在各项制造生产技术不断升级的形势下，CAD/CAM技术被大范围应用于航空制造领域中，致使飞机制造产业面临重大变革，数字化技术代替模线样板技术已经成为必然的发展趋势。但从数字化设计制造技术在航空制造领域的应用状况来看，存在前期准备周期长，零件互换度低和批量生产能力不足等一系列问题，带来了大量的成本投入，且制造效率也明显降低。这主要是由于缺乏飞机零件数模的支撑。由此可见，在发展数字化设计制造技术的基础上，也不能完全摒弃模线样板技术的应用。鉴于此，则需采取逆向设计措施实现模拟量飞机零件的生产目标，使之为数字化设计制造技术的应用创造良好的条件。
1.逆向建模设计要点
1.1曲线拟合优化设计
点、线、面属于平面空间的基本元素，同时也是造型设计的基本要素，在进行逆向设计时，则需要通过对数据点的拟合处理使之生成为样条曲线，该曲线可被作为曲面的基本构成。曲线拟合优化设计的过程便是设法确定一条光滑曲线的过程，以形成最佳的拟合数据。需要特别注意的是，曲线拟合并不代表要将每一个经过的数据点拟合于一条曲线上，而是要使其可以有效反馈离散数据的总体变化趋势，保障数据点的误差平方和为最小值。
1.2曲面造型设计
针对零件外形的曲面造型设计是逆向设计的重要内容，具体是通过对建立曲面模型的方式实现飞机零件数模的产品数字化发展目标。主要设计思路为对于三维曲线线架进行优化后，将其作为曲面构造的重要组成元素，之后根据预先设计的理论图形对其外部结构的规律走向进行有效描述，目的是通过适宜的造型方法达成曲面设计目标，使之生产光顺性和几何形状合理的曲面造型，最后对其关键性能进行定量分析，确定造型设计的品质。在此过程中，还需采取有效的质量控制措施保障曲线质量和曲面质量均能符合后期制造要求，其中曲线质量控制的要点为，尽可能保障曲线段以及曲线边界的高度连续性，且借助能够满足工程设计和制造需求的曲面光滑度和精度要求的最低多项式来检验曲面质量；曲面质量的控制要点为，建立消除微小型的曲面片，曲面片的控制标准为，相邻曲面片的边相对长度要在1:100以上，对于不满足这一要求的状况，则需对相邻元素进行增大调整，通过改变分割方式的形式来消除不符合标准要求的微小曲面片。
2.飞机蒙皮类零件的逆向设计过程
2.1获取曲面重构数据
1）对样板结构进行逆向扫描。因样板重复多次使用的情况下不可避免的会造成翘边、磨损、标记模糊和毛刺等问题，在实际使用前需要先对样板进行反复修复，尽可能使其表面呈现光滑状态以减少样板逆向设计的误差，经修复处理后对样板进行逆向扫描，获取相关曲面数据；2）校验扫描设备的精度。主要方法为针对已知数据的样板模型进行扫描，判定环境温度和其他环境因素对测量精度的影响，在确定扫描精度符合标准要求后，再正式投入使用，谨防由于扫描仪器自身的精度问题造成的数据影响。
2.2拟合处理曲线曲面数据
考虑到飞机外形的设计要求，在进行模线样板的逆向设计时，要优先选取精度较高的二维激光扫描系统（LaserQC），该系统具备自动识别功能，可通过对样板轮廓边缘线的有效识别自动生成二维矢量图。鉴于原本的模线样板是采取手工绘制的方式，相对来说曲线的光顺程度偏低，如果直接将扫描后获取的曲线数据作为最终的曲线数据则会表现出机身曲线品质不高的问题，与当前时期的飞机制造要求不符，可操作性以及光顺性均难以满足飞机蒙皮零件的设计要求。因此，需要采取拟合处理的措施对曲线偏离现象进行有效改善，并实现对曲线的光顺处理，使其被调整至允许误差范围之内，必要的情况下，可以对部分中间切面数据进行舍弃，通过拟合处理达成提高模线样板曲线光顺度的目标。具体处理措施如下：
2.2.1曲线拟合处理方法
先通过计算的方式获取曲线绘制的节点，考虑到节点分布规律受到曲线曲率分布的直接影响，因此需要基于曲线曲率分布的不同选择对应的节点获取方法，常见获取方法包括如下三种：第一种为曲率变化偏小的曲线，针对此类曲线形式可优先采取等距或者等弧长的获取方式；第二种为曲率变化偏大的曲线，针对此类曲线形式可以通过点间距的等差或者等比关系来获取；第三种为曲率变化幅度偏大的曲线，此类曲线则需采取特殊的加密点获取方式。主要方法为，先基于曲线的变化特点利用较少的点来生成符合曲线总体变化规律的曲线，之后利用特定的公式计算并确定好曲线上分布各点之间的中间点，在对曲线距离进行分析后，确定是否存在超差现象，如有则需在超差部分再添加新的节点并生成曲线。以上步骤重复操作，直至曲线精度满足设计要求。
2.2.2矢量数据的误差评估
经扫描和拟合处理后的模线样板数据可采取明胶板的方式绘制出模线，通过与理论图板的对比，检验样板重合度，并且采取手工修形的方式对于矢量数据的误差进行处理，在多次对比修形和迭代的基础上，可使矢量数据与设计精度要求相符，此类数据可被作为三维建模的初始数据。
2.3曲面造型设计
先在CATIA软件中导入矢量数据，并且基于样板图中的图样，采取移动、平移和旋转等功能使各类样板模块处于飞机坐标系的准确位置上，构建成曲面三维线架模型。之后将样板中获取到的矢量数据作为截面线，用于构建曲面，之后对切面上的端点进行连线处理，使之成为曲线，作为曲面建立的引导线，借助Loft功能建立曲面，对于存在褶皱的现象，可以通过建立多个曲面片的方式对曲面进行缝合处理，得到光顺度较好的曲面。
结语：采取逆向设计的方式重组模线样板可以为飞机外形的改进和研究奠定良好的基础，改善因数字化设计制造中缺乏模线支撑造成的成本过大的问题，同时也可被作为促进飞机制造向数字化转型的必由之路。对于模线样板的逆向设计实际上就是借助数字化技术和自动化控制技术改良飞机外形装配精度的过程，通过对模线样板数据的不断优化，可以显著提升零件加工的精度，满足当代飞机的制造需求，为飞机制造行业的进一步发展创造了更好的发展条件。
参考文献：
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