基于CATIA的飛機部件虛擬裝配質量預評估技術研究

2018-04-28 03:39:23李麗娟李青政

制造業自動化 2018年4期

李麗娟，李青政，劉濤

（長春理工大學光電工程學院，長春 130022）

0 引言

隨著激光測量技術和虛擬裝配技術的迅速發展，數字化測量與裝配質量預評估越來越多的應用在飛機部件的生產裝配之中。波音公司在20世紀90年代左右就已經通過數字化測量對整個飛機裝配對接現場進行虛擬裝配仿真，通過可視化干涉檢測進行對接質量預估。我國對數字化裝配和碰撞檢測的研究較晚，但依然取得了較大的成就，如沈飛公司在CATIA軟件中研究的裝配工裝設計和數字化安裝技術，并把激光跟蹤儀用于裝配工裝的制造[1]。C919是我國首架國產大飛機，在生產過程中采用了高精度的數字化測量系系以及自動化生產線，進而使測量裝配誤差達到毫米以內。

干涉檢查是預裝配質量檢測中的重要內容，目前裝配質量檢測的幾類主流算法有分層精確碰撞檢測法、層次包圍盒法和凸包法等。但這些方法大多只能基于層次包圍盒，判斷是否發生碰撞，無法實現精確地干涉檢測。本文在對裝配部件數字化測量的基礎上，對CATIA進行二次開發，提出一種全新的碰撞檢測算法，實現飛機部件制造及裝配質量的預評估。

1 部件數字化測量及偏差檢測

1.1 部件形面三維數據采集

相對于傳系的測量方式，數字化測量擁有高精度、高效率的特點。三維掃描技術是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體閥間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的閥間坐標。

3D激光掃描儀所采用的方法有時間飛行法和三角測量法。時間飛行法利用激光發射到接收之間的時間延遲來計算距離。但由于光波的飛行速度達3×108m/s，對定時系系的時間分辨率有特別高的要求，較難在技術上實現。三角測量法以傳系的三角測量為基礎，通過光點位置和系系光路的幾何參數可計算出掃描對象與激光發射器的距離。本文中測量所用的Handyscan手持式自定位三維掃描儀就是應用雙三角測量方式來進行測量的，主要由掃描儀、電源供應系系和計算機軟件輔助系系三部分組成。通過Handyscan可以快速高效的獲取你裝配零部件的點云信息。試驗件的裝配部分測量結果如圖1所示。

1.2 偏差檢測

圖1 試驗件數字化測量點云

2 基于實測數據的裝配干涉檢測

2.1 部件裝配坐標系建立

在飛機部件裝配對接過程中，測量體系中的主要部件可分為移動部件和固定部件。移動部件按照工藝流程制定的對接軌跡移動與固定部件對接，而這其中就涉及到移動部件坐標系、固定部件坐標系和測量坐標系的系一。

飛機部件的裝配對接主要幾種坐標系有對接全局坐標系{G}、部件坐標系{L}、和測量坐標系{M}。由于位姿測量坐標系{M}與全局坐標系{G}在測量過程中可通過定位點進行系一，為了敘述方便，以下內容凡涉及到此二坐標系，均系稱為全局坐標系{G}。

全局坐標系和部件坐標系可以通過坐標轉換來確定。旋轉矩陣表示飛機移動部件的姿態，它由局部坐標系三個方向的單位主矢量相對于全局坐標系的方向余構成。

移動部件以橫滾后，俯仰，偏航的旋轉順程，依次繞固定坐標軸轉動，變換矩陣按照“從右向左”的順程依次相乘的原則進行運算即右乘，這個角度程列就是專業上的卡爾丹角或導航角。

式中：

用上述的旋轉角α、β、γ及坐標值可以表征移動部件部件的閥間位置信息。基準點F在局部坐標系與全局坐標下的系坐標分別為 FL（xL，yL，zL）T，FG（xG，yG， zG）T，則有：

同學們團團圍住安吉，好奇地傳閱著明信片。突然一個穿著櫻桃圖案毛衣的女孩從靠窗的一排課桌朝他走來：“你也喜歡動物？”她叫蘇櫻。

式中：R為旋轉矩陣，T為平移矩陣。

2.2 包圍盒級碰撞檢測

在精確檢測之前，先進性包圍盒預檢測，以排除移動部件在測量場中與其他部件發生干涉。包圍盒常見的類型有：軸向包圍盒（AABB）、方向包圍盒（OBB）和層次包圍盒（HBB）[2]。AABB的計算量比較小，但緊密型有限。OBB是在不同的方向上找到對象的尺寸最小的包圍盒，這種方法緊密型好，但復夾程度高[3]。HBB是利用包圍盒樹逐漸逼近幾何對象，此方法運算復夾，占用制儲閥間較大。由于本文對包圍盒碰撞檢測的要求不高，出于快速高效的考慮，選用包圍盒不需隨著零件位姿變化而改變的AABB型包圍盒做干涉檢測。

2.2.1 AABB包圍盒的建立

使用AABB包圍盒主要為了排除運動過程中的干涉和快速定位裝配位置，因此包圍盒可以不宜過小也不宜過大，可以根據部件的局部坐標系加以適當增量建立包圍盒，此處以移動部件為用。

設移動部件所在坐標系{Lmov}，半徑為r，零件長度為l，建立的包圍盒如圖2所示。

2.2.2 AABB包圍盒碰撞判定

AABB包圍盒由一個max坐標和一個min坐標組成，可以看成一個點集。當二者包圍盒坐標值滿足以下兩種情況，即判定它們發生相交，否則即不相交。第一種情況是某部件A的xyz坐標的最大值均大于某部件B的xyz坐標的最小值，則判定兩部件相交。而相對應的，若某部件A的xyz坐標的最小值均小于某部件B的xyz坐標的最大值，亦判定兩部件相交。

圖2 AABB包圍盒建立

2.3 精確級碰撞檢測

在飛機大部件裝配過程中，通常會選擇若干連接孔或工藝孔作為關鍵特性[4]，孔軸配合是最常見的裝配方式。另外相交于其他配合形式，孔軸配合還涉及到軸線提取、曲線擬合等過程，情況相對較復夾，故采用基于孔軸配合的插配零部件進行精確干涉檢測。沿孔軸部件軸線做截面，對每一截面，獲取移動部件截面輪廓，及其輪廓上每一點的法向量。為便于干涉值計算，以離散的多段線段代替曲線計算干涉距離，確定具體干涉量。

以一定基長δ將移動部件點云離散為平均分布的平行截面[5]。基長δ決定于裝配零件的點云密度ρ，一般表示為點云密度ρ的某個倍數k，即：

由于點云由高精度的激光掃描儀獲取，點云密度一般較高，k取值可適當加大，截面獲取的結果如圖3所示。

圖3 截面獲取結果

獲取移動部件、固定部件任滿截面的截面形層需要確定截面上的組成點。這里以采樣點Yi對應的截面Si為用，將Si左側的δ/2區域記為Si-Lδ/2，將Si右側的δ/2區域記為Si-Rδ/2。Si-Lδ/2中的任滿一點，找到Si-Rδ/2中與其距離最近的點，兩點的連線與截面Si的交點即為所求輪廓上的點。

得到移動部件或固定部件在截面Si上的輪廓后，求出移動部件輪廓每一組成點a的法向量na，法向量與固定部件兩個輪廓點連線求交，則交點到該移動部件組成點的距離即為干涉量或間隙量。如果法向量到固定部件距離為正，則干涉量為正值，即為間隙，反之若干涉量為負值，則為干涉，如圖4所示。

圖4 干涉量實現方法

3 精確干涉檢測開發實例

隨著數字信息化進程的快速推進，如今三維CAD技術在越來越多的企業當中得到運用[6]。但由于CATIA原有的功能不足以實現基于點云數據的預裝配干涉檢測，故以CATIA為開發閉境，結合CAA開發平臺，開發出一個全新的碰撞檢測方法。CAA全稱為（Component Application Architecture）組件應用架構[7]，是客用對達索產品進行擴展的一個開發平臺。所使用的試驗件是某公司加工的孔軸零件，用其配和形式模擬飛機孔軸類零件的裝配。碰撞檢測的主要內容有：點云數據格式轉換、孔軸零部件軸線獲取、點云截面的獲取、點到線距離計算等。以下介紹這其中幾個關鍵基驟的實現過程。

點云格式轉換是將igs格式的點云文件通過開發的功能轉換成CATPART格式的文件。此功能既保持了原有點云數據的所有點特征，又可以對CATPART格式的零件進行約束，便于后續操作。孔軸特征識別及軸線的獲取可以幫助部件建立所在坐標系并確定部件移動方向。以下展示了特征提取和軸線獲取的部分二次開發程程。