飛機(jī)自動(dòng)制孔離線編程數(shù)據(jù)準(zhǔn)確提取技術(shù)

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)制孔技術(shù)因其制孔精度高、加工過(guò)程穩(wěn)定的特點(diǎn)，已經(jīng)大量應(yīng)用在飛機(jī)數(shù)字化裝配過(guò)程中[1]。自動(dòng)制孔設(shè)備NC程序的編制通常有兩種形式：一種為手工編制，通過(guò)獲取產(chǎn)品點(diǎn)位信息，按照規(guī)定的格式編輯程序代碼；另一種為離線編程方式[2-3]，即進(jìn)行加工設(shè)備任務(wù)規(guī)劃的軟件系統(tǒng)通過(guò)操作加工設(shè)備數(shù)模和相關(guān)規(guī)劃算法，在脫離現(xiàn)實(shí)加工環(huán)境的情況下完成加工任務(wù)規(guī)劃并對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真修正，最終編譯為制孔設(shè)備任務(wù)代碼。手工編制方式編程繁瑣、出錯(cuò)率高已經(jīng)逐步被淘汰。離線編程方法效率高、對(duì)編程人員技能要求低，已經(jīng)成為飛機(jī)自動(dòng)制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、多功能末端執(zhí)行器、柔性工裝等工藝裝備協(xié)調(diào)配合完成整個(gè)裝配過(guò)程的紐帶，直接影響著鉆鉚加工精度、裝配效率與裝配質(zhì)量[4]。

目前國(guó)外EI、CENIT、ABB、KUKA[5-6]，國(guó)內(nèi)浙江大學(xué)、上海拓璞、中國(guó)航空制造技術(shù)研究院[7]等單位對(duì)不同的自動(dòng)制孔設(shè)備進(jìn)行了相應(yīng)的離線編程軟件的研究及開發(fā)。飛機(jī)自動(dòng)制孔涉及成千上萬(wàn)個(gè)制孔信息，目前的離線編程方式需要人工創(chuàng)建工藝模型、輸入工藝參數(shù)，使離線編程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編制錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)增大，同時(shí)姿態(tài)調(diào)整復(fù)雜，工作量大。

本文針對(duì)自動(dòng)制孔加工過(guò)程，提出了基于數(shù)據(jù)庫(kù)及標(biāo)簽定義的離線實(shí)現(xiàn)方式，為實(shí)現(xiàn)快速高效編程提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 離線編程資源需求分析

機(jī)器人準(zhǔn)確制孔需要通過(guò)NC程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人制孔位置、制孔參數(shù)、制孔路徑的精準(zhǔn)控制。其數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程為通過(guò)對(duì)產(chǎn)品模型中點(diǎn)位讀取，獲得孔位坐標(biāo)值，通過(guò)產(chǎn)品加工面提取，獲得制孔法向，通過(guò)制孔位置的標(biāo)準(zhǔn)件及工藝規(guī)范信息，獲得制孔的孔徑、窩徑、锪窩角度，進(jìn)而確定刀具規(guī)格以及锪窩進(jìn)給量。同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品疊層材料及厚度，確定刀具進(jìn)給深度以及在制孔過(guò)程中的壓緊力、進(jìn)給、轉(zhuǎn)速、啄鉆量等。通過(guò)工裝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其與自動(dòng)制孔設(shè)備的相對(duì)位置關(guān)系，調(diào)整自動(dòng)制孔姿態(tài)及路徑，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔，基本流程如圖1所示。

在自動(dòng)制孔需求數(shù)據(jù)中，產(chǎn)品模型、孔位信息、標(biāo)準(zhǔn)件信息、裝配關(guān)系屬于產(chǎn)品信息；裝備、工裝、刀具屬于資源信息；加工參數(shù)、制孔方法屬于工藝信息。為實(shí)現(xiàn)編程，需要?jiǎng)?chuàng)建包含以上所有信息的工藝參數(shù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分，形成離線編程工藝參數(shù)庫(kù)架構(gòu)。如圖2所示，該架構(gòu)是離線編程工藝數(shù)據(jù)提取、加工任務(wù)規(guī)劃、編程防差錯(cuò)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 自動(dòng)制孔離線編程流程Fig.1 Flow of automatic drilling off-line programming

圖2 離線編程工藝參數(shù)庫(kù)架構(gòu)Fig.2 Architecture of process parameter library for off-line programming

2 基于MBD的自動(dòng)制孔工藝數(shù)據(jù)快速匹配

MBD（Model based defination）技術(shù)使飛機(jī)產(chǎn)品幾何三維模型對(duì)相關(guān)的工藝信息、參數(shù)信息、設(shè)計(jì)信息等進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化管理，具有準(zhǔn)確性定義、規(guī)范化定義以及面向工藝的定義等特點(diǎn)[8]，這些特點(diǎn)為工藝數(shù)據(jù)快速提取提供了先決條件[9]。然而飛機(jī)產(chǎn)品三維數(shù)字化模型的表達(dá)不會(huì)考慮自動(dòng)制孔離線編程對(duì)數(shù)據(jù)提取需求，因此設(shè)計(jì)的裝配模型定義中的數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)格式無(wú)法滿足自動(dòng)制孔離線編程需求。在自動(dòng)鉆鉚離線編程時(shí)，必須對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，并結(jié)合工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和二次定義，將離線編程系統(tǒng)所需要的待加工特征信息添加到產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型上，轉(zhuǎn)變?yōu)榘x線編程所需各項(xiàng)參數(shù)并能被離線編程軟件識(shí)別的模型，即工藝模型。在離線編程時(shí)，通過(guò)讀取工藝特征模型，將自動(dòng)制孔所需的工藝參數(shù)、加工參數(shù)等提取到制孔程序中，從而提高離線編程效率。

2.1 離線編程基準(zhǔn)面提取

在產(chǎn)品模型中，緊固件一般采用點(diǎn)或線的形式進(jìn)行表達(dá)。這就導(dǎo)致采用點(diǎn)進(jìn)行表達(dá)的緊固件無(wú)法提取方向，采用線表達(dá)的緊固件無(wú)法提取位置。因此需要對(duì)產(chǎn)品加工表面進(jìn)行提取形成基準(zhǔn)面，結(jié)合產(chǎn)品不同的緊固件的表達(dá)形式，利用緊固件點(diǎn)在基準(zhǔn)面上的法線獲得制孔法向，或者緊固件線與基準(zhǔn)面相交獲得制孔坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制孔法向和坐標(biāo)位置的定義。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)件信息提取

傳統(tǒng)的離線編程方式，需要將設(shè)計(jì)模型中的標(biāo)準(zhǔn)件按照離線編程軟件的要求，進(jìn)行二次規(guī)劃，即重新對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件點(diǎn)位信息進(jìn)行編制。這種方式降低了離線編程軟件的設(shè)計(jì)難度，但是增加了離線編程人員的工作量，同時(shí)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件信息的二次編輯過(guò)程無(wú)防差錯(cuò)，很容易造成點(diǎn)位設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

在MBD數(shù)據(jù)中，標(biāo)準(zhǔn)件在設(shè)計(jì)數(shù)模中以點(diǎn)或者線的形式進(jìn)行表達(dá)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)樹中，雖然標(biāo)準(zhǔn)件形式不一樣，但是在其結(jié)構(gòu)樹路徑中會(huì)將該標(biāo)準(zhǔn)件的牌號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)，如圖3所示。

根據(jù)MBD特點(diǎn)，可以通過(guò)讀取標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)位所在的結(jié)構(gòu)路徑，并結(jié)合工藝數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件工藝信息的快速提取。基本流程如圖4所示。

圖3 不同型號(hào)飛機(jī)緊固件表達(dá)形式Fig.3 Expression of fastener information for different aircraft

圖4 標(biāo)準(zhǔn)件信息提取流程Fig.4 Information extraction process of fastner

2.3 疊層厚度及材料的提取

疊層厚度決定了鉆孔刀具在加工過(guò)程中的進(jìn)刀量，同時(shí)對(duì)于疊層材料不同的產(chǎn)品，尤其是復(fù)合材料和鈦合金疊層，其加工轉(zhuǎn)速和進(jìn)給相差很大，必須根據(jù)不同疊層厚度進(jìn)行加工參數(shù)的轉(zhuǎn)化，以保障產(chǎn)品質(zhì)量以及刀具壽命。在離線編程環(huán)境中，以標(biāo)準(zhǔn)件孔位為中心，產(chǎn)品表面為起點(diǎn)，建立與標(biāo)準(zhǔn)件理論長(zhǎng)度及制孔方向相同的標(biāo)準(zhǔn)件模型。以制孔穿過(guò)的產(chǎn)品疊層表面對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件模型進(jìn)行分割并計(jì)算分割后各段的長(zhǎng)度，進(jìn)而獲得產(chǎn)品的疊層厚度。

同樣，以產(chǎn)品表面為起點(diǎn)遍歷標(biāo)準(zhǔn)件連接的產(chǎn)品各個(gè)疊層零件信息，通過(guò)讀取對(duì)應(yīng)數(shù)模中標(biāo)注的材料信息并與材料庫(kù)進(jìn)行核對(duì)，提取出制孔疊層材料信息，流程如圖5所示。

2.4 基于標(biāo)簽的工藝特征表達(dá)

在CATIA 中，標(biāo)簽（tag）是一種類似坐標(biāo)系具有屬性及方向定義的幾何元素。標(biāo)簽的方向性在下文設(shè)備姿態(tài)定義中進(jìn)行分析，利用標(biāo)簽具有屬性的特征，通過(guò)二次開發(fā)的宏程序，在每個(gè)制孔點(diǎn)上創(chuàng)建一個(gè)標(biāo)簽，將從離線編程參數(shù)庫(kù)獲得的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)以及測(cè)量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)獲得的制孔法向、疊層材料及厚度等各項(xiàng)特征賦予標(biāo)簽，形成編程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在后置處理程序時(shí)，通過(guò)識(shí)別標(biāo)簽屬性并進(jìn)一步匹配工藝參數(shù)庫(kù)，完成加工參數(shù)的生成?；跇?biāo)簽的數(shù)據(jù)表達(dá)如圖6所示，表達(dá)模型中，包含了標(biāo)準(zhǔn)件牌號(hào)、疊層厚度及材料、锪窩深度、夾緊力等離線編程需求參數(shù)，同時(shí)可以根據(jù)需求，進(jìn)行參數(shù)的增加和調(diào)整。

利用DELMIA 中“Device Taskde Fination”模塊以及二次開發(fā)CATIA VBA 宏程序，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行提取，并對(duì)相同類型標(biāo)簽進(jìn)行分類創(chuàng)建，形成如圖7所示的基于標(biāo)簽的工藝模型。

圖5 疊層及厚度提取流程Fig.5 Stacking and thickness extraction process

圖6 離線編程工藝信息存儲(chǔ)表Fig.6 Off-line programming process information storage table

圖7 基于標(biāo)簽的工藝模型Fig.7 Tag based process model

3 自動(dòng)制孔設(shè)備姿態(tài)定義

產(chǎn)品數(shù)模中的緊固件采用點(diǎn)或者線的形式體現(xiàn)，可通過(guò)產(chǎn)品點(diǎn)位和表面法向控制設(shè)備制孔位置及法向，但是設(shè)備末端執(zhí)行器的姿態(tài)卻無(wú)法控制。由于自動(dòng)制孔機(jī)器人高度的靈活性，不確定及未經(jīng)規(guī)劃的姿態(tài)很容易造成產(chǎn)品與設(shè)備的碰撞以及設(shè)備本身軸超限。因此需要對(duì)每一個(gè)制孔過(guò)程確定姿態(tài)。

機(jī)器人姿態(tài)的計(jì)算有運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解兩種方式。運(yùn)動(dòng)學(xué)正解通過(guò)計(jì)算設(shè)備各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量，來(lái)計(jì)算刀尖點(diǎn)TCP的位置，這體現(xiàn)在離線編程環(huán)境中通過(guò)調(diào)整各個(gè)軸的姿態(tài)，最終確定機(jī)器人姿態(tài)。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解通過(guò)給定刀尖點(diǎn)TCP的位置，反推設(shè)備各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量，即獲得設(shè)備的姿態(tài)，在離線編程中體現(xiàn)為通過(guò)調(diào)整刀尖點(diǎn)的位置和法向，利用各軸之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整。

3.1 基于標(biāo)簽的姿態(tài)定義及數(shù)據(jù)表達(dá)

單個(gè)產(chǎn)品的自動(dòng)制孔數(shù)量在2000個(gè)左右，如果對(duì)每個(gè)孔都采用正解或者逆解方式進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整，會(huì)造成離線編程工作量大，出錯(cuò)率高。利用標(biāo)簽具備方向性的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)制孔設(shè)備末端執(zhí)行器的姿態(tài)進(jìn)行控制。通過(guò)標(biāo)簽方向控制刀尖點(diǎn)坐標(biāo)系的方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人姿態(tài)的快速調(diào)整，大大提高了離線編程效率和編程可讀性。

在離線編程環(huán)境中，設(shè)備刀尖點(diǎn)（TCP）同樣采用具備u、v、w3個(gè)方向，標(biāo)簽具有位置屬性以及x、y、z3個(gè)向量的方向?qū)傩?，分別對(duì)應(yīng)TCP的u、v、w3個(gè)方向。在離線編程“tag”創(chuàng)建中，標(biāo)簽原點(diǎn)坐標(biāo)代表緊固件在產(chǎn)品表面的位置，z代表法向，其方向垂直于產(chǎn)品表面，因此原點(diǎn)及z方向不允許進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)調(diào)整x、y即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備在該處制孔的姿態(tài)，其調(diào)整方式如圖8所示。

3.2 標(biāo)簽坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

標(biāo)簽可以表示設(shè)備刀尖點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)確定TCP的姿態(tài)，通過(guò)逆解計(jì)算出設(shè)備的姿態(tài)。但在程序生成過(guò)程中，標(biāo)簽的點(diǎn)位和方向?yàn)楫a(chǎn)品坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，而在設(shè)備加工過(guò)程中，需要基于設(shè)備坐標(biāo)系的姿態(tài)數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)標(biāo)簽在產(chǎn)品坐標(biāo)系下的姿態(tài)轉(zhuǎn)換為設(shè)備坐標(biāo)系下的姿態(tài)。因此，需要建立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型，在程序輸出過(guò)程中完成飛機(jī)坐標(biāo)系下的標(biāo)簽坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)備坐標(biāo)系的制孔位置表達(dá)。

圖9表達(dá)了標(biāo)簽在設(shè)備坐標(biāo)系、飛機(jī)坐標(biāo)系以及世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型[10]。其中，為離線編程環(huán)境中飛機(jī)坐標(biāo)系，為自動(dòng)化制孔設(shè)備的基準(zhǔn)坐標(biāo)系，為離線編程環(huán)境下世界坐標(biāo)系。在離線編程環(huán)境中，飛機(jī)坐標(biāo)系和自動(dòng)化制孔設(shè)備的基準(zhǔn)坐標(biāo)系在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)以及緊固件標(biāo)簽P 在飛機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)均可以直接獲得。表示飛機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，自動(dòng)化制孔設(shè)備基坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，通過(guò)和可以得到飛機(jī)坐標(biāo)系到自動(dòng)化裝配設(shè)備基坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。3個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣間有如下關(guān)系：可以得到

圖8 基于標(biāo)簽的設(shè)備姿態(tài)調(diào)整Fig.8 Device posture adjustment label based

圖9 離線編程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換模型Fig.9 Transformation model of coordinate system for off-line programming

離線編程標(biāo)簽P在飛機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（x′，y′，z′），各坐標(biāo)軸上的基向量是uc、vc、wc。在世界坐標(biāo)系下，飛機(jī)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(xOC，yOC，zOC)，基向量uc、vc、wc的坐標(biāo)分別為(xuC，yuC，zuC)，(xvC，yvC，zvC)，(xwC，ywC，zwC)。

通過(guò)以上分析，可以求得標(biāo)簽P在世界坐標(biāo)系Owxwywzw的坐標(biāo)(x，y，z)：

可得到飛機(jī)坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣：

同理，可得自動(dòng)化制孔設(shè)備基坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣：

通過(guò)該轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算，即可將在飛機(jī)坐標(biāo)系下的標(biāo)簽姿態(tài)轉(zhuǎn)換為設(shè)備坐標(biāo)系下的刀尖點(diǎn)姿態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備路徑及姿態(tài)控制。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)離線編程數(shù)據(jù)及資源分析，建立了機(jī)器人離線編程數(shù)據(jù)庫(kù)。提出了基于MBD的自動(dòng)制孔工藝參數(shù)快速提取技術(shù)，并通過(guò)開發(fā)基于DELMIA的宏程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝數(shù)據(jù)的快速提取，提高了編程效率和準(zhǔn)確率，避免了人工制作工藝數(shù)模過(guò)程中引起的離線編程錯(cuò)誤。結(jié)合DELMIA 中“tag”具備特征屬性和方向定義的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了基于“tag”的參數(shù)表達(dá)以及設(shè)備姿態(tài)控制，提高了離線編程過(guò)程中姿態(tài)的高效率和準(zhǔn)確控制。通過(guò)對(duì)“tag”坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備加工坐標(biāo)的正確輸出。離線編程軟件數(shù)據(jù)的快速提取和設(shè)備姿態(tài)的準(zhǔn)確控制，為后續(xù)進(jìn)行離線編程標(biāo)準(zhǔn)化定制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。