基于CATIA的五軸自動鉆鉚定位方法研究

馬偉，徐巖，皺宜勇，徐少林

(1.南京航空航天大學 機電學院，江蘇南京210016；2.中航工業昌河飛機工業(集團)有限責任公司，江西景德鎮333002)

0 引言

加工仿真是虛擬制造的重要組成部分，其方法是通過建模軟件建立機床模型，并模擬機床的實際運動，以便事先發現生產過程中出現的錯誤、干涉等情況，進而提高實際加工過程的安全性和可靠性［1］。隨著自動鉆鉚設備的廣泛普及，及加工仿真在自動鉆鉚技術上的應用，極大的提高了生產效率和產品品質，縮短了產品的生產周期。而加工仿真的實現要靠運動仿真支撐，反映到自動鉆鉚技術上即如何實現產品的自動定位。對于平板件蒙皮的定位相對簡單，只需進行x，y和z向的移動即可完成產品的定位，而對于非平板件，如單曲度和雙曲度蒙皮，就無法通過單純的移動來實現其精確定位了。另外，自動鉆鉚設備運動機構復雜，加工過程中各運動組件易發生碰撞和干涉；大部分鉚接件上有眾多鉚接點，需要合理規范鉚接路徑，以減少無效的機構運動和姿態調整［2］。

1 CATIA的二次開發方式概述

CATIA是法國達索(DASSAULT)公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，它為用戶開放了一定的接口，并提供了完整的一套工具，用來定制用戶所需的界面和對數模進行操作等［3］。CATIA二次接口與外部程序通信的方式有兩種:進程內應用程序方式和進程外應用程序方式［4-5］。

進程內應用程序方式也稱為內嵌機制，是指腳本與程序在同一進程內運行，這種方式主要通過宏(Macro)命令執行，宏命令程序簡單易懂，但這種方式的人機交互性較差，不能適應復雜的操作過程，用該方式開發的軟件也不夠穩定。進程外應用程序被稱為外部開發機制，也是軟件二次開發者普遍使用的方法，利用該方式并結合CATIA提供的接口，可以實現CATIA中大部分功能，但這種方法操作相對復雜，需要二次開發者熟練掌握CATIA軟件并有過硬的編程能力。

通過對上述兩種方法的比較，考慮到所要實現功能的復雜性，以及需要保證所開發的軟件運行的穩定性，因此采用進程外應用程序方式進行二次開發，即利用組件應用架構CAA(component application architecture)在CATIA原有功能基礎上進行二次開發。

2 自動鉆鉚定位模塊的開發

2.1 自動定位模塊劃分

基于五軸數控托架自動定位方法其大體思路如下:1)建立五軸自動鉆鉚機床數模，并搭載有雙曲度蒙皮的托架；然后拾取制鉚點和待鉚接點等特征，計算出托架需要沿x和y旋轉的角度A和B；2)通過制鉚點和待鉚接點之間的坐標差值，得到托架在x，y和z方向的位移；3)再利用以上計算的數據完成自動鉆鉚定位。

自動鉆鉚自動定位可以劃分為以下幾個模塊:確定曲面待鉚接點法式模塊、計算待鉚接點法式與制鉚頭軸線夾角模塊、計算待鉚接點與制鉚點距離模塊和運動仿真定位模塊，如圖1所示。

圖1 自動定位模塊劃分

2.2 自動鉆鉚定位模塊實現方法

1)確定曲面待鉚接點法式模塊

首先應通過相應的代理(CATFeatureImportAgent)選取的蒙皮和其上面的待鉆鉚點并把所選點和面的相關信息保存在相關鏈表和變量中；然后通過調用CreatePlaneTangent()函數獲待鉚接點與蒙皮的切平面，最后再調用Get-Normal()函數獲得所需要的法式；實現該模塊的部分源代碼如下:

CATIGSMPlaneTangent_var iPlane；

iPlane=piGSMFactory-＞CreatePlaneTangent(_pSurfaceObject，_pPointObject)；//創建曲面上某點的切平面

CATISpecObject_variPlaneObject=iPlane；

……

CATPlane*iCATPlane=NULL；

HRESULT rc=iPlaneObject- ＞QueryInterface(IID_CATPlane，(void＊＊)＆iCATPlane)；

CATMathVectoriNormal；//蒙皮上待鉚接點的法式

CATMathPoint iMathPoint；

iCATPlane- ＞GetNormal(iMathPoint，iNormal)；

……

2)計算待鉚接點法式與制鉚頭軸線夾角模塊

在上一模塊求出了鉚接點的法式，在此模塊需要解決如何使得所求法式與制鉚頭軸線重合問題，因為二者不一定重合，其往往會有一個角度差。如何計算出托架旋轉所需的角度，使得鉚接點法式和制鉚頭二者重合是這個模塊需要解決的問題。解決這個問題的思路:對鉚接點法式進行處理，使得該法式和z向的單位矢量方向相同，這樣便于判斷旋轉的方向；然后調用CATMathVector類下的函數GetAngleTo()，求出兩個向量之間的夾角。實現該模塊的部分源代碼如下:

CATMathVectoriVectorX；//與x旋轉有關的向量

double x01，y01，z01，y02，z02，x03，y03，z03；

iNormal.GetCoord(x01，y01，z01)；//iNormal蒙皮上待鉚接點的法式

if(z01＜0)

{

y02=-y01；

z02=fabs(z01)；

iNormal.SetCoord(x01，y02，z02)；

iNormal.GetCoord(x03，y03，z03)；

}

CATMathVectoriRepNormal；//創建方向為Z正方向的參考法式

iRepNormal.SetCoord(0，0，1) ；

iNormal.GetCoord(x01，y01，z01)；

iVectorX.SetCoord(0，y01，z01)；

AngleX=iVectorX.GetAngleTo(iRepNormal，iRepNormal)；//獲得沿x方向的轉角

//判斷x旋轉角度的正負

doubleValue_y=ioNormalx.Gety()；

if(Value_y＞=0)

{

AngleXX=AngleX；//把AngleX賦給全局變量AngleXX

}

else

{

AngleXX=-AngleX；

}

3)計算待鉚接點與制鉚點距離模塊

在確定待鉚接點法式和制鉚頭軸線重合的夾角后，需要計算待鉚接點和制鉚點之間在x，y和z方向之間的距離，通過移動托架使得兩點重合，其大體思路:因為待鉚接點和制鉚點不在一個坐標系內，所以計算兩點在x，y和z方向的距離，需要計算出每個點在世界坐標系中的坐標值，然后對這兩點的坐標值做差，即獲得所需的數值。實現該模塊的核心算法:點在世界坐標系中的坐標值=點所在part的坐標系原點在世界坐標系中的坐標值+點在part坐標系中的坐標值。

4)運動仿真定位模塊

通過以上模塊的計算，得出托架運動所需的角度和位移，使用接口CATIMovable的SetAbsPosition()函數，實現托架的旋轉和運動仿真。

2.3 自動定位模塊的應用

1)應用于仿真與干涉檢查

自動鉆鉚定位方法是實現自動鉆鉚運動仿真的必要條件，同時在運動仿真過程中，利用層次包圍盒法、布爾求交方法或空間分解法等可以實現干涉檢查。

2)應用于自動編程

自動鉆鉚仿真的重點并不僅僅是實現干涉檢測，更重要的是在完成干涉檢測后能夠輸出應用于數控機床的NC代碼，而自動定位方法能夠為生成NC代碼提供數據來源。

3 功能驗證

以雙曲度鉚接件為例，借以驗證定位的準確性。先加載帶有雙曲度蒙皮的機床數模，然后利用所開發的軟件進行定位運動仿真，軟件界面如圖2(a)、(b)所示。

圖2 軟件界面

通過對運動后數模待鉚接點與制鉚頭之間距離和角度的驗證，其定位距離誤差小于0.003mm，角度誤差小于0.001°，造成該誤差的原因是在數據處理時采取了近似值的原因，但由于誤差較小，滿足設計的要求。程序的模塊化比較清晰，便于更深層次的研究探索。

4 結論

介紹了基于CATIA的自動鉆鉚定位方法，該方法可以快速準確的實現托架定位，為運動仿真及干涉檢測做好鋪墊，同時也為NC代碼的生成提供了數據來源。自動鉆鉚定位方法不僅適用于平板件，而且也適用于單曲度和雙曲度件，大大縮短了產品設計和加工的周期，達到節約生產成本提高生產效率的目的。

［1］董伊鑫，席平.基于二次開發的五坐標數控機床運動仿真系統［J］.機械工程師，2005(3):41-43.

［2］殷俊清，王仲奇，康永剛，等.仿真技術在飛機自動鉆鉚中的應用［J］.航空制造技術，2009(24).

［3］蔡錦達，韓康瑋.基于CATIA的數控工作臺建模的二次開發［J］.微計算機信息，2008(16).

［4］胡挺，吳立軍.CATIA二次開發基礎［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［5］廖炎平，劉莉，王嘉博.無人機外形參數化建模及CATIA二次開發［J］.彈箭與制導學報，2011(5).