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西南交通大学
毕业设计（论文）
论文题目：
飞机数控件检验数模及数
据库的建立与应用
年级:
机械设计制造及自动化
学号:
姓名:
彭莹平
专业:
机械设计制造及自动化
指导老师:
杜春林
二零一零年八月
摘要
本课题是为了有效控制飞机数控加工零件和飞机数控加工工装的质量，通过建立有序的检测点和法矢，建立可重复使用的检测数据库，实现检测数据的共享；建立专用数控检测数据库，制定了数字化检测规范，实现数据统一发放、更改、追溯的管理与控制；提高三坐标测量机的工作效率。
打通飞机零件从产品设计、制造到检测的数字化生产流程,优化检测路径从而提高工作效率，确保零件的质量而自主开展的研究项目。
关键词：
数据检测；检测点；CATIA；数模；法矢
目录
摘要……………………………………………………………………………………1
Abstract……………………………………………………………………………….1
第1章项目概述………………………………………………………………………1
1.1项目背景……………………………………………………………………1
1.2项目目标及研究内容………………………………………………………..2
1.2.1项目目标…………………………………………………………………2
1.2.2主要研究内容………………………………………………………....3
第2章技术方案和途径与关键技术………………………………….………………4
2.1系统体系结构…………………………………………………………………4
2.2各子项目的技术方案和技术途径与关键技术………………………………5
2.2.1测量数据设计规范的建立……………………………………………….5
2.2.2测量数据集自动计算与生成功能………………………………………..5
2.2.3机身数据移植………………………………………………………….10
2.2.4机身外形曲面拟合……………………………………………………….10
2.2.5建立专用的数控零件检测数据库……………………………………….10
第3章技术成果及创新……………………………………………………………………11
3.1技术成果………………………………………………………………………11
3.2技术创新点……………………………………………………………………12
结论……………………………………………………………………………16
致谢……………………………………………………………………………16
参考文献………………………………………………………………………17
引言
现代经济发展表明,市场经济是产品竞争的经济,这种竞争归根到底就是质量与科技的竞争。
美国康涅狄格州米德尔顿的普惠公司是大型商用喷气飞机制造商，它是在机检测技术（OMI）在喷气发动机零件加工领域的早期采用者。
早在1990年，普惠就成立了由各部门人员组成的小组来发展和贯彻质量控制与自动工件检测战略。
随着我国飞机设计制造以及小批量，批量生产的需要，CAD/CAM技术迅速发展，飞机零件、工装大量采用数控机加技术，而作为控制其质量的计算机辅助检测技术发展却相对滞后，测量效率低下，无法满足飞机制造的要求以及军方高质量的军检要求。
鉴于上述情况，针对飞机数控零件的特点提出并开展了数控件检验数模及数据软件系统转换和管理的研究。
第1章项目概述
目前，全公司所有的数控机加零件和机加工装的加工质量全部都通过上测量机（CMM）来验证。
提供测量数据的工作量相当大。
现在公司所承担的飞机研制任务中，产品定义已全部实现数字化，产品的制造正处于快速向数字化转变的过程中，产品的检验对于机加零件和机加工装已实现数字化检测。
1.1项目背景
作为高端CAD/CAM/CAE软件，作为一个完全集成化的通用CAD/CAM系统，CATIA已在飞机的研制、转包生产的产品设计、分析及零件数控加工中得到了广泛和深入的应用，取得了突出的经济和社会效益，但直接将该系统作为零件检测技术的设计手段，其工作效率低，主要原因有：
1）需要通过多项功能转换，才能完成零件几何特征的数据收集和提取计算；2）不能智能完成符合零件测量要求的计算功能；3）不具备有全面、专业规则的专家知识库。
因此，需要针对数控零件测量数据检测及其专业设计特点，对其进行专业性开发，使之具备一定程度的数据计算的智能化功能。
1.2项目目标及研究内容
1.2.1项目目标
项目的研制总体目标，包括：
1）改变原有系统因功能局限而不能有效控制零件几何特征，从而影响检测点的合理布置，造成零件质量失控等问题。
2）由于计算机技术发展，公司的IESP系统停用，迫切需要实现飞机外形数模从IESP系统向CATIA系统的移植，确保数据的准确性。
3）制定测量数据设计的企业规范，为正确实施零件检测活动提供技术指导。
4）建立军机测量数据库，实现检测数据的共享。
5）基于CATIA系统建立具有专业特色的零件检测数据快速计算能力。
项目的研制具体目标，包括：
1）充分应用我们在计算机辅助检测专家技术等方面的研究成果，其中包括基于CMM（三坐标测量机）三维检测的专家知识及其专家知识的表示与处理技术的研究，复杂曲面的识别及提取技术的研究等；
2）充分运用CATIA系统所提供的强大功能（如曲线曲面造型、实体造型、工程分析等）进行数字化检测模型的几何特征定义以及分析验证等；
3）根据数控零件的特点，应用CATIA系统的二次开发工具CAA、VC++语言等，开发测量数据集自动提取与生成功能，其中包括检测专家设计知识处理和智能化设计程序等；
4）利用CATIA系统的接口程序，实现数据从IESP系统到CATIA系统的移植。
包括由IESP系统通过转换接口获得的问题，由于接口程序不完善，操作复杂，所以提供的数据仅局限于理论外形，且相关几何特征部位如筋位、孔位等均未涉及测量。
因此，需解决原有的外形检测数据布点太少，型面不能有效控制等问题。
5）打通飞机零件从产品设计、制造到检测的数字化生产流程，提高三坐标测量机的检测效率。
1.2.2主要研究内容
本项目的具体研制内容，包括：
1．飞机数控件测量数据设计规范的建立
合理地制定数据设计专业技术规范，是正确实施零件检测的前提，其准确性、一致性严重影响对零件检测活动的实施。
结合实践经验，制定了一套科学、完整的军机计算机辅助检测规范。
2．飞机数控件测量数据集自动计算与生成功能
根据数控零件的特点，应用CATIA系统的二次开发工具CAA、VC++语言等，开发测量数据集自动计算与生成功能，其中包括：
1）飞机数控件检测模型的建立
2）测量点数据集生成
3）特殊部位测量点自动布局
3．飞机机身数据移植
IESP系统中的飞机数据为线架结构，需要通过接口程序将数据移植入CATIA系统。
主要包括：
1）利用CATIA系统的接口程序，实现数据从IESP系统到CATIA系统的移植。
2）解决原系统提供检测数据仅局限于飞机理论外形，其它相关几何特征部位如筋位、孔位等均不能进行控制的问题。
4．飞机机身外形曲面拟合
基于CATIA系统平台，采用线架数据的曲面拟合技术，实现飞机机身外形数据的拟合，分析并验证了其几何信息的正确性。
5．建立专用的数控零件检测数据库
在局域网络上实现了飞机产品零件以及工装检测数据的安全发放、更改、追溯的管理与控制，实现数据信息的共享。
第2章技术方案和途径与关键技术
2.1系统体系结构
图1系统体系结构图
通过对现有数控零件（或工装）三维数字化检测的实际需求，结合CATIAV5系统平台基本功能，拟将基于CATIAV5的数控件检验数模及数据软件系统转换和管理系统分为三大功能模块（如上图2.1所示），整个系统包括测量点数据集生成、特殊部位测量点分布、IESP数据向CATIA系统移植等模块。
2.2各子项目的技术方案和技术途径与关键技术
2.2.1测量数据设计规范的建立
如何检测零件是实施各种质量保证技术的前提，建立技术规范的目的是能根据不同零件（或工装）的特点，构建技术规则来制定提取检测数据、建立最优测量路径的策略，提高检测方法的自动化与智能化程度。
结合实践经验，我们制定了一套完整的军机计算机辅助检测规范。
我们目前提供的CMM检测数据主要是针对机加零件和机加工装，一般加工量大，多是单件生产，测量的部位多，时间长，一般都是单件测量。
工作流程如下图：
接收数据信息申请单
消化零件、工装图纸
生成检验模型
抽取点阵数据
生成点位图、测量数据点位报告
发放数据、填入数据发放单
发放数据装入服务器
测量机读入数据并添加公差范围
测量并生成测量报告
2.2.2测量数据集自动计算与生成功能
2.2.2.1检测模型的建立
基于特征的检测信息模型主要是为描述产品检测信息而建立的，主要包括几何尺寸、形位公差等信息。
如何利用检测信息模型实现检测特征的提取与识别、完成检测点的自动分布是实现检测规划的自动化和智能化的先决条件和难点。
从设计信息中提取与检测有关的数据是检测模型建立的开始，也是检测路线制定的关键。
检测信息的提取与CAD系统采用的建模技术密切相关，我们应用数字化三维建模技术，通过人机交互方式给指定的几何特征赋予检测、技术要求等信息。
这些信息以三维可视化形式存放在模型中，以支撑后续的加工信息、检测信息的提取。
检测模型不仅描述了几何建模中必须要描述的几何信息、而且还描述了几何建模时所不包含的高层次几何、拓扑信息（指形面特征的结构）和表达产品设计、工艺、检测、装配工艺技术要求的信息。
下图为飞机某机加框的检验模型。
图2飞机某机加框的检验模型
图3测量点数据集生成流程图
2.2.2.2数控件测量点数据集生成
应用CATIA系统的二次开发工具CAA、VC++语言等，开发测量数据集自动提取与生成功能。
测量点数据集的生成其中包括数据点坐标的提取、法矢提取、坐标转换以及生成CATDrawing格式的测量点分布图等。
该模块实现的程序流程图如图3所示，其功能是基于CATIAV5环境，实现测量数据集的生成。
测量点数据集的生成是根据数控零件的几何特征、尺寸以及公差信息，然后按照曲面曲率规则、分布规则等以交互式方式对分布点进行相应布置处理再以程序的方式在系统表现出来，通过开发程序读取特定的数据集来得到测量点的坐标并计算相应的法矢，然后以文档形式输出点的坐标和法矢。
不同的零件有不同的读取和计算点的方法，在获取点的坐标时，对曲面或实体的位置须进行相应的判断，然后再计算其对应的正确的法矢，输出的文档将以公司规范的格式给出。
对零件特征分布测量点时，还需考虑到曲面的曲率，设置合理可行的曲面最小曲率范围；在规则指定过程中还要利用这个制定规则来对曲面进行网格化划分，这样可以有效合理地判断和布置测量点，从而得到相应实用的测量数据点及法矢。
图4在CATIA系统中集成的功能
图5飞机某机机加框的测量点分布图
图6飞机某机机加框的测量数据点位报告
2.2.2.3特殊部位测量点自动布局
零件特殊部位点分布模块包括特征识别、特征识别明细表的建立、特殊类型数据文档的建立。
对于如筋位、筋顶、通透、异形孔等，它们的特点与曲面不同，所以要对这些特殊的点进行识别判断，通过建立相应的知识库，进行匹配、相似度的计算等，建立相应的明细表，通过明细表能自动形成相应的分布数据集，最好生成相对应特殊部位的点和法矢的数据文档。
图7特殊部位测量点自动布局选项窗口
2.2.3机身数据移植
IESP系统中的型号数据为线架结构，需要通过接口程序将数据移植入CATIA系统。
主要包括：
1）利用CATIA系统的接口程序，实现数据从IESP系统到CATIA系统的移植。
2）解决原系统提供检测数据仅局限于飞机理论外形，其它相关几何特征部位如筋位、孔位等均不能进行控制的问题。
2.2.4机身外形曲面拟合
基于CATIA系统平台，采用线架数据的曲面拟合技术，实现飞机机身外形数据的拟合，分析并验证了其几何信息的正确性。
2.2.5建立专用的数控零件检测数据库
利用网络技术，实现数字信息传递，确保CAI数据集在不同的计算机系统中处理时的数据交换的完整性和安全性。
通过CAI与CAD/CAM的系统集成，有效的将检测结果反馈到CAD/CAM系统中，及时发现和改正设计和加工中的错误，降低产品报废率，切实达到产品质量控制的目的。
图8飞机专用数控检测数据库
第3章技术成果及创新
3.1技术成果
该项目基于CATIA系统，建立了飞机数控件检验数模及数据软件系统的转换与管理，在飞机定型生产中发挥了极其重要的作用，保证了所有数控零件的加工精度，有效的控制了产品质量，满足了飞机设计定型以及军方高质量的军检要求。
随着此项目的完成，本项目的成果已广泛的应用于军机其它机型零件的加工，对所有军机的数控件（数控零件和工装）的加工质量进行了非常有效的控制。
数据库的开发应用也能到了相关单位的好评，通过网络实现了检测信息的共享。
数据信息的全过程跟踪、更改管理，以及高效的查询功能，大大提高了公司军机数控零件和工装的加工效率和质量。
通过CAI与CAD/CAM的系统集成，有效的将检测结果反馈到CAD/CAM系统中，及时发现和改正设计和加工中的错误，大大降低产品报废率，切实达到产品质量控制的目的。
经核算，到目前为止，应用本课题成果提供的飞机定型数控加工零件共计300余项，测量数据报告大约800余份，若按8000小时/年，可节省人工费30元/小时，节省测量机工作时间300元/小时，每年可为节约费用264万元。
数控加工单位在使用该检验数据库时，认为该检验数据库使用方便，且便于数据查找，对所有军机的数控件加工后的检验依据具备很强的可追溯性，并在所有军机生产中产生了显著的效益。
本课题的开展也积累和储备了一些实际工作经验和第一手数据，为今后更好的进行计算机辅助检测活动储备了一些宝贵的资料。
3.2技术创新点
本项目研制过程中遇到的主要技术创新点，有：
1）创新地提出了飞机零件、工装检测数据的自动提取技术，实现了测量点以及法向矢量的自动提取，优化检测路径从而提高工作效率的新思路。
2）建立了型号专用数控检测数据数据库，制定了军机数控件数字化检测规范（Q/3AL1.11-2004），实现数据统一发放、更改、追溯的管理与控制。
3）采用了线架数据的曲面拟合技术，实现了IESP系统外形数据向CATIA系统的移植和从检测依据提供到数控件测量全过程的全数字化。
4）基于网络平台上，实现了数字信息传递，达到信息共享的目的，确保了CAI数据集在不同计算机系统中数据处理交换的完整性和安全性。
完成本项目研制过程中突破的关键技术，有：
1）飞机数控件测量数据设计规范的建立；
2）自动生成了零件（或工装）测量数据集，实现测量点自动分布和测量坐标值及法向矢量的自动提取，并按给定格式输出零件（或工装）的检测报表和点位图的程序。
3）采用线架数据的曲面拟合技术，实现IESP系统外形数据向CATIA系统的移植，分析并验证了其几何信息的正确性；
建立专用的数控零件检测数据库，在局域网络上实现了飞机产品零件（或工装）检测数据的安全发放、更改、追溯的管理与控制。
结论
本课题圆满完成了课题任务书规定的目标和任务并在实际应用中取得了明显的效益。
项目成果已广泛的应用于军机各机型零件的数控加工中，并为数控加工零件和工装的质量控制中发挥着重要的作用，具有很好的经济价值和应用前景，
目前我们在CAI（ComputerAidedInspection，计算机辅助检测）应用方面已经具有一定的经验，大量机加零件（或工装）已经通过CMM来验证其加工的质量。
但由于测量数据的提取和测量过程的完全脱离，在联机测量时常常发生测量点分布不合理导致测量停顿、测量运行时间超长;或在CATIA软件中几何公差数据表达方式的不同，产品设计环节中已定义好的公差信息无法直接被检测环节利用；或零件检测状态配置不确定；或者由于编程工艺方案的改变，引起测量方案的变动等等情况。
这些都会带来许多不必要的测量返工，造成时间、人力、物力和财力的浪费，严重影响了生产。
实现测量数字化仿真，实现测量点的合理化分布，减少人为因素的干扰，优化测量路径，减少联机测量时的错误，将大大提高联机测量效率。
致谢
感谢成飞技术装备设计所数据组
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感谢成飞数控厂为数据检测问题提供帮助
感谢成飞图书馆提供相关技术资料
感谢成飞标准化室提供标准化框架
感谢本论文指导老师们的精心帮助
感谢为本论文提供帮助的单位和个人
参考文献
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