自動制孔照相測量定位離線編程技術(shù)研究

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所

數(shù)字化制造航空科技重點(diǎn)實驗室 王明陽 侯志霞 潘 青 梁雪梅

目前，飛機(jī)裝配過程中，結(jié)構(gòu)件的連接主要為機(jī)械連接[1]，連接前必須對相關(guān)零部件進(jìn)行制孔。由于我國現(xiàn)在飛機(jī)裝配上仍然大量采用人工制孔的方式，制孔水平受人工影響大，孔質(zhì)量參差不齊，無法保證裝配精度，同時裝配效率低，使最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性差，其裝配連接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與可靠性[2]。

與人工制孔相比，自動制孔具有制孔精度高、一致性好及效率高的特點(diǎn)，該技術(shù)已在飛機(jī)零部件的高精度、自動化裝配中得到了應(yīng)用。自動制孔技術(shù)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)長壽命連接、滿足鋁合金、復(fù)合材料和鈦合金結(jié)構(gòu)高精度制孔要求的重要保障，同時也是裝配自動化的基礎(chǔ)技術(shù)。

離線編程技術(shù)通過使用產(chǎn)品三維數(shù)模生成自動制孔程序并進(jìn)行仿真驗證，在飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。作為目前自動制孔過程的關(guān)鍵技術(shù)，它解決了以往示教編程效率低，不適應(yīng)小批量、多品種的柔性生產(chǎn)需求，以及惡劣環(huán)境下示教編程對編程者健康帶來的危害等問題，具有明顯的優(yōu)勢。

離線編程系統(tǒng)主要是針對產(chǎn)品設(shè)備數(shù)字化模型。然而，在產(chǎn)品實際加工及安裝過程中不可避免地存在著加工以及定位等誤差。

飛機(jī)機(jī)翼裝配制孔是將機(jī)翼蒙皮與機(jī)翼骨架一起制孔的過程。對機(jī)翼骨架來說，主要是針對肋骨部位進(jìn)行制孔。在制孔前，通常由工裝設(shè)備對機(jī)翼骨架進(jìn)行直接定位，而肋骨定位則是靠機(jī)翼骨架來確定。另一方面由于飛機(jī)產(chǎn)品具有尺寸較大、剛性差、曲面復(fù)雜等特點(diǎn)，雖然制孔前通常采用了激光跟蹤儀確定產(chǎn)品的位置，但是待加工肋骨的位置偏差可能較大[3]。

為了解決上述問題，提出了一種數(shù)模編程和實測補(bǔ)償相結(jié)合的方法。在進(jìn)行加工制孔之前，采用照相測量基準(zhǔn)孔進(jìn)行產(chǎn)品的二次定位，利用照相返回的數(shù)據(jù)對理論加工孔位進(jìn)行誤差補(bǔ)償，確定實際制孔位置，以提高制孔孔位精度。

1 飛機(jī)機(jī)翼裝配自動制孔離線編程技術(shù)

1.1 自動制孔離線編程的基本原理

飛機(jī)機(jī)翼裝配制孔一般采用機(jī)器人或五軸數(shù)控設(shè)備加制孔執(zhí)行單元自動制孔，一次性完成蒙皮與肋骨的鉆、餃、锪窩過程，取代傳統(tǒng)的人工制孔，有效提高了制孔效率。自動制孔離線編程系統(tǒng)通常采用對現(xiàn)有的先進(jìn) CAD/ CAM 系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)的方式，目的是充分利用CAD/CAM 系統(tǒng)的強(qiáng)大幾何造型和運(yùn)動仿真功能[4]。

離線編程系統(tǒng)包括照相測量系統(tǒng)和自動制孔系統(tǒng)兩個部分。照相測量系統(tǒng)通過讀取照相測量NC程序，控制照相測量裝置進(jìn)行照相操作，操作完成后輸出定位孔偏差數(shù)據(jù)；自動制孔系統(tǒng)控制制孔裝置執(zhí)行制孔NC程序進(jìn)行制孔操作，系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 自動制孔系統(tǒng)簡圖Fig.1 Automatic drilling system

照相測量需要預(yù)先在產(chǎn)品上制出定位孔，然后通過照相測量測出預(yù)制定位孔與理論定位孔的偏差，根據(jù)該偏差確定定位孔之間的待加工裝配孔的實際加工位置。

離線編程需要根據(jù)機(jī)翼自動制孔的特點(diǎn)，生成具有符合自動制孔工藝要求的數(shù)控程序。自動制孔離線編程系統(tǒng)由數(shù)控編程模塊、刀位文件生成模塊、離線仿真模塊及后置處理模塊等組成。

（1）數(shù)控編程模塊。主要用于定義基準(zhǔn)孔、管理照相數(shù)據(jù)，并對理論加工孔進(jìn)行誤差補(bǔ)償，定義加工過程使用的刀具、安全高度、進(jìn)給深度、主軸轉(zhuǎn)速等加工參數(shù)信息以及加工點(diǎn)的坐標(biāo)、法向等，為生成刀位文件做準(zhǔn)備。

（2）刀位文件生成模塊。用于輸出標(biāo)準(zhǔn)的APT格式的刀位源文件，自動制孔離線編程輸出內(nèi)容包括基準(zhǔn)孔照相APT和加工孔APT兩個部分。

（3）后置處理模塊。利用刀位文件及數(shù)控機(jī)床參數(shù)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、運(yùn)動反解等求解運(yùn)動裝置的在設(shè)備坐標(biāo)系的點(diǎn)位及擺角，實現(xiàn)從APT代碼到機(jī)器控制指令NC代碼的轉(zhuǎn)換[5]。

（4）離線仿真模塊。將照相或制孔程序轉(zhuǎn)化為設(shè)備各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)，并以可視化形式模擬運(yùn)動過程，達(dá)到對程序的正確性進(jìn)行驗證的目的。經(jīng)過運(yùn)動仿真并確認(rèn)無誤后的數(shù)控程序可以輸入到數(shù)控機(jī)床進(jìn)行制孔操作。

自動制孔離線編程系統(tǒng)的主要流程如圖2所示。

1.2 自動制孔離線編程系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 基于模型的照相孔位編程

圖2 自動制孔離線編程主要流程Fig.2 Flowchart of off-line programming in automatic drilling system

基于模型的孔位編程是自動制孔離線編程一個重要內(nèi)容，也是照相測量之前的準(zhǔn)備工作。照相孔位編程的第一步是將數(shù)模上的基準(zhǔn)孔定義為照相孔，這些照相孔作為裝配定位孔應(yīng)當(dāng)預(yù)先在產(chǎn)品上制出。

裝配定位是指裝配過程中，確定零件、組合件、板件、段件之間的相對位置的過程。裝配孔定位是飛機(jī)裝配中常用的定位方法，按照預(yù)先在零件上制出的裝配孔來定位。兩個零件間用裝配定位孔確定其相對位置時，裝配定位孔的數(shù)量不少于兩個，裝配孔的數(shù)量取決于零件的尺寸和剛度，尺寸大剛度小的零件，定位孔的數(shù)量應(yīng)適當(dāng)加多[6]。

在生成照相APT文件之前，需要選擇輸出到刀位文件的基準(zhǔn)孔位及這些孔位所在的曲面。這些操作通常會作為用戶操作程序保存在CATIA數(shù)控加工工作平臺下的Process樹上。選擇曲面的目的是計算曲面上照相點(diǎn)所在的法矢，經(jīng)過后置處理轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床的擺角，實現(xiàn)照相時照相主軸垂直于曲面。

用戶可以定義多組操作程序，然后輸出到一個或者多個刀位文件，經(jīng)過后置處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序供自動制孔設(shè)備使用。

1.2.2 裝配定位孔偏差測量

為了適應(yīng)產(chǎn)品變形問題，在實際加工之前對預(yù)先制出的基準(zhǔn)孔進(jìn)行照相測量，得到基準(zhǔn)孔的實測位置，計算基準(zhǔn)孔理論位置與實測值之間的偏差，通過偏差值，推算每兩個基準(zhǔn)孔之間其他孔位的偏差值，進(jìn)而確定待加工孔位的實際制孔位置。

數(shù)控機(jī)床按照相數(shù)控程序執(zhí)行，移動到待照相基準(zhǔn)孔位，調(diào)整A、C擺角，使照相主軸垂直于曲面進(jìn)行照相。在照相平面生成照相數(shù)據(jù)U值、V值，如圖3所示。照相高度|P1'-P1''|確定平行于照相主軸方向的坐標(biāo)值，由于該坐標(biāo)軸沿照相主軸方向并指向工件表面，因此實測基準(zhǔn)點(diǎn)在照相坐標(biāo)系下的坐標(biāo)應(yīng)為（U，V，|P1'-P1''|）。

圖3 照相測量原理圖Fig.3 Principle of photographic measuring

由照相獲得的實測基準(zhǔn)孔位坐標(biāo)通過坐標(biāo)變換得到理論坐標(biāo)系下的實測位置。由照相坐標(biāo)系到理論坐標(biāo)系，經(jīng)過了以下幾次轉(zhuǎn)換：

裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系固聯(lián)在末端執(zhí)行器的裝刀位置是通過標(biāo)定獲取初始位置，而照相坐標(biāo)系是相對于裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系的局部坐標(biāo)系。照相坐標(biāo)系與裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系有固定的變換關(guān)系，通過前期標(biāo)定獲得。

設(shè)備坐標(biāo)系在建立裝配坐標(biāo)系后獲得，現(xiàn)場裝配坐標(biāo)系由激光跟蹤儀測量地標(biāo)點(diǎn)擬合而成，在設(shè)備安裝調(diào)試階段確定，飛機(jī)理論坐標(biāo)系由數(shù)模定義。

1.2.3 基于實測值的制孔孔位補(bǔ)償

基于照相測量的加工程序修正過程：

通過理論坐標(biāo)系下基準(zhǔn)孔的理論值與實測值偏差，對相應(yīng)的待加工孔位進(jìn)行坐標(biāo)補(bǔ)償。一般取每兩個基準(zhǔn)孔補(bǔ)償中間的若干待加工孔，如圖4所示。P1、Pn表示照相測量基準(zhǔn)孔，Pi表示兩個基準(zhǔn)孔中間需要進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拇庸た孜唬表示孔位偏差。

采用如下的補(bǔ)償算法：

計算得出補(bǔ)償公式：

圖4 加工孔位補(bǔ)償原理圖Fig.4 Principle of the measured compensation method

2 照相測量定位關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

針對飛機(jī)產(chǎn)品的自動制孔系統(tǒng)，其離線編程通常采用CATIA二次開發(fā)的方式。CATIA二次開發(fā)可以有多種方式，實際應(yīng)用中，使用最為廣泛的是Automation API和CAA C++。前者入門容易，但功能限制大；后者入門困難，但提供的接口最全面，實現(xiàn)的功能最強(qiáng)大，開發(fā)的程序效率高，能夠滿足用戶深層次專業(yè)化的要求[7]。CAA采用開放式、可擴(kuò)展的模塊化開發(fā)架構(gòu)，對于客戶而言，可以進(jìn)行從簡單到復(fù)雜的二次開發(fā)工作，可以進(jìn)行交互式命令的設(shè)計，創(chuàng)建新的CATIA工作平臺或者在其原有工作平臺上自定義工具條、添加自定義菜單等。利用CAA C++開發(fā)的功能與原有系統(tǒng)的結(jié)合非常緊密，這非常有利于用戶的使用和集成。

針對某型號飛機(jī)中央翼裝配自動制孔，采用了照相測量定位技術(shù)，使用CAA C++進(jìn)行了離線編程系統(tǒng)的具體開發(fā)，其主要實現(xiàn)過程如下。

2.1 照相孔定義和照相程序生成

照相孔定義是為生成照相程序做準(zhǔn)備。在CATIA數(shù)模中，選擇合適的連接孔位作為照相孔，照相孔的的數(shù)量、間距等應(yīng)符合工藝上的要求。

離線編程系統(tǒng)在CATIA二次開發(fā)中，可以通過添加右鍵菜單的形式，將連接裝配孔定義為照相孔，操作簡單、便捷。被定義為照相孔的點(diǎn)位作為基準(zhǔn)孔，預(yù)先在產(chǎn)品上制出，照相孔位應(yīng)不再作為待加工連接孔輸出到連接孔加工程序中。

定義照相點(diǎn)位之后，利用刀位程序生成模塊，輸出照相程序的APT文件，刀位程序生成包括2個步驟。

（1）在CATIA三維數(shù)模中選取要照相的孔位，及孔位所在的曲面，如圖5所示。

在CAA中進(jìn)行二次開發(fā)，利用CAA提供的數(shù)控編程界面接口，與CATIA原有模塊融合度很高，風(fēng)格與CATIA現(xiàn)有數(shù)控編程界面完全一致，如果沒有特殊的說明，很難區(qū)分原有模塊和二次開發(fā)模塊。選取完成之后會在CATIA數(shù)控加工工作臺的Process樹上添加相應(yīng)的照相操作。

圖5 選擇照相孔位界面Fig.5 Choose the hole of photographic measuring

（2）輸出照相APT。選擇照相APT模式，在特征列表中選擇上一步生成的照相操作，添加到待輸出列表中，用于輸出照相APT。

該對話框還可以用于生成連接孔加工APT。不同之處在于兩者在定義Program時，照相程序僅包含照相所需要的點(diǎn)位及法矢信息，而連接孔加工APT還包括加工所需要的刀具信息、主軸轉(zhuǎn)速、安全高度、進(jìn)給速度等加工參數(shù)信息，這些信息會在后置處理時會轉(zhuǎn)換成數(shù)控機(jī)床識別的數(shù)控語句，用來控制數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 照相程序后置處理

后置處理過程原則上是解釋執(zhí)行，即每讀出刀位文件中的一行代碼，分析其類型，根據(jù)類型和所選數(shù)控機(jī)床確定是進(jìn)行坐標(biāo)變換還是進(jìn)行文件代碼轉(zhuǎn)換，并生成一個完整的數(shù)控程序段，寫到數(shù)控程序文件中去，直到刀位文件結(jié)束，刀位文件最終轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機(jī)床能執(zhí)行的數(shù)控加工指令程序，如圖6所示。

圖6 后置處理基本原理Fig.6 Principle of post processing

進(jìn)行后置處理時，將刀位文件中的理論孔位信息轉(zhuǎn)換為數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動參數(shù)，經(jīng)過以下幾個過程：

理論坐標(biāo)系到裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換時需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系下的制孔點(diǎn)坐標(biāo)及制孔法矢，然后通過運(yùn)動機(jī)構(gòu)反解得到五軸制孔設(shè)備的X、Y、Z以及A、C擺角，調(diào)整A、C擺角確保制孔主軸能夠沿著垂直于制孔點(diǎn)所在曲面法矢的方向進(jìn)行制孔，保證制孔垂直度，提高制孔質(zhì)量。

2.3 導(dǎo)入照相測量數(shù)據(jù)

數(shù)控機(jī)床生成的照相數(shù)據(jù)需要返回到離線編程程序中進(jìn)行處理，返回的照相數(shù)據(jù)格式由數(shù)控機(jī)床程序員和離線編程程序員協(xié)商確定。

導(dǎo)入照相數(shù)據(jù)后，在CATIA結(jié)構(gòu)樹上創(chuàng)建實測基準(zhǔn)孔集節(jié)點(diǎn)，該實測孔集與相應(yīng)的理論定位孔集相對應(yīng)，以便用戶進(jìn)行照相數(shù)據(jù)管理。

導(dǎo)入后的照相數(shù)據(jù)經(jīng)過計算，得到基準(zhǔn)孔的實際偏差值，并使用該偏差值補(bǔ)償待加工連接孔。經(jīng)過補(bǔ)償后的待加工連接孔可以通過刀位文件生成模塊生成實際加工孔位APT文件，并通過后置處理生成實際加工孔位數(shù)控NC代碼，用于數(shù)控機(jī)床進(jìn)行制孔操作。

3 結(jié)束語

針對飛機(jī)機(jī)翼裝配自動制孔系統(tǒng)，分析了其離線編程的主要工作流程，研究了照相測量定位方法的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了基于照相測量定位的離線編程開發(fā)，通過對飛機(jī)產(chǎn)品的二次定位保證自動制孔的孔位精度。該離線編程系統(tǒng)利用CATIA的CAA C++模塊進(jìn)行開發(fā)，功能強(qiáng)大且效率較高，與CATIA軟件結(jié)合緊密，并且遵從用戶使用習(xí)慣，極大方便了用戶的操作。

[1] 袁紅璇.飛機(jī)結(jié)構(gòu)件連接孔制造技術(shù).航空制造技術(shù),2007(1)：96-99．

[2] 魏志剛,薛亮.飛機(jī)先進(jìn)裝配技術(shù)及其發(fā)展. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報,2009,24(1):119-120.

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