運(yùn)載火箭短殼自動鉆鉚離線編程技術(shù)研究

盛王鼎 黎朝暉 周愿愿 張維軒

運(yùn)載火箭短殼自動鉆鉚離線編程技術(shù)研究

盛王鼎 黎朝暉 周愿愿 張維軒

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

為滿足運(yùn)載火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備的數(shù)控編程需求，結(jié)合自動鉆鉚工藝流程與數(shù)控程序結(jié)構(gòu)，分析了自動鉆鉚設(shè)備運(yùn)動學(xué)模型，提出了一種基于數(shù)控程序結(jié)構(gòu)的鉆鉚加工信息生成方法和基于齊次矩陣法的模塊化運(yùn)動控制算法。以此為基礎(chǔ)，研究開發(fā)了自動鉆鉚離線編程系統(tǒng)，并以某型火箭短殼自動鉚接為應(yīng)用對象，經(jīng)離線編程與仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)生成的數(shù)控程序完整性和運(yùn)動控制準(zhǔn)確性。

自動鉆鉚；運(yùn)動控制；運(yùn)動仿真；離線編程

1 引言

隨著我國航天工業(yè)的快速發(fā)展以及火箭發(fā)射任務(wù)的增多，迫切需要提高運(yùn)載火箭的產(chǎn)能與工藝水平。相對于傳統(tǒng)手工鉆鉚，自動鉆鉚技術(shù)在保證質(zhì)量與提高生產(chǎn)率方面有巨大的優(yōu)勢。由于航天產(chǎn)品批量小、孔位數(shù)量多、精度要求高，傳統(tǒng)的人工編程與示教編程在火箭短殼自動鉆鉚中難以有效運(yùn)用，因此離線編程技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)自動鉆鉚的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。目前自動鉆鉚離線編程技術(shù)主要應(yīng)用航空領(lǐng)域，南京航空航天大學(xué)對托架式五軸自動鉆鉚系統(tǒng)設(shè)計(jì)離線編程軟件并進(jìn)行了一系列的優(yōu)化研究[2，3]；部分航空院所對機(jī)器人自動鉆鉚的離線編程技術(shù)進(jìn)行了研究[4，5]。

實(shí)現(xiàn)火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備的離線數(shù)控編程，關(guān)鍵在于獲得完整的加工信息以及對運(yùn)動軸的精確控制。通過分析鉆鉚設(shè)備的工作原理與工藝流程，結(jié)合數(shù)控程序結(jié)構(gòu)，提出一種鉆鉚加工信息生成方法；為準(zhǔn)確控制末端執(zhí)行器，分解設(shè)備與運(yùn)動學(xué)分析，提出了一種針對火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備的運(yùn)動控制算法；根據(jù)上述算法設(shè)計(jì)自動鉆鉚離線編程軟件，并仿真數(shù)控程序，驗(yàn)證數(shù)控程序的完整性與運(yùn)動控制的準(zhǔn)確性。

2 工作原理與工藝流程分析

火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備包含設(shè)備主體結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)兩部分，其中設(shè)備主體由外鉚立柱、內(nèi)鉚立柱、鉆鉚組件、送釘系統(tǒng)、內(nèi)鉚組件以及轉(zhuǎn)臺等組成，如圖1所示，設(shè)備控制系統(tǒng)采用了西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)設(shè)備各項(xiàng)功能與運(yùn)動控制?；鸺虤そY(jié)構(gòu)如圖2所示，設(shè)備工作時(shí)通過轉(zhuǎn)臺組件帶動火箭短殼繞軸旋轉(zhuǎn)，并通過外鉚立柱與內(nèi)鉚立柱在軸方向的運(yùn)動使內(nèi)鉚末端執(zhí)行器與外鉚末端執(zhí)行器達(dá)到加工高度，實(shí)現(xiàn)鉚接位置的定位功能。

圖1 運(yùn)載火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備

圖2 某型運(yùn)載火箭短殼

鉚接位置定位完成后，外鉚末端執(zhí)行器（見圖3）的壓緊組件壓緊火箭短殼壁板，并鉆孔、送釘、插釘?shù)取Ｗ詈?，?nèi)鉚執(zhí)行器采用力與位移控制的壓鉚，完成完整的鉚接工作。

圖3 外鉚末端執(zhí)行器

不同于傳統(tǒng)的手工裝配，自動鉆鉚中數(shù)控設(shè)備參與程度高，需要結(jié)合產(chǎn)品、設(shè)備的特點(diǎn)設(shè)計(jì)總體工藝流程并確定相關(guān)工藝信息，實(shí)現(xiàn)加工全程對數(shù)控設(shè)備的精確控制，保證整個(gè)鉆鉚流程的順暢進(jìn)行[6]。在加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)按數(shù)據(jù)格式讀取數(shù)控加工程序內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，控制設(shè)備運(yùn)動軸的運(yùn)動與功能的實(shí)現(xiàn)。數(shù)控加工程序由若干程序段組成，每個(gè)程序段由一個(gè)或若干個(gè)指令字組成，指令字代表某一信息單元。數(shù)控加工程序包含所有設(shè)備所需的控制信息，因此按程序段的格式分析與生成各類指令字的類型與信息，即可獲得完整的工藝信息。

根據(jù)信息的層次關(guān)系并結(jié)合數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)將鉆鉚工藝信息分為三類：a.工藝步驟信息（N_、G_與T_）；b.運(yùn)動軸與功能信息（部分坐標(biāo)字與M_）；c.運(yùn)動參數(shù)信息（F_、S_與部分坐標(biāo)字）。生成工藝信息數(shù)據(jù)集時(shí)，首先生成工藝步驟信息，再根據(jù)工藝步驟信息與運(yùn)動控制算法生成對應(yīng)的運(yùn)動軸與功能信息，最后根據(jù)運(yùn)動軸信息并結(jié)合鉚釘?shù)膮?shù)從工藝數(shù)據(jù)庫中選擇合適的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和壓鉚力等參數(shù)。

3 自動鉆鉚運(yùn)動控制算法

自動鉆鉚運(yùn)動控制算法的準(zhǔn)確性將直接影響離線編程輸出數(shù)控程序的加工精度和加工效率[7]。采用矩陣法對自動鉆鉚設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模與分析，建立自動鉆鉚設(shè)備的控制算法。

自動鉆鉚設(shè)備需要控制8個(gè)運(yùn)動軸，其中有4個(gè)運(yùn)動軸的末端執(zhí)行器加工工件，并且工件厚度等參數(shù)也會影響設(shè)備的運(yùn)動控制。若對各末端執(zhí)行器單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動分析，將得到4條復(fù)雜且相關(guān)性差的運(yùn)動鏈，增加模型的理解難度與求解難度。根據(jù)火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備的結(jié)構(gòu)與加工特點(diǎn)，將自動鉆鉚運(yùn)動控制模型分解為鉆鉚定位控制、外鉚末端執(zhí)行器控制與內(nèi)鉚加工運(yùn)動控制三部分。

鉆鉚定位運(yùn)動學(xué)模型將復(fù)雜的外鉚末端執(zhí)行器簡化為直線模組，忽略工件厚度對加工的影響，并對轉(zhuǎn)臺、內(nèi)外立柱組件的運(yùn)動以及簡化后內(nèi)鉚、外鉚末端執(zhí)行器的運(yùn)動求解；外鉚加工運(yùn)動控制中，對復(fù)雜的外鉚末端執(zhí)行器進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)動學(xué)建模，并結(jié)合第一部分中的求解結(jié)果，解得外鉚末端執(zhí)行器中壓緊組件、鉆孔組件和插釘組件等的運(yùn)動參數(shù)；工件厚度以及鉚釘墩頭高度都將對內(nèi)鉚末端執(zhí)行器的運(yùn)動控制產(chǎn)生影響，在引入工件厚度與鉚釘墩頭高度后對內(nèi)鉚加工重新進(jìn)行運(yùn)動分析，修正內(nèi)鉚運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)。

3.1 鉆鉚定位控制運(yùn)動學(xué)分析

鉆鉚定位控制的運(yùn)動學(xué)分析過程中主要運(yùn)動軸為轉(zhuǎn)臺的軸、內(nèi)外立柱組件的1與2和簡化后內(nèi)、外鉚接末端執(zhí)行器組件的1與2，鉆鉚定位控制運(yùn)動學(xué)簡圖如圖4所示。

圖4 鉆鉚定位控制運(yùn)動學(xué)簡圖

圖4中涉及的坐標(biāo)系如下：

a. 基坐標(biāo)系{}：作為自動鉆鉚設(shè)備運(yùn)動學(xué)建模的基礎(chǔ)坐標(biāo)系，是自動鉆鉚設(shè)備的全局坐標(biāo)系。

c. 工件坐標(biāo)系{}：火箭短殼的基坐標(biāo)系。在自動鉆鉚過程中，工件坐標(biāo)系原點(diǎn)與平臺坐標(biāo)系原點(diǎn)重合。工件坐標(biāo)系{}相對于平臺坐標(biāo)系{}的坐標(biāo)變換矩陣，對不同的工件坐標(biāo)系定義存在不同變換矩陣，對于本文的設(shè)備：

e. 外鉚基坐標(biāo)系{B}與內(nèi)鉚基坐標(biāo)系{B}：{B}與{B}作為基坐標(biāo)系到工具坐標(biāo)系的過度。

（4）

f. 外鉚工具坐標(biāo)系{T}與內(nèi)鉚工具坐標(biāo)系{T}：{T}與{T}用于描述在基坐標(biāo)系下外鉚與內(nèi)鉚加工工具的位姿。外鉚末端執(zhí)行器在外鉚立柱上沿1軸運(yùn)動，加工工具能在1方向運(yùn)動，獲得外鉚工具坐標(biāo)系{T}相對外鉚立柱基坐標(biāo)系{B}的變換矩陣如式（6）所示：

（6）

同理，內(nèi)鉚工具坐標(biāo)系{}相對內(nèi)鉚立柱基坐標(biāo)系{}的變換矩陣如式（7）所示。

以外鉚末端執(zhí)行器鉆鉚加工的工況為例，當(dāng)外鉚末端執(zhí)行器對鉚接目標(biāo)加工時(shí)，得到相關(guān)位姿矩陣的有向變換圖，如圖5所示。

根據(jù)圖5的位姿關(guān)系鏈，可以得到外鉚末端執(zhí)行器加工過程中位姿矩陣變換公式[8]：

其中，為加工過程中加工目標(biāo)與外鉚末端執(zhí)行器的位姿關(guān)系，是的逆矩陣：

將式（1）～式（4）以及式（6）代入式（8），獲得火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備的運(yùn)動學(xué)模型為：

采用代數(shù)法對運(yùn)動學(xué)模型求解，獲得鉆鉚加工過程中運(yùn)動軸的關(guān)節(jié)變量，解得：

同理，對內(nèi)鉚末端執(zhí)行器采用相同方法進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模與分析，得到內(nèi)鉚末端執(zhí)行器相關(guān)運(yùn)動軸的關(guān)節(jié)變量：

3.2 外鉚末端執(zhí)行器運(yùn)動學(xué)分析

通過對外鉚末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模與分析，計(jì)算獲得鉆鉚加工過程中外鉚末端執(zhí)行器各機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)變量。外鉚末端執(zhí)行器運(yùn)動學(xué)簡圖如圖6所示。根據(jù)外鉚末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，建立基坐標(biāo)系{}。目標(biāo)坐標(biāo)系{}為鉆鉚定位控制分析中的外鉚工具坐標(biāo)系{}，因此可知：=Trans(0,0,1)。

圖6 外鉚末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡圖

對外鉚機(jī)構(gòu)、鉆孔機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)三個(gè)末端執(zhí)行器建立工具坐標(biāo)系{1}、{2}、{3}。在加工過程中正在加工操作的末端執(zhí)行器，均有=Trans(0,0,1)并且為單位矩陣。得到各工具加工時(shí)工具坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的矩陣變換如式（12）所示：

分析末端執(zhí)行器的運(yùn)動鏈，獲得末端執(zhí)行器使用過程中的矩陣變換公式，其中，為外鉚頭與鉆削組件軸線的距離，為滑臺機(jī)構(gòu)相對于基坐標(biāo)在方向的位置變換：

代入1=-b，解得在{1}、{2}、{3}進(jìn)行加工操作時(shí)，相關(guān)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)變量為：

3.3 壓鉚加工運(yùn)動學(xué)分析

在分析鉆鉚定位的過程中，火箭短殼被簡化為圓柱面，導(dǎo)致火箭短殼壁板的厚度信息被忽略，內(nèi)鉚末端執(zhí)行器運(yùn)動軌跡控制存在的系統(tǒng)誤差。為實(shí)現(xiàn)不同厚度火箭短殼的自動鉆鉚，以及消除誤差，重新引入厚度信息與墩頭高度信息，并對壓鉚加工過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，如圖7所示。

圖7 內(nèi)鉚過程示意圖

根據(jù)內(nèi)鉚末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)建立基坐標(biāo)系{}，目標(biāo)坐標(biāo)系{}為在設(shè)備運(yùn)動學(xué)分析中獲得的內(nèi)鉚工具坐標(biāo)系{T}，Trans(0,0,2)。建立實(shí)際加工過程中內(nèi)鉚工具坐標(biāo)系{}，得到矩陣變換公式：

分析圖7可得為加工時(shí)目標(biāo)坐標(biāo)系{}與工件坐標(biāo)系{}的位姿關(guān)系，其中為兩壁板厚度之和，為鉚釘墩頭高度。為加工過程中工具坐標(biāo)系{}相對于基坐標(biāo)系{}的變換矩陣。

（16）

代入2=-，解得內(nèi)鉚末端執(zhí)行器實(shí)際運(yùn)動量：

4 自動鉆鉚離線編程軟件設(shè)計(jì)

為滿足不同型號及批量火箭短殼的生產(chǎn)需求，離線編程軟件需要根據(jù)工件的直徑、厚度以及鉚釘?shù)闹睆?、長度等工藝參數(shù)生成正確的鉆鉚工藝信息，并能修改與優(yōu)化加工過程中的部分工藝參數(shù)。

自動鉆鉚離線編程軟件采用C/C++語言為編程基礎(chǔ)，并將自動鉆鉚離線編程系統(tǒng)分解為：a.鉚接信息讀取與管理；b.鉚接加工信息集生成；c.完善運(yùn)動軌跡與功能信息；d.完善加工工藝參數(shù)；e.輸出自動鉆鉚數(shù)控程序。離線編程系統(tǒng)總體流程如圖8所示。

圖8 離線編程系統(tǒng)總體流程

自動鉆鉚離線編程系統(tǒng)從外部接口讀入并儲存火箭短殼的鉚接位點(diǎn)信息與鉚釘信息。根據(jù)自動鉆鉚離線編程的加工信息生成方法，使用結(jié)構(gòu)體與VERICUT類生成能儲存鉆鉚所需完整加工信息的數(shù)據(jù)集。采用自動鉆鉚離線編程系統(tǒng)運(yùn)動控制算法，結(jié)合火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備的相關(guān)信息，求解自動鉆鉚設(shè)備各個(gè)運(yùn)動軸的運(yùn)動距離。根據(jù)運(yùn)動軸、關(guān)節(jié)變量、工件與鉚釘，調(diào)用相應(yīng)的加工工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫以選取合適的工藝參數(shù)，獲得可自動鉆鉚設(shè)備運(yùn)行的所有控制信息。根據(jù)自動鉆鉚設(shè)備的數(shù)控編程規(guī)則設(shè)計(jì)對應(yīng)的信息編譯程序，將鉆鉚加工信息以NC代碼的形式輸出，獲得控制自動鉆鉚設(shè)備的數(shù)控程序，具體程序內(nèi)容如下：

5 數(shù)控程序仿真驗(yàn)證

使用基于VERICUT平臺的自動鉆鉚仿真模型對離線編程輸出的數(shù)控程序加工仿真，能高效安全地驗(yàn)證數(shù)控程序的可行性、完整性與運(yùn)動控制的準(zhǔn)確性[8]。

根據(jù)自動鉆鉚設(shè)備的運(yùn)動學(xué)分析獲得的運(yùn)動鏈，建立自動鉆鉚設(shè)備的仿真模型，并導(dǎo)入各運(yùn)動組件的模型，設(shè)置運(yùn)動軸坐標(biāo)系、行程等參數(shù)。獲得基于VERICUT平臺的火箭短殼自動鉆鉚設(shè)備仿真模型，如圖9所示。

圖9 自動鉆鉚設(shè)備仿真模型

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的環(huán)境下，根據(jù)自動鉆鉚設(shè)備的特殊功能需求配置數(shù)控系統(tǒng)文件，實(shí)現(xiàn)對壓鉚等過程新增的坐標(biāo)字與鉚接質(zhì)量檢測等輔助功能的識別。將火箭短殼、安裝板與模擬鉚釘導(dǎo)入VERICUT平臺，輸入離線編程獲得的數(shù)控程序后仿真，驗(yàn)證數(shù)控程序的完整性與運(yùn)動控制的準(zhǔn)確性。

以某型號火箭短殼為例，使用火箭短殼自動鉆鉚離線編程軟件讀取鉚接孔位與緊固件信息，獲得該火箭短殼自動鉆鉚的數(shù)控程序。使用自動鉆鉚仿真模型對數(shù)控程序仿真，在載入火箭短殼、安裝板和模擬鉚釘并設(shè)置數(shù)控程序后，運(yùn)行VERICUT仿真演示。仿真如圖10～圖13所示，自動鉆鉚設(shè)備仿真模型成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺與立柱運(yùn)動的鉆鉚定位以及壓緊、鉆孔、外鉚機(jī)構(gòu)插釘、內(nèi)鉚機(jī)構(gòu)壓鉚等操作以及對速度等參數(shù)的控制，并且機(jī)構(gòu)間無碰撞與干涉等錯(cuò)誤的發(fā)生，證明數(shù)控程序包含完整加工信息。

圖10 壓緊工作示意圖

圖11 鉆孔工作示意圖

圖12 插釘工作示意圖

圖13 壓鉚工作示意圖

仿真過程中對需要精確控制的末端執(zhí)行器即壓緊組件、外鉚組件以及內(nèi)鉚組件的加工位置進(jìn)行測量，以工件中的4個(gè)鉆鉚點(diǎn)為例，測量在基坐標(biāo)系下鉆鉚點(diǎn)位置、鉆鉚點(diǎn)墩頭表面位置、壓緊組件工作位置、外鉚組件工作位置與內(nèi)鉚壓頭工作位置，如表1所示。

表1 末端執(zhí)行器加工狀態(tài)位置信息

由表1數(shù)據(jù)可得，火箭短殼離線編程控制算法能根據(jù)鉆鉚點(diǎn)位置、工件厚度與墩頭厚度，準(zhǔn)確計(jì)算運(yùn)動軸的驅(qū)動量，生成的數(shù)控程序運(yùn)動控制準(zhǔn)確，能正確控制末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)鉚接加工。

6 結(jié)束語

通過對火箭短殼自動鉆鉚工藝流程與自動鉆鉚設(shè)備的分析與研究，提出了一種鉆鉚加工信息生成方法和運(yùn)動控制算法，并開發(fā)了自動鉆鉚離線編程系統(tǒng)。以某型火箭短殼自動鉆鉚為例，使用該離線編程系統(tǒng)實(shí)踐并仿真驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證，自動鉆鉚離線編程系統(tǒng)生成的數(shù)控程序信息完整、運(yùn)動控制準(zhǔn)確，滿足了自動鉆鉚設(shè)備離線編程的使用需求。

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Research on Offline Programming Technology of Automatic Drilling and Riveting for Short Shell of Launch Vehicle

Sheng Wangding Li Zhaohui Zhou Yuanyuan ZhangWeixuan

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

In order to meet the NC programming requirements of rocket short shell automatic drilling and riveting equipment, combined with automatic drilling and riveting process and NC program structure, analyzed the kinematic model of automatic drilling and riveting equipment. A drilling and riveting processing information generation method and motion control algorithm are proposed. On this basis, the offline programming system is developed. Taking an end frame as an example, through offline programming and simulation, it is proved that the NC program is complete and the motion control is accurate.

automatic drilling and riveting；motion control；motion simulation；offline programming

TP29

A

盛王鼎（1997），碩士，航空宇航科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：數(shù)控技術(shù)。

2021-08-09