基于CATIA V5自由曲面測量采點方法研究與軟件開發

黃夢莉

(中航飛機西安飛機分公司，陜西 西安 710089)

0 引言

目前，先進的測量軟件可以利用CAD模型直接測量，但是由于其不具備 CAD軟件的造型、分析功能，對于飛機各類零件和工裝的曲線、曲面的測量，根本不能構造出符合企業質量文件要求的測量點，例如，沿某一方向的最高點、最低點或是切點、拐點，并且在曲率大處加密采點。

CATIA V5是IBM/DS基于Windows核心開發的高端CAD/CAE/CAM系統，作為國內外各大飛機制造企業的首選軟件，它具有統一的用戶界面、數據管理以及兼容的數據庫和應用程序接口，并擁有20多個獨立的模塊。測量人員按照檢測計劃要求，依據相關質量文件規定在CATIA V5下構建測量點，并提取輸出成標準格式，可供各種測量設備直接使用。

雖然應用CATIA V5的線框和曲面設計功能模塊，可以構建符合規則要求的測量點，但是人工構建測量點的過程是一件十分繁瑣的事情，對于1000多測量點的模胎，至少需要工作2 h，并且經常出現多取點、少取點等現象。為了實現曲面測量的自動采點，必須開發一套基于CATIA V5的測量理論數據自動提取軟件，在確保工作質量的同時，最大程度地提高工作效率。

1 軟件設計

CATIA開發接口是通過兩種方式與外部程序通信:進程內應用程序 (In-process Application)方式和進程外應用程序 (Out-process Application)方式。由于進程內應用程序是使用腳本開發，不利于程序功能的擴展。本軟件采用進程外應用程序方式，利用CATIA V5提供的COM接口，用VC#進行開發實現。

本軟件將為測量理論數據的自動提取與集中存儲提供解決方案。將每個產品的數據提取作為一項任務來處理，每個產品可能有多處部位需要檢測，每個部位的測量理論數據作為單獨一個數據集管理，這樣可以形成一個結構樹。其中任務管理具有新建、打開、保存、打印、頁面設置、字體設置、打印內容設置、發布等功能。通過將產品數模、測量理論數據、布點草圖等存儲在一個XML文件中，可以實現測量理論數據的集中管理，改變了以往數據、數模、打印草圖分散存儲的現狀，方便后續的數據管理工作。該軟件的主界面如圖1所示。

圖1 軟件主界面

本軟件按照測量理論數據提取工作流程，采用模塊化、參數化的方法進行設計，主要包括測量點分布、測量點排序、測量點提取等功能。為實現曲面測量理論數據的自動提取，需要解決以下關鍵技術:

1)針對不同曲面設計布點算法，實現在各類曲面上的自動布點。

2)控制測量點的構建順序，保證與測量順序一致，避免后續人工排序。

3)通過三維空間幾何變換，實現測量數據從原始坐標系到測量坐標系的轉換，并且輸出成XYZIJK格式。

2 軟件實現

2.1 曲面自動布點

根據曲面類型不同，可以采用三種布點方法。一是等參網格法;二是UV等分法;三是是等參截面法。其中等參網格法是目前被許多軟件采用的方法，包括CATIA，UG，PC-DMIS以及SA等軟件，它對于標準幾何體可以直接通過創建等參線的方式，在曲面上劃分網格，創建測量點。而對于非標準的幾何體或邊界不規則的曲面，只能采用UV等分法或截面法，其中UV等分法適用于曲率變化較小的光滑曲面，而截面法則適用于掃描面或拉深面。

2.1.1 等參網格法

等參網格法的用戶界面如圖2所示。首先分別沿兩個方向創建等參曲線網格，然后創建網格交點即為要測量的點，這種方法適用于規則的零件外形測量。布點效果如圖3所示。

圖2 等參網格法界面

圖3 等參網格法布點效果圖

2.1.2 UV等分法。

UV等分法界面如圖4所示。首先分別沿U，V方向構建等分平面，然后用等分平面對測量面劃分網格，網格的交點即為要測量的點。其中“縮進”參數是指測量點偏離曲面邊緣的距離。可以點擊“U方向按鈕”改變U的正方向，同理可以改變V的正方向，通過改變U，V的正方向可以改變測量點的構建順序，分析時按照測量點的構建順序輸出。這種方法對于測量曲面變化不大的模胎比較適用。布點效果如圖5所示。

圖4 UV等分法界面

圖5 UV等分法布點效果圖

2.1.3 截面法

等參截面法的用戶界面如圖6所示。首先根據引導曲線的幾何特征和截面參數構建平面，然后用平面與測量面相交構建截面曲線，最后根據截面曲線的幾何特征和取點參數構建測量點。通過改變引導線的方向可以改變截面的構建順序，在分析時通過改變各條截面曲線的采點方向，調整測量點的構建順序，保證測量的順序與構建點的順序一致。布點效果如圖7所示。

圖6 截面法界面

圖7 截面法自動布點效果圖

2.2 測量順序的規劃

在利用等參用格法、UV等分法及截面法構造測量點時，為方便測量必須控制測量點的順序，可先根據截面線進行分組然后按最近確定測量點順序[3]。現以截面法為例說明測量點順序的規劃。利用截面法在被測面曲面上構造截面曲線，如圖8所示，可人為確定第一條曲線的起始方向，然后程序自動按最近原則距離確定后續截面曲線及方向，構建的測量點的效果如圖9所示。

圖8 截面法構建曲線的順序

圖9 測量點規劃效果圖

2.3 生成XYZIJK文件

通過三維空間幾何變換，實現測量數據從原始坐標系到測量坐標系的轉換，并且輸出成XYZIJK格式。CMM在測量零件時，需要對測尖給一個球頭半徑的補償，而補償方向是支撐面上在該點處的法向，因此確定測量點不僅需要給出坐標值，還需要給出支撐面在該點處的單位法向量[4]。通常原始坐標系統OXYZ和測量坐標系統TUVW不是同一坐標系，可以通過三維圖形轉換方法，將測量點在原始坐標系統的位置通過基本變換矩陣轉換到測量坐標系統下[5]，通過計算得到以下公式:

式中:T1為平移變換的變換矩陣;T2為旋轉變換的變換矩陣;X，Y，Z是測量點在OXYZ坐標系下的坐標值，I，J，K是該點處單位法向量的分量;X'，Y'，Z'是測量點在TUVW坐標系下的坐標值，I'，J'，K'是該點處單位法向量的分量;UX，UY，UZ表示 U軸在OXYZ坐標系下的各分量 (一個單位投影)，可通過AxisSystem對象的GetXAxis方法獲得;VX，VY，VZ表示V軸在OXYZ坐標系下的各分量 (一個單位投影)，可通過 AxisSystem對象的 GetYAxis方法獲得;WX，WY，WZ表示W軸在OXYZ坐標系下的各分量 (一個單位投影)，可通過AxisSystem對象的GetZAxis方法獲得;TX，TY，TZ表示T點在OXYZ坐標系下的位置，可通過AxisSystem對象的GetOrigin方法獲得。

在CATIA下生成每個測量點數據必須經歷以下幾步:首先必須選擇被測曲面，用AddNewProject方法構造測量點到該支撐面的法向投影點，用AddNewLineNormal方法構造支撐面在測量點處的法向直線，對投影各點用GetCoordinates方法獲取點坐標，對法向直線用GetDirection方法獲取單位向量，最后選取測量坐標系，將點坐標和單位向量從原始坐標系轉換到測量坐標系輸出。

3 結束語

本文基于CATIA V5提供的COM接口，用VC#進行二次開發，提出并實現了三種自由曲面自動布點方法，并輸出成可供CMM檢測直接使用的XYZIJK格式，該軟件有效地解決了CMM測量時曲面自動采點問題，滿足了實際測量的需要，具有一定的實際意義和推廣使用價值。

[1]胡挺，吳立軍.CATIA二次開發技術基礎 [M].北京:電子工業出版社，2006.

[2]周保珍，平雪良，龔玉玲，等.基于CAD模型的復雜曲面三坐標自動測量 [J].機床與液壓，2008，36(4):125－127.

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