数字化是现代航空制造技术的一个重要特征，是飞机钣金制造技术发展的趋势［1］。目前，在零件设计制造过程中，设计部门尚不能在三维数模上完全表达工厂所需要的制造工艺信息，工程制造部门还需要在工程数据集的基础上添加一些必要的制造工艺信息形成制造数据集，然后才能投入生产。对于弯边类钣金类零件需要添加三维工艺信息和二维展开制造工艺信息。在航空企业中，制造数据集的设计主要在CATIA平台上手动完成。手工设计制造数据集过程繁琐，设计员需要花费大量时间来做一些中间的辅助元素，效率极其低下而且难以保证数据的规范性和准确性。制造数模的设计效率和质量直接影响产品制造的效率和质量，从而影响到整个生产周期的长短。据统计现有的制造工艺数模设计周期占整个生产准备周期的1/3以上的时间，影响了钣金零件的数字化制造周期。CATIA为了保证在市场上的通用性，不可能一一满足具体部门的功能需求。因此以CATIA为平台利用适当的开发工具进一步开发适合部门具体需求的应用软件，已经成为提高制造水平和效率的重要途径。波音飞机公司在CATIA集成环境下进行二次开发完成了整个波音777的电子装配［2］。而国内，在CATIA二次开发尚处于起步阶段。本文通过对CATIA相关模块进行二次开发，实现了数据集快速建模、快速标注，提高了工作效率从而缩短整个生产准备周期，并且能保证了制造工艺数模的规范性和统一性。

1系统总体框架与主要功能模块介绍

数据集顾名思义就是数据的集合。它是产品完整数字定义的集合，是数字化设计的最终设计结果，被认为是制造该产品的依据，也是测量、检测、装配等环节的基准［3］。在企业中数据集主要包括工程数据集和制造数据集。工程数据集是工程设计部门设计的结果，按一定的逻辑结构将零件、装配件、安装件的几何结构、加工等信息包含在一个或若干个模型中。制造数据集是工程制造部门设计的结果，是在工程数据集的基础上按照工艺要求，添加了各种制造工艺信息。制造数据集是可直接用于工装设计制造、零件加工与检验的集成产品信息的模型。二维展开数据集主要适用于钣金零件数据下料，也属于制造数据集的一种。本系统的开发针对制造数据集设计过程，目前影响制造数据集设计效率和质量的主要问题有两个方面:工艺耳片三维建模及二维投影、钣金件弯边外形斜角值的计算与二维标注。以此为依据按照结构化程序设计方法可以将系统划分为两大功能模块，每个模块下又包含不同的子模块。系统总体框架如图1所示。

1.1工艺耳片设计模块该模块可以实现工艺耳片在三维数模上的参数信息提取是对已输入的数据信息进行的操作，包括对零件几何信息和耳片参数信息的提取。数据处理指耳片参数化模型计算过程，包括在程序中将零件几何信息对象化，参数赋值及创建元素约束关系。最终的工艺耳片以草图或实体的形式给出，并通过遍历整个结构树确定结构树信息位置。结构树功能可以将工艺孔设计过程中产生的过程信息自动插入到自动生成的“工艺信息作图过程”几何图形集中，并将工艺孔信息插入到自动生成的“工艺信息”几何图形集中。通过系统的投影功能可以将三维耳片外形投影到二维展开图中，并标注工艺孔信息。

1.2弯边外斜角测量模块在飞机的框、肋、隔板、梁等一些平面组合件中，存在很多由板材加工而成的弯边类零件。弯边部分成形需要以模线上标注的斜角值弯边外形线为参考［4］。弯边外形面角度标注，是一个逆向的过程即在三维数模上获取角度信息然后标注在三维数模和零件展开模线上，供制造部门参考使用。该模块功能实现过程主要由以下模块构成:信息提取、数据处理、角度标注。斜角值标注结构图如图3所示。模块功能简介:1)完成了割线角度(如图4a)中M2)和切线角度(如图4a)中M1)计算及零度角查找;2)在模线上角度点位置生成与弯边外形线垂直的法线，长度在20mm左右，实现角度自动标注，如图4b)所示;3)三维数模弯边上实现角度标注。2关键技术研究

2.1参数化设计技术在工艺耳片设计中的应用参数化设计是一种基于约束的设计方法，用一组参数来定义几何图形(体素)尺寸数值并约定尺寸关系，提供给设计者进行几何造型使用，当几何图形尺寸变动时自动更新图形［5］。参数设计系统的原理图如图5所示。在CATIA环境下工艺耳片基于草图设计，传统设计方法是选取零件表面作为草图基准面进入草图设计空间，通过手工测量在零件边界上得到符合要求的耳片位置，然后分别绘制点、线、弧、圆等几何元素。虽然CATIA已经实现几何元素之间的尺寸驱动功能，但驱动过程并没有完全实现自动化和快速化。当需要修改草图外形轮廓时，设计员还需回到草图空间手动修改，过多的人为干涉严重影响到了设计效率和质量。本文中利用CAA的强大交互功能，开发耳片的参数定制界面和预览功能，耳片设计过程和修改过程完全交给CATIA自动完成，实现了工艺耳片的参数化、标准化和快速化设计。参数化设计过程包括以下内容:1)耳片外形参数化定制首先，将生产中常见耳片归类，创建耳片图形库。用户通过交互界面选取不同形式的耳片。本系统将耳片归为两大类:标准形式如图6a)和非标准形式。非标准形式又分为矩形耳片、梯形耳片、和“T”形如图6b)～图6d)所示。2)耳片草图的参数化设计以上所述每种形式的耳片构成元素之间都存在不同的几何约束关系。要实现耳片的参数化设计，首先要导出不同形状结构耳片的位置和形状参数。以标准耳片草图为例介绍耳片参数提取过程。构成标准耳片草图的几何元素之间的几何约束关系见图8。图8中几何元素的拓扑约束关系包括:圆弧与直线相切、圆弧与圆同心、直线与直线平行等。这些约束在图形的修改过程中限制图形元素之间的相对位置和相互连接关系，保证了图形元素尺寸变动后图形能大致保持原来的形状以及尺寸链的完整性，它们不是参数化设计的变动对象。描述这些元素固有属性的变动对象是尺寸约束，参数化图形通过尺寸约束驱动(变动)形成。CATIA二次开发过程中草图中的直线一般通过连接两点实现，半圆弧则由3个已知点确定，圆由半径和圆心构成。根据这些特点提出通过对图形关键点坐标进行尺寸约束建立耳片几何模型的方法。图9所示为提取出的关键点及命名。图9中R表示大圆弧半径，r表示小圆弧半径，D表示工艺孔直径，L表示孔心距零件边界距离。各个关键点之间的坐标约束关系如表1所示，表中Pt1的位置按比率在零件边界上获得。总结以上尺寸约束，得出R、r、D、和(x，y)可以作为耳片位置、形状、大小的控制因素。这些参数可由用户直接控制且能够独立变化，称为主约束或主参数。通过约束推理确定需要修改某一参数时，系统自动检索出此尺寸参数对应的数据结构，找到与之相关联的其它参数并更新，驱动整个图形的改变。同理，其它类型的耳片的设计方法同样采用了参数化设计技术，只是关键点的数量和约束关系以及提取出来的主参数不同。系统开发过程中，将耳片的参数化设计技术集成到对话框的预览命令里，实现了草图的实时更新功能。参数定制界面如图10所示。

2.2弯边外形斜角值快速获取技术角度获取过程包括3步:在弯边外形线上做尽可能多的等距法平面;以每个法平面作为弯边的截面［6］，得到每个截面处的弯边角度进行存储;通过筛选算法筛选出所需要的角度值在数模上加以标注。1)辅助截面求斜角值法在弯边外形线上某一点O处做法平面，程序自动求取法平面与弯边外形面和腹板外形面的交线(图11所示L1、L2)，通过计算得到向量I1，I2。在截面内求取两向量夹角α(此种方式求取割线角度)，如图11所示。斜角值α=f求角(I1，I2)。2)外形线上快速生成法平面原理调用CAA函数接口，在弯边外形线上自动生成N个等间距的点，间距可在交互界面内自行调整。然后，在程序中实现在等分点处做弯边外形线的法平面。设N个截面处角度值为A［A0，A1，…，Ai，…，AN－1］则按间隔值γ进行筛选。图12所示为角度筛选流程。调用CAA中CATITPSFactoryAdvanced类函数实现三维标注。

2.3二维展开数据集信息标注方法在三维数据集设计过程中，系统自动生成记录工艺信息(如弯边角度、工艺孔名称、位置等)的关键点并插入结构树。系统在生成数模二维工程图时在三维空间遍历结构树找到这些关键点，调用CAA中CATIDrwAnnotationFactory类，在二维图中绘制相关几何信息并标注工艺信息。

3实例运行

以典型的弯边钣金件的弯边角度分析为例，介绍弯边外斜角值的三维标注过程。先进行等距分割，然后计算角度并筛选，最后标注角度。图13所示为参数定制界面，角度个数指弯边面的等分割数N。图14所示为分割效果。筛选后角度标注效果如图15所示。

4结论

本文中所论述系统从系统总体结构设计到具体的功能开发完全满足企业一线的实际需求，实现了钣金件工艺耳片自动生成、弯边角度自动标注等功能，将设计员从繁琐的重复劳动中解脱出来。软件基于CAA对CATIA进行功能扩展和集成，在设计过程中融入了参数化建模，友好交互和总体结构设计一体化的思想完全符合数字化制造的发展要求。该软件实际应用效果证明了在生产准备环节进行三维CAD软件二次开发对于缩短制造准备周期、提高制造质量具有深远意义。

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