飛機蒙皮自動制孔中夾緊孔布置方法研究

韓志仁，孫 浩，劉順濤，郭喜鋒，賈 琛

(1.沈陽航空航天大學(xué) a.航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，b.航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136; 2.成都飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，部裝二廠 成都 610092)

飛機蒙皮自動制孔中夾緊孔布置方法研究

韓志仁1a，1b，孫 浩1b，劉順濤2，郭喜鋒2，賈 琛1b

(1.沈陽航空航天大學(xué) a.航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，b.航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136; 2.成都飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，部裝二廠 成都 610092)

飛機裝配中的自動制孔工藝設(shè)計包括基準設(shè)計、夾緊孔設(shè)計和自動制孔設(shè)計，為了在保證自動制孔要求的前提下快速自動實現(xiàn)夾緊孔設(shè)計，提出了保證夾緊孔最大間距和自動制孔基本要求的夾緊孔設(shè)計算法，給出了具體的實施方法，開發(fā)了夾緊孔設(shè)計的原型模塊，并進行了驗證。該方法對于提高夾緊孔設(shè)計的效率、保證自動制孔的準確性和穩(wěn)定性具有重要意義。

自動制孔；夾緊孔；蒙皮；CATIA

蒙皮制孔是飛機裝配過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在飛機蒙皮壁板裝配、飛機部件裝配中采用自動制孔技術(shù)，以提高飛機制造的數(shù)字化水平和生產(chǎn)效率[1-9]。在飛機制造的過程中自動制孔技術(shù)的研究目前主要集中在自動制孔設(shè)備的研制[2,4]、制孔法矢的自動找正[1,8]、自動離線編程技術(shù)[3]等方面。北京航空航天大學(xué)機器人研究所與沈陽飛機工業(yè)集團聯(lián)合研制的飛機部件級機器人制孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成大型鈦合金、鋁合金以及疊層飛機零部件的自動制孔[2]；北京航空制造工程研究所自行研發(fā)的柔性導(dǎo)軌自動制孔設(shè)備，通過長時間的調(diào)試和大量工藝試驗，目前該設(shè)備在定位精度和制孔質(zhì)量方面已達到實用要求[9]；浙江大學(xué)研制了一套雙機器人協(xié)同自動鉆鉚系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)的裝配對象為大型飛機機身壁板的蒙皮、長桁、鈑金框以及用來連接鈑金框與蒙皮的補償角片。國外，Electroimpact 與空客英國公司聯(lián)合開發(fā)了一種機器人柔性裝配系統(tǒng)，用于機翼壁板與骨架的裝配，該系統(tǒng)具備探測壁板(厚度)，孔檢測等檢測功能[11]；德國寶捷研制的用于飛機貨艙門結(jié)構(gòu)的自動鉆鉚系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對臨時鉚釘、孔和邊緣、蒙皮定位、锪窩深度和孔厚度的檢測等[12]。但目前的研究與應(yīng)用在自動制孔工藝設(shè)計方面較少，特別是自動制孔工藝設(shè)計中夾緊孔布置方法未見報道。

自動制孔工藝設(shè)計是自動制孔技術(shù)的重要組成部分，包括制孔基準設(shè)計、夾緊孔設(shè)計、自動制孔設(shè)計。自動制孔工藝設(shè)計不僅包括孔的位置，還包括制孔的夾層厚度、材料順序、夾緊孔的布置等工藝信息。而夾緊孔的合理布置是保證自動制孔工程中蒙皮有效約束的重要因素[13]。

1 蒙皮夾緊孔布置的影響因素

飛機結(jié)構(gòu)中與蒙皮連接的件主要是梁、框、肋和桁條的外緣條[14]，典型連接孔布置圖1所示。在自動制孔前，蒙皮首先要根據(jù)預(yù)先制作好的基準孔進行定位，而后再手工制作夾緊孔，約束蒙皮，保證自動制孔時蒙皮的穩(wěn)定性[15]，而夾緊孔之間的距離為影響夾緊孔布置的重要因素。夾緊孔的布置間距取決于蒙皮厚度、材料和支撐件(包括梁、框、肋、桁條)的截面尺寸、形狀和材料等因素。一般來說，整個蒙皮件的穩(wěn)定性越好(蒙皮厚度越大，蒙皮材料力學(xué)性能越好，蒙皮件的設(shè)計結(jié)構(gòu)越合理)，這個間距參數(shù)越大，夾緊孔的布置間距就越大；反之，夾緊孔的布置間距就越小。

在實際生產(chǎn)活動中，夾緊孔的距離參數(shù)需要根據(jù)蒙皮和支撐件組成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性實驗進行確定[16]，也可以采用經(jīng)驗方法給出。本文中不對具體的夾緊孔間距進行研究，只研究在已知的夾緊孔間距下的夾緊孔的布置問題。如何在保證兩個相鄰夾緊孔的間距參數(shù)滿足要求的情況下，均勻布置夾緊孔，保證夾緊孔的數(shù)量最少，提高制孔和裝配效率是自動制孔工藝設(shè)計重點內(nèi)容[17]。飛機部件裝配中，隨著自動制孔工藝使用越來越普遍[18]，需要提出一種夾緊孔布置算法，滿足上述要求。

圖1 蒙皮連接孔典型布置示意圖

2 蒙皮夾緊孔的布置的方法

具體的蒙皮夾緊孔間距是根據(jù)鈑金件的材料和厚度來決定的，因此本文不討論具體的夾緊孔間距的數(shù)值范圍，默認為一個范圍k1(mm)～k2(mm)(k1≤k2)。

夾緊孔布置方法是將三維蒙皮展成二維平面，并將制孔點位展開到二維平面內(nèi)，將三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題進行處理。在二維平面上，用孔的中心點來表示孔。夾緊孔布置算法就可描述為：在給定的一個點集中，確定一個起始點，根據(jù)這個點，將所有間距符合k1(mm)～k2(mm)的點篩選出來。

通常，選擇夾緊孔為人工選取，效率低，準確率不高。甚至在夾緊孔數(shù)量較多時，出現(xiàn)重復(fù)或者漏掉夾緊孔的情況，影響夾緊效果，給自動制孔加工帶來隱患。為此，提出一種新的夾緊孔布置算法，旨在更加方便快捷準確地選擇出符合要求的夾緊孔。

在二維平面中，將孔抽象為一個均勻分布的點集A={(xi,yi)}，如圖2所示，其中，相鄰且距離最近的兩個點的距離為l0(mm)。從這些點中，選取出間距在k1(mm)～k2(mm)(k1≤k2)之間的所有點作為夾緊孔的法矢位置。

圖2 二維平面均勻點集

在點集中選擇符合間距條件的點時，每次選擇，都要確定一個基準，即初始點{(x0,y0)}。如在第一次迭代選擇時，我們必須要指定一個起始點作為本次迭代計算距離的基準。而在第二次迭代選擇時，基準就會變?yōu)榈谝淮芜x擇出來符合條件的點，而距離小于間距最小值的點一定不是符合要求的點，所以將其排除。

首先，選取某一邊界上的點{(x0,y0)}作為夾緊孔選擇的起始點，并且將此點作為第一個夾緊孔的法矢位置。然后開始做兩個圓r1和圓r2，半徑分別為k1(mm)和k2(mm)，將圓r1內(nèi)的點(不包括圓r1上的點)全部排除或刪除，因為這些點一定不能滿足夾緊孔要求。這些被排除的點可表示為

將在圓r1和圓r2之間圓環(huán)部分的點(包括圓r1和圓r2上的點)，作為挑選出的符合間距要求的夾緊孔的法矢位置的點。這些點可表示為

將剩余這些點記錄下來，作為下一次迭代畫圓的圓心。而圓之外的點，通過后面的迭代繼續(xù)判斷,圖3為算法流程圖。

圖3 算法流程圖

之后將點集中符合間距要求的點全部挑選出來，并且將其表示為B={(xj,yj)}，點集B就是我們要得到的夾緊孔點集。

再將算法實例化，制作成一個選取夾緊孔的CATIA插件。一個平面蒙皮的連接孔分布如圖3所示，以右上角邊界點為起始點，采用夾緊孔布置算法進行夾緊孔的篩選，得到結(jié)果如圖4所示。

3 模塊開發(fā)介紹和應(yīng)用實例

在實際生產(chǎn)活動中，蒙皮件絕大多數(shù)為一個三維空間曲面，蒙皮件上的孔的位置是三維空間的。因此，首先利用三維軟件(CATIA)將三維的機身蒙皮件展開為二維平面，并將三維蒙皮件上的孔一一對應(yīng)到展開的二維蒙皮件平面中，利用夾緊孔布置算法，實現(xiàn)夾緊孔的自動拾取。

圖4 篩選前圖

圖5 篩選后效果

在插件開發(fā)中，拾取蒙皮件所在平面作為一個面實例存入一個Plane變量，然后將選取的起始點存入一個Point類型的數(shù)組中，以起始點為基準，利用夾緊孔布置算法，即在這個Plane平面上，以基準點為圓心，以夾緊孔間距范圍為半徑做一個圓環(huán)，求交運算得到圓環(huán)上的點，將這些點作為夾緊孔存入之前的Point數(shù)組。并將得到的點作為下一次運算的基準點，以此類推。得到的這個數(shù)組就是選擇出的夾緊孔數(shù)組，可以方便地批量對這些點進行操作。具體步驟如下。

首先，打開一個某型號飛機機身蒙皮的Product文件，如圖6所示。將圖6中箭頭指出的蒙皮件作為下一步選擇夾緊孔的蒙皮件，即從Product文件中選擇其中一個Part零件。將選擇的Part蒙皮進行展開，并將蒙皮上的點按幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化到展開圖中，得到的展開圖如圖7所示。

展開后的蒙皮就可以利用夾緊孔布置算法，進行夾緊孔的選取。因為此蒙皮件上的點集不是均勻分布，大致分為4塊點集區(qū)域和邊界周圍的點集，而每個區(qū)域之間的距離已經(jīng)大于要求的最大間距k2(mm)，形成的這個區(qū)域稱之為“斷裂帶”，如圖7所示?！皵嗔褞А钡拇嬖跁乐赜绊憡A緊孔的拾取效果，使得選取夾緊孔不全，不準確。因此需要將整個蒙皮件上的點集分成5部分，分別對每個部分進行夾緊孔的選取。

圖6 某型飛機機身蒙皮件

圖7 蒙皮展開后效果

在“蒙皮平面”拾取框中選擇蒙皮展開后形成的平面做為二維點集的基準平面。在“起始點”拾取框中選擇5個頂點。如圖8所示。拾取完成后，點擊“確定”，即可得到二維平面上符合條件的夾緊孔，如圖9所示。

圖8 選取起始點

在結(jié)構(gòu)樹上，每個點在展開前和展開后都有唯一編號，如圖6、圖7所示?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)樹上展開前后的編號來對應(yīng)得到選取的夾緊孔在原蒙皮件上的位置。插件將選取出的夾緊孔對應(yīng)到蒙皮件上，將其變?yōu)槠渌伾允緟^(qū)分,對應(yīng)后的效果如圖10所示。

圖9 二維平面上的夾緊孔

圖10 蒙皮上的夾緊孔

4 結(jié)論

基于飛機蒙皮自動制孔工藝設(shè)計技術(shù)研究，結(jié)合本文提出的飛機蒙皮自動制孔中夾緊孔布置方法，以CAA/CATIA為平臺，開發(fā)了夾緊孔布置軟件，并通過了飛機蒙皮數(shù)字模型的驗證。軟件選擇出的夾緊孔符合工藝設(shè)計規(guī)范，布置合理。夾緊孔布置軟件減少了人工進行夾緊孔的布置計算，降低了人為出錯的可能性，適應(yīng)了無圖紙化制造的趨勢，提升了飛機數(shù)字化制造的水平，提高了自動制孔工藝設(shè)計的效率。

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Studyonclampingholearrangementinautomaticfittingofairplanes

HAN Zhi-ren1a，1b，SUN Hao1b，LIU Shun-tao2，GUO Xi-feng2,JIA Chen1b

(1.a.National Key Discipline Laboratory of Aeronautical Manufacturing Technology Digitization,b.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China; 2.Second Parts Assembly Plant,Engineering Department of Chengdu Aircraft Industrial (Group) Corporation,Chengdu 610092,China)

Automatic hole-making in the assembly of aircraft includes the design of reference holes,clamping holes and automatic making holes.And the quick and automatic design of clamping holes is a key problem.In this paper,an algorithm for the clamping holes design was proposed to ensure the maximum spacing between any two clamping holes and satisfy the basic requirements of automatic hole-making.Details of the design were provided and the prototype module was developed and verified.This algorithm is significant to improve the efficiency of the clamping holes design and to ensure accuracy and stability of the automatic hole-making.

automatic making hole;clamping hole;skin;CATIA

2017-05-05

國防重點實驗室開放基金(項目編號：SHSYS2015001)

韓志仁(1964-)，男，河北唐山人，教授，主要研究方向：大飛機數(shù)字化制造，塑性成形CAE，復(fù)合材料精準制造，E-mail:hanren888@163.com。

2095-1248(2017)05-0021-05

V262.4+2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.05.003

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)