库。

3.关键特征的逆向重构

基于测量数据库，对点云数据进行噪声点删除、数据精简、修补、光顺等预处理操作，以stl格式导出。应用Geomagic Design X软件，采用逆向建模技术，建立装配关键特征三维数模。

(1)参考产品理论模型，对关键特征进行分析与分类

(2)局部特征点云的提取与处理，特征拟合，拟合偏差分析

(3)导入截面线或点，优化特征模型

(4)创建修饰特征(倒角、圆角、拔模、打孔)

(5)总体模型拟合精度分析

4.基于实测数据的虚拟装配

在仿真软件中，将利用逆向建模得到的零件实测状态模型，工装、夹具等生产资源模型加入仿真环境，按照装配工艺流程及定位方法，对产品的装配流程进行虚拟装配分析，综合考虑零件制造、装配误差积累，评估部件的装配质量及可操作性。

(1)验证装配工艺规划相关内容：装配顺序、装配路径、操作空间等；

(2)确定关键特征配合面的间隙值和干涉量；

(3)根据间隙值和干涉量，确定零件制造工艺余量和干涉修配量。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：构建高精度数字化测量场

(1)准备工作：在产品及工装周围布设F1、F2、F3、F4、F5……若干个测量基准，在产品上选取Z1、Z2、Z3……若干个工艺制造基准，在测量基准和工艺制造基准上布设测量靶标，选取激光跟踪仪测量站位P1、P2、P3、P4；

(2)测量场构建：分别在P1～P4站位测量基准F1、F2、F3、F4、F5……和Z1、Z2、Z3……；在SA软件中以Z1、Z2、Z3……在产品坐标系下的理论值为依据，对测量场进行最佳拟合，完成测量坐标系与产品坐标系的统一；

(3)记录测量基准：记录坐标系统一后的测量基准F1、F2、F3、F4、F5……三维坐标，作为后续结构特征及型面测量的拟合基准；

第二步：结构特征及型面的数字化测量采集

根据结构特征类型，应用激光跟踪仪或光学追踪式激光扫描测量系统数字化测量设备，每一测量站位需依次扫描F1～F10提取基准测量值，与对应的理论值进行最佳拟合，将测量坐标系与产品坐标系统一；然后采集相互配合的零件几何信息，包括交点、框梁轴线、框缘、型面孔径、相对位置关系，提取测量数据集，形成测量数据库；

第三步：关键特征的逆向重构

基于测量数据库，对点云数据进行噪声点删除、数据精简、修补、光顺预处理操作，以stl格式导出；应用Geomagic Design X软件，采用逆向建模技术，建立装配关键特征三维数模；

(1)参考产品理论模型，对关键特征进行分析与分类

(2)局部特征点云的提取与处理，特征拟合，拟合偏差分析

(3)导入截面线或点，优化特征模型；

(4)创建修饰特征，包括倒角、圆角、拔模、打孔；

(5)总体模型拟合精度分析；

第四步：基于实测数据的虚拟装配

在仿真软件中，将利用逆向建模得到的零件实测状态模型，工装、夹具和生产资源模型加入仿真环境，按照装配工艺流程及定位方法，对产品的装配流程进行虚拟装配分析，综合考虑零件制造、装配误差积累，评估部件的装配质量及可操作性。

2.如权利要求1所述的基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，其特征在于，所述的装配工艺规划相关内容包括装配顺序、装配路径、操作空间。

3.如权利要求1或2所述的基于数字化实测数据的一体化结构虚拟装配方法，其特征在于，所述的点云数据的简化方法有以下三种：

(1)均匀采样：适合曲率变化小，精度要求不高的曲面；

(2)弦偏差采样：适合曲率变化大，精度要求高的曲面；

(3)距离采样：适合大多数情况，可根据精度要求设置距离公差进行简化。