专利名称：飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法
技术领域：
本发明涉及飞机复杂构件数控加工工装定位器的一种自动设计方法，用于飞机复杂构件数控加工工装CAD系统设计与开发，属于飞机制造工装智能设计技术领域。
背景技术：
在飞机制造领域，定位器用于保证所定位的工件处于正确、可靠的位置以及各部件的互换和对接接头的协调等。随着我国飞机制造业水平的大幅提升，整体壁板和隔框等复杂构件在现代飞机结构中的应用，使飞机数控加工工装结构也发生了相应的变化。定位器因其定位准确、节省空间、方便美观等优点，在设计和生产中越来越多地被采用，已成为飞机制造工装中主要的定位元件，因而其设计将成为影响工装的研制效率和周期的关键因素之一。在工装CAD系统中，定位器的一般设计过程包括数据准备、零件造型和装配建模等三个阶段。由于定位器结构复杂、形式多样等原因，整个设计过程繁琐，而且在数据准备中存在人为的计算失误，导致最终的设计结果出现结构尺寸不协调、定位器与产品或者工艺接头间的定位关系不准确等问题。实现定位器的自动设计，可以进一步简化工装设计过程并提高工装设计效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在专业三维CAD系统或是能够移植并嵌入通用三维CAD系统的飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，从而实现飞机复杂构件数控加工工装定位器自动化智能化快速设计，进一步简化工装设计过程，提高工装设计效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的一种飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，其特征在于将定位器自动设计分为工作件自动设计、标准定位器自动选取和定位器参数自动建模三部分； 所述的工作件自动设计包括头部设计、基体设计和工作件组装等，其中头部设计包括确定头部的形状类型及计算头部的坐标系和形状参数；基体设计包括确定基体的形状及计算基体的坐标系和形状参数；工作件组装包括计算工作件的坐标系、装配头部和基体以及建立工作件的参数模型；所述的标准定位器自动选取确定标准件的类型和规格； 所述的定位器参数自动建模包括计算定位器的坐标系，按照工作件与标准定位器之间的装配关系，生成完整的定位器参数模型。
所述的定位器结构模型为 <定位器>::＝(<坐标系>，<标准定位器>，<工作件>) <标准定位器>::＝(<坐标系>，<航标>，<规格>，<主尺寸>{，<主尺 寸>}) <工作件>::＝(<坐标系>，<基>，<头>) <基>::＝(<局部坐标系>，<基类型>，<长度>，<宽度/直径>，<厚度 >，<孔径>， <孔深度>，<导孔径>，<导孔深度>，<导孔距>) <基类型>::＝<柱>|<块> <头>::＝(<坐标系>，<耳>{，<耳>})<耳类型>::＝<柱形耳>|<弧形耳>|<方形耳>|<扇形耳>。
所述的头部设计分为头选型、耳参数计算和耳选型三种过程；通过头型推理依据来确定头的类型；通过耳参数计算来确定耳形状的定义参数，并根据参数的取值，来判断耳的形状类型；通过耳选型来确定耳的类型为柱形、弧形、方形或者扇形；所述的基设计包括基选型及其参数计算，来确定基的类型是柱形还是块形，通过基与耳、标准定位器以及产品接头间的直接和间接几何关联，来计算基的具体参数。
所述的标准定位器自动选取流程如下 (1)计算标准定位器的可定位域 计算过程为 ①根据产品接头位置和方向，确定定位器工作面； ②应用工作面计算支撑元件的截面和截面尺寸； ③根据支撑元件截面尺寸，计算各类型中所有规格定位器的单域； ④根据支撑元件截面位置及可定位域定义系的设定，计算可定位域定义系在工装设计坐标系中的位置和坐标轴方向。
(2)计算产品接头位置 计算过程为 ①根据复杂构件设计坐标系在工装设计空间内方位，计算产品接头在工装设计坐标系中的位置； ②根据产品接头在工装空间中的位置，计算其在可定位域定义系中的位置坐标； 其中整个计算过程涉及三个坐标系复杂构件设计坐标系OdXdYdZd、可定位域定义系OlXlYlZl和工装设计坐标系OfXfYfZf，前两者均定义在工装设计坐标系中。
所述的计算产品接头在工装设计坐标系的位置方法为设所述的计算产品接头在复杂构件设计坐标系OdXdYdZd中的位置为P(xd，yd，zd)，那么P在工装设计系OfXfYfZf中为位置中(xf，yf，zf)为 其中，
为工装设计坐标系原点Of至P点的矢量，
与
分别为工装设计坐标系方向矢量； 所述的产品接头在可定位域定义系中位置坐标的计算方法为 P在可定位域定义系OlXlYlZl中的位置(xlj，ylj，zlj)为 式中，
为定义系原点至P点的矢量，
与
分别为定义系方向矢量。
(3)确定候选定位器根据候选定位器选择依据选择满足条件的定位器。
将步骤(2)求得的产品接头在可定位域定义系中的位置坐标(xlj，ylj)代入到如下所示的可定位域计算公式，如果满足条件，则该定位器为可供选用的定位器。
其中，(xl，yl)为产品接头在定义系中的位置，(ll，wl)为可定位域分别沿Xl和Yl方向的大小。
(4)优选定位器若候选定位器不是唯一，则需要根据优选规则从中选择一个作为最优先使用的定位器。
所述的优选规则为 ①形状匹配原则，即若工作头的基础形状为块状，优先选择双导杆标准定位器；否则，亦即工作头的基础形状为柱体，选择单导杆定位器； ②最小规格原则若同一类型定位器中同时有多个适用的规格，则优先选择其中的最小规格。
所述的可定位域是在定位器工作面内利用现有可供选择的定位器可以定位的产品接头的位置区域，按标准定位器的类型和规格，将其分为单域、类域和全域；对于某类定位器，用于定义其类域的属性序列称为这类定位器的属性空间；定位器的属性空间中各个属性取值或取值范围的集合，称为该类定位器的参数值空间；属性空间和参数值空间的组合称为该类定位器的参数空间，在支撑面内，定位器位置可能的分布区域称为位置域。
可定位域的表示可定位域通过数据定义来进行表示，包括内部数据定义和外部数据定义，可定位域内部数据定义包括定位器的类型、规格系列、参数空间、类域算子、位置域算子和单域地址等元素；外部数据格式以文件形式存储，包括了定位器类型、规格、参数、定位与位置等项，其中文件可看成是“段”的集合，而“段”的核心是定位器类域和位置域的定义， 所述的标准定位器的内部数据定义为 可定位域＝(类型，规格系列，参数空间(A空间，V空间)，类域算子，位置域算子，单域地址) 所述的标准定位器外部数据定义为 <文件>::＝<段>{<段>} <段>::＝SEGMENT<序号> {TYPE<类型> SIZE<规格>{，<规格>} PARAMETERS<参数名>{，<参数名>} VALUES<参数值11>，<参数值12>，…，<参数值1n><参数值21>，<参数值22>，…，<参数值2n> ... <参数值m1>，<参数值m2>，…，<参数值mn> LOCATION<x1计算函数>，<y1计算函数>，<l1计算函数>，<w1计算函数> POSITION<xs1计算函数>，<ys1计算函数>，<ls1计算函数>，<ws1计算函数> }。
本发明的有益效果本发明提供的飞机复杂构件数控加工标准定位器自动选取方法能够应用于“飞机复杂构件快速数控加工准备(PrtRMP)系统”中“工装快速生成子系统”标准定位器自动选取程序的开发。此模块能够应用于多个航空型号飞机复杂构件数控加工工装的设计，提高了工装设计效率、缩短工装研制乃至整个生产准备周期，取得了良好的应用效益。应用该方法可以简化定位器的设计过程，实现定位器自动化快速设计，提高工装设计效率和质量，从而缩短飞机装配研制周期。
图1为定位器自动设计总流程图； 图2为定位器自动设计实施流程图； 图3为定位器与工作件结构，其中(a)为定位器，(b)为工作件；1为工作件，2为标准定位器HB595，3为基部，4为头部，5为耳； 图4为头型推理依据，其中，6与10为产品接头，7与11为定位孔，8与12为支撑面，9与13为骨架； 图5为耳类型及其参数化定义，其中(a)为柱型，(b)为弧形，(c)为方型，(d)为扇型； 图6为基类型及其参数化定义，其中(a)为柱型，(b)为块形； 图7为标准定位器的自动选取流程图； 图8为接头定位器的可定位域示意图； 其中A与B之间的宽度为零的矩形区域为可定位域，14为支撑面，15为支持元件； 图9为产品接头位置计算用坐标变换。
图10为应用本发明提供的方法开发的CAD软件所设计的定位器实例，其中16为产品接头，17～19为定位面，20为工作头，21为标准定位器，22为支撑面，23为骨架。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，本实施例是在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的实现过程，但是本发明的保护范围不限于下述实施实例。
图1所示为定位器自动设计流程、图2所示为定位器自动设计实施流程图；本发明飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法主要由工作件自动设计、标准定位器自动选取、以及定位器参数模型生成等部分组成。
具体实施步骤如下 步骤1)工作件自动设计(S1) 工作件自动设计流程参见图2，定位器与工作件结构见图3。指定产品装配件中待固定的接头，然后指定骨架上用于支撑定位器的平面，系统自动完成头部设计、基体设计、工作件模型建立等过程生成工作件三维模型。
第1步头类型确定 图4为头型推理依据，相应的规则为 设yj和ns分别为定位孔的轴线方向与定位器支撑面的法矢，且均为单位矢量，这两个参数均为空间参数，并构成头部类型推理依据X，为X＝(yj，ns)。
规则一若|yj·ns|＜ε，其ε为零域尺度，则头部为一个“柱形”耳；否则，即||yj·ns|-1|＜ε，头部由一个或多个非“柱形”耳构成。
规则二设头部由一个或多个非“柱形”耳构成，并令其中的个数为m，若产品接头上需要支撑定位的面数为n，则m＝n。
若，其ε为零域尺度，则头部为一个“柱形”耳；否则，即，头部由一个或多个非“柱形”耳构成。
第2步轴坐标系及参数计算 各单元，包括耳、头部、基体、工作件、标准件和定位器的空间方位统一用局部坐标系定义和表示。
第3步头部设计 图5为耳类型及其参数化定义；具体步骤包括 (1)耳坐标系计算 基于一个统一的局部坐标系。
(2)耳参数计算 耳的参数定义为(de，be，te，le1，le，le2，lb1)，其计算公式为 备注 dj为产品或工艺接头上定位孔的直径，Ds为标准定位器螺杆或齿条直径，ee1(de)、ee2(be)和ee3(le)分别为耳的厚度和长度及孔边距的计算经验公式，pj1和pj2为产品或工艺接头上两定位孔的位置。
(3)耳类型确定 基于下面的规则来确定耳类型 规则一若n＝1，则耳为弧型；否则，即n＝2，耳为方形或者扇形。
规则二若n＝2且，其中be、be1、le1见耳类型及参数化定义，则为扇形，否则，耳为方型。
其中n为产品或工艺接头上定位孔的个数。
第4步工作件坐标系计算 基于一个统一的局部坐标系进行工作件坐标系计算。
第5步基体设计 图6为基类型及其参数化定义。其具体设计步骤分为 (1)基体类型选择 根据下面规则来现则基类型若ne＝1，则基体为柱形；否则，基体为块型。其中，ne为耳的个数 (2)基体参数计算 备注 Be和te见图5，ls和ds为标准定位器中螺杆连接头的直径和长度，eb1、eb2(lb1)和eb3为长度余量及计算经验等，djj为产品或工艺接头上两定位面间的距离，dss为标准定位器上两导杆间的距离； (3)导孔参数计算 第6步工作件模型建立 对头部和基体进行拼合运算，使之形成单一的实体模型。
步骤2)标准件定位器自动选取(S2) 在工作件设计时需要调用该程序，同时，确定并调用符合条件的标准定位器。
图7所示为标准定位器自动选取流程，包括标准定位器可定位域计算、产品接头位置计算、候选定位器选择、定位器优选等。具体实施步骤如下 步骤1)计算标准定位器可定位域(B1) 图8所示为接头定位器可定位域。可以表示为Bt[x1，y1，l1，w1]，其中(x1，y1)为产品接头在定义系OlXlYl中的位置，(l1，w1)为可定位域分别沿Xl和Yl方向的大小； 第1步根据产品接头和位置和方向以及支撑元件有关条件，通过人工确定定位器工作面； 第2步应用工作面计算支撑元件的截面和截面尺寸(a，b)。其计算方法为(下面以标准导杆定位器HB595为例来说明，该型定位器根据导杆伸缩长度L值300与500分为两种规格，分别表示为300HB595与500HB596，该定位器的定位域见图8所示。) 计算可定位域HB595的可定位域为BHB595[x1，y1，l1，w1]＝AHB595(L，(a，b))，其中AHB595为HB595的可定位计算算子，为 式中，L的意义见前述；(a，b)为支撑元件的界面尺寸。
确定定位器的参数空间HB595的参数空间L为LHB595＝{(L)，{(300)，(500)}} 计算位置域HB595的位置域DHB595表示为 DHB595[xsl，ysl，lsl，wsl]＝CHB595((a，b)) 第3步根据支撑元件截面尺寸，计算各类型中所有规格定位器的单域。HB595的单域为BHB595[x1，y1，l1，w1]＝AHB595(300，(a，b)) 根据前面步骤(1)-(3)计算以及标准定位的外部数据定义，可以定义HB595的外部数据如下 {TYPEHB595 SIZEA300，A500，B300，B500 PARAMETERSL VALUES300，500，300，500 LOCATION100+a/2，115-(b-130)/2，0，L+(b-130) POSITIONa/2，-(b-130)/2，0，b-130 } 第4步根据支撑元件截面位置及可定位域定义系的设定，计算可定位域定义系在工装设计坐标系中的位置和坐标轴方向。其中，定义系为直角坐标系OlXlYl，其中，原点Ol一般取支撑元件在工作面内截面的形心，Xl轴同向平行于定位器支撑面的法矢方向，Yl轴指向产品接头方向(见图8)。
步骤2)产品接头位置计算(B2) 图9为产品接头位置计算用坐标变换。产品接头位置的计算过程为 第1步根据复杂构件设计坐标系在工装设计空间内方位，计算产品接头在工装设计系中的位置； 第2步根据产品接头在工装空间中的位置，计算其在可定位域定义系中的位置坐标。即 已知条件为复杂构件设计坐标系OdXdYdZd和可定位域定义系OlXlYlZl在工装设计坐标系OfXfYfZf中的位置和方向，以及产品接头在在OdXdYdZd中的位置P(xd，yd，zd)。根据计算，可得P在OlXlYlZl的位置(xlj，ylj，zlj)为 步骤3)候选定位器选择(B3) 根据给定的候选定位器候选条件，从标准件库中确定满足条件的定位器，其选择依据为 对于某标准定位器，t为其类型、s为规格，Bt[xl，yl，ll，wl] 为可定位域定义系中单域，若产品接头位置(xlj，ylj)满足下式， 则该定位器为可供选用的定位器。
步骤4)定位器优选(B4) 若定位器不唯一，需要根据优选原则从中选择最优先使用的定位器。定位器优选原则如下 (1)形状匹配原则，即若工作头的基础形状为块状，优先选择双导杆标准定位器；否则，亦即工作头的基础形状为柱体，选择单导杆定位器。
(2)最小规格原则。若同一类型定位器中同时有多个适用的规格，则优先选择其中的最小规格。
经过上述步骤，通过人工选择产品接头和定位器支撑面作为初始条件，可以自动选择满足定位条件的标准定位器。
步骤3)定位器参数模型生成(S3) 建立工作件与标准定位器之间的装配关系，生成完整的定位器参数化模型。
其中应用本实施例上述方法步骤在开发的CAD软件所设计的定位器如图10所示，其中20为工作头，21为标准导杆定位器，是自动选取。
权利要求
1.一种飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，其特征在于将定位器自动设计分为工作件自动设计、标准定位器自动选取和定位器参数自动建模三部分；
所述的工作件自动设计包括头部设计、基体设计和工作件组装等，其中头部设计包括确定头部的形状类型及计算头部的坐标系和形状参数；基体设计包括确定基体的形状及计算基体的坐标系和形状参数；工作件组装包括计算工作件的坐标系、装配头部和基体以及建立工作件的参数模型；所述的标准定位器自动选取确定标准件的类型和规格；
所述的定位器参数自动建模包括计算定位器的坐标系，按照工作件与标准定位器之间的装配关系，生成完整的定位器参数模型。
2.根据权利要求1所述的飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，其特征在于所述的定位器结构模型为
<定位器>::＝(<坐标系>，<标准定位器>，<工作件>)
<标准定位器>::＝(<坐标系>，<航标>，<规格>，<主尺寸>{，<主尺
寸>})
<工作件>::＝(<坐标系>，<基>，<头>)
<基>::＝(<局部坐标系>，<基类型>，<长度>，<宽度/直径>，<厚度
>，<孔径>，
<孔深度>，<导孔径>，<导孔深度>，<导孔距>)
<基类型>::＝<柱>|<块>
<头>::＝(<坐标系>，<耳>{，<耳>})
<耳类型>::＝<柱形耳>|<弧形耳>|<方形耳>|<扇形耳>。
3.根据权利要求1所述的飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，其特征在于所述的头部设计分为头选型、耳参数计算和耳选型三种过程；通过头型推理依据来确定头的类型；通过耳参数计算来确定耳形状的定义参数，并根据参数的取值，来判断耳的形状类型；通过耳选型来确定耳的类型为柱形、弧形、方形或者扇形；所述的基设计包括基选型及其参数计算，来确定基的类型是柱形还是块形，通过基与耳、标准定位器以及产品接头间的直接和间接几何关联，来计算基的具体参数。
4.根据权利要求1所述的飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，其特征在于所述的标准定位器自动选取流程如下
(1)计算标准定位器的可定位域
计算过程为
①根据产品接头位置和方向，确定定位器工作面；
②应用工作面计算支撑元件的截面和截面尺寸；
③根据支撑元件截面尺寸，计算各类型中所有规格定位器的单域；
④根据支撑元件截面位置及可定位域定义系的设定，计算可定位域定义系在工装设计坐标系中的位置和坐标轴方向；
(2)计算产品接头位置
计算过程为
①根据复杂构件设计坐标系在工装设计空间内方位，计算产品接头在工装设计坐标系中的位置；
②根据产品接头在工装空间中的位置，计算其在可定位域定义系中的位置坐标；
其中整个计算过程涉及三个坐标系复杂构件设计坐标系OdXdYdZd、可定位域定义系OlXlYlZl和工装设计坐标系OfXfYfZf，前两者均定义在工装设计坐标系中；
所述的计算产品接头在工装设计坐标系的位置方法为设所述的计算产品接头在复杂构件设计坐标系OdXdYdZd中的位置为P(xd，yd，zd)，那么P在工装设计系OfXfYfZf中为位置中(xf，yf，zf)为
其中，
为工装设计坐标系原点Of至P点的矢量，
与
分别为工装设计坐标系方向矢量；
所述的产品接头在可定位域定义系中位置坐标的计算方法为
P在可定位域定义系OlXlYlZl中的位置(xlj，ylj，zlj)为
式中，
为定义系原点至P点的矢量，
与
分别为定义系方向矢量；
(3)确定候选定位器根据候选定位器选择依据选择满足条件的定位器；
将步骤(2)求得的产品接头在可定位域定义系中的位置坐标(xlj，ylj)代入到如下所示的可定位域计算公式，如果满足条件，则该定位器为可供选用的定位器；
其中，(xl，yl)为产品接头在定义系中的位置，(ll，wl)为可定位域分别沿Xl和Yl方向的大小；
(4)优选定位器若候选定位器不是唯一，则需要根据优选规则从中选择一个作为最优先使用的定位器；
所述的优选规则为
①形状匹配原则，即若工作头的基础形状为块状，优先选择双导杆标准定位器；否则，亦即工作头的基础形状为柱体，选择单导杆定位器；
②最小规格原则若同一类型定位器中同时有多个适用的规格，则优先选择其中的最小规格。
5.根据权利要求4所述的飞机复杂构件数控加工工装标准定位器自动设计方法，其特征在于所述的可定位域是在定位器工作面内利用现有可供选择的定位器可以定位的产品接头的位置区域，按标准定位器的类型和规格，将其分为单域、类域和全域；对于某类定位器，用于定义其类域的属性序列称为这类定位器的属性空间；定位器的属性空间中各个属性取值或取值范围的集合，称为该类定位器的参数值空间；属性空间和参数值空间的组合称为该类定位器的参数空间，在支撑面内，定位器位置可能的分布区域称为位置域；
可定位域的表示可定位域通过数据定义来进行表示，包括内部数据定义和外部数据定义，可定位域内部数据定义包括定位器的类型、规格系列、参数空间、类域算子、位置域算子和单域地址等元素；外部数据格式以文件形式存储，包括了定位器类型、规格、参数、定位与位置等项，其中文件可看成是“段”的集合，而“段”的核心是定位器类域和位置域的定义，
所述的标准定位器的内部数据定义为
可定位域＝(类型，规格系列，参数空间(A空间，V空间)，类域算子，位置域算子，单域地址)
所述的标准定位器外部数据定义为
<文件>::＝<段>{<段>}
<段>::＝SEGMENT<序号>
{TYPE<类型>
SIZE<规格>{，<规格>}
PARAMETERS<参数名>{，<参数名>}
VALUES<参数值11>，<参数值12>，…，<参数值1n>
<参数值21>，<参数值22>，…，<参数值2n>
…
<参数值m1>，<参数值m2>，…，<参数值mn>
LOCATION
<x1计算函数>，<y1计算函数>，
<l1计算函数>，<w1计算函数>
POSITION
<xs1计算函数>，<ys1计算函数>，
<ls1计算函数>，<ws1计算函数>
}。
全文摘要
飞机复杂构件数控加工工装定位器自动设计方法，将定位器自动设计分为工作件自动设计、标准定位器自动选取和定位器参数自动建模三部分。本发明提供的飞机复杂构件数控加工标准定位器自动选取方法能够应用于“飞机复杂构件快速数控加工准备(PrtRMP)系统”中“工装快速生成子系统”标准定位器自动选取程序的开发。此模块能够应用于多个航空型号飞机复杂构件数控加工工装的设计，提高了工装设计效率、缩短工装研制乃至整个生产准备周期，取得了良好的应用效益。应用该方法可以简化定位器的设计过程，实现定位器自动化快速设计，提高工装设计效率和质量，从而缩短飞机装配研制周期。
文档编号G05B19/4097GK101763065SQ20091022061
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月10日 优先权日2009年12月10日
发明者杜宝瑞, 郑国磊, 邱 益, 曹巍, 初宏震 申请人:沈阳飞机工业(集团)有限公司, 北京航空航天大学