中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 萬(wàn)世明
南 京 航 空 航 天 大 學(xué) 陳亞麗 肖 爽 田 威
航空、航天制造的一大難題是飛行器蒙皮采用“先成型后加工”工藝時(shí),成型后的半成品為剛度極差的彈性薄壁件且表面輪廓為自由曲面,針對(duì)剛性體的六點(diǎn)定位原理不適用于這種彈性體曲面零件。解決此問(wèn)題的技術(shù)途徑有兩條:(1)剛性途徑,在工裝上加工出與工件曲面相對(duì)應(yīng)的剛性支承曲面,該方法柔性差、效率低。(2)柔性途徑,通過(guò)調(diào)整、控制等手段來(lái)動(dòng)態(tài)生成所需要的工裝支承曲面,因此一種工裝可用于不同零件的加工,可大幅提高制造柔性和效率,并可通過(guò)信息化手段進(jìn)行誤差校正,從而提高加工精度[1-3]。
顯然,柔性途徑比剛性途徑更具有優(yōu)勢(shì)。但是,要實(shí)現(xiàn)柔性途徑,必須解決工裝支承曲面的快速生成以及相應(yīng)的控制技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題。本文對(duì)以柔性途徑實(shí)現(xiàn)柔性工裝的快速重構(gòu)方法進(jìn)行了研究。
針對(duì)飛行器薄壁曲面零件加工的特殊要求,開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器人操作的行列式柔性工裝,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 行列式柔性工裝系統(tǒng)Fig.1 Determinant of flexible tooling system
圖1機(jī)械系統(tǒng)主要由電機(jī)、POGO柱、立柱、工裝導(dǎo)軌和機(jī)器人組成。共有5根立柱,每根立柱上面分布5個(gè)電機(jī)和 5根POGO柱,一個(gè)電機(jī)與一根POGO柱組成一個(gè)隨動(dòng)定位單元。該系統(tǒng)采用POGO柱由機(jī)器人集中驅(qū)動(dòng)的方式,電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)在Y方向上的移動(dòng),以方便調(diào)整各個(gè)POGO柱在對(duì)應(yīng)立柱上的分布位置;末端執(zhí)行器上安裝有一個(gè)氣爪裝置,機(jī)器人主要帶動(dòng)末端執(zhí)行器,通過(guò)氣爪裝置實(shí)現(xiàn)POGO柱在Z方向上的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)產(chǎn)品外形發(fā)生變化時(shí),吸附點(diǎn)陣局部自動(dòng)進(jìn)行數(shù)字調(diào)整,可以適應(yīng)不同的蒙皮組件外形[4]。
工裝產(chǎn)品的調(diào)型提前于產(chǎn)品安放,POGO柱自身沒(méi)有動(dòng)力裝置,一旦調(diào)型完成,則后續(xù)柔性工裝調(diào)整將會(huì)很麻煩,所以對(duì)工裝坐標(biāo)系進(jìn)行標(biāo)定,以使機(jī)器人在實(shí)際的調(diào)型中擁有足夠高的容錯(cuò)能力。假設(shè)理論工裝坐標(biāo)系為OT,初始工裝驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)P=(x,y,z,0,0,180),根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工裝坐標(biāo)系為OT',坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)變?yōu)?,由于隨動(dòng)定位單元的特殊性,只修改位置不修改姿態(tài),則實(shí)際驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)變?yōu)镻'=(x',y',z',90,0,180),通過(guò)這種方法修正工裝的安裝誤差。
為較少工件制造誤差(翼面曲率不一致),本文所研究的隨動(dòng)定位單元經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì),通過(guò)增加彈簧與鎖緊模塊,POGO柱的自適應(yīng)范圍較大,能夠自動(dòng)抵消和補(bǔ)償調(diào)型誤差,其最高修正誤差范圍可達(dá)2mm。通過(guò)對(duì)工裝的安裝誤差的修正,并通過(guò)POGO柱自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)補(bǔ)償產(chǎn)品制造誤差,保證柔性工裝系統(tǒng)的自適應(yīng)性與吸附可靠性。
為此,在進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中,可以先根據(jù)工裝驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)調(diào)整各個(gè)立柱間的距離,點(diǎn)擊的分布可由上位機(jī)控制進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)整,最后機(jī)器人再將POGO柱沿Z方向調(diào)整至合適的位置,最后將工件2放在POGO柱的吸附表面的正確位置,通過(guò)真空吸力固定住,即可對(duì)工件進(jìn)行加工。
柔性工裝最大的優(yōu)勢(shì)在于POGO柱點(diǎn)陣能夠隨著產(chǎn)品模型與待夾持位置的變化而變化,其工藝要求是:合理布局、精確定位與穩(wěn)定裝夾[5]。本文所研究的行列式柔性工裝系統(tǒng),雖然由于自身特性使其能夠采用被動(dòng)式定位單元完成整個(gè)工裝系統(tǒng)的重構(gòu),但對(duì)任何一種工裝系統(tǒng)來(lái)說(shuō),對(duì)吸附點(diǎn)位的規(guī)劃即工裝驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)都是其關(guān)鍵技術(shù)[6]。
工裝驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法為:依據(jù)工裝與產(chǎn)品的裝配模型,將產(chǎn)品邊界、待鉆孔位置(x,y,z)及法向矢量(xdir,ydir,zdir)向工裝基準(zhǔn)平面投影,根據(jù)投影信息對(duì)投影吸附點(diǎn)進(jìn)行合理優(yōu)化,反求出投影吸附點(diǎn)在產(chǎn)品模型上的位置信息,該信息即為規(guī)劃的吸附點(diǎn)位置,如圖2所示。
POGO柱的合理布局指的是工裝基準(zhǔn)平面上的電機(jī)或者立柱的合理距離。POGO柱吸附點(diǎn)受自身結(jié)構(gòu)限制,不能直接在產(chǎn)品數(shù)模上規(guī)劃,要將待加工點(diǎn)向工裝基準(zhǔn)平面投影,在基準(zhǔn)平面內(nèi)完成對(duì)POGO柱的合理布局。
用 f(x1,x2,…,xn)(n為待鉆孔數(shù)目)表示待鉆孔位置信息,P=(x,y,z,xdir,ydir,zdir)表示待鉆點(diǎn)位置,Ax+By+Cz+D=0表示工裝基準(zhǔn)面方程,以h表示孔深。
圖2 柔性工裝驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)生成原理Fig.2 Generation principle of flexible tooling driving data
則P1 位置為:P1=(x+h·xdir,y+h·ydir,z+h·zdir)。P1到平面的距離為:
用=(xdir',ydir',zdir')
表示基準(zhǔn)平面的法向,則投影點(diǎn)P2的位置信息為:P1=(x+d·xdir',y+d·ydir',z+d·zdir'),因此可求出所有的投影點(diǎn)信息 f'(x1,x2,…,xn)。
傳統(tǒng)剛性零件的定位原理為“3-2-1”,即在第一基準(zhǔn)面上限制3個(gè)自由度,然后在第二基準(zhǔn)面限制2個(gè)自由度,最后再限制1個(gè)自由度。飛機(jī)產(chǎn)品由于剛性較差,如果以“3-2-1”定位原理進(jìn)行定位,將會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)品變形過(guò)大,不滿足弱剛性的機(jī)翼部件定位要求等問(wèn)題。于是Cai[7]等提出了“N-2-1”定位原理,即通過(guò)N個(gè)點(diǎn)代替待吸附曲面,此時(shí)將定位問(wèn)題變?yōu)閺?fù)雜的點(diǎn)位規(guī)劃問(wèn)題,然而在理論規(guī)劃時(shí)有以下限制條件:(1)同一根立柱的POGO柱位置應(yīng)該在同一條直線上。(2)柔性工裝的投影吸附位置滿足:立柱之間距離大于最小立柱間隔距離,滑塊之間距離大于最小滑塊間隔距離。吸附位置應(yīng)該處在產(chǎn)品邊界范圍之內(nèi),如果不能滿足,則考慮該立柱或者POGO柱不參與吸附。(3)每一個(gè)待加工點(diǎn)都存在不可加工范圍,因?yàn)榇庸c(diǎn)不能處在吸盤(pán)自身范圍之內(nèi)。(4)POGO柱的吸附位置應(yīng)該相對(duì)均勻分布。
因此計(jì)算方法如下,首先根據(jù)投影長(zhǎng)度 與投影寬度 計(jì)算立柱間距離與滑塊間距離,初始情況下m=5,n=5,如式(1)所示。
當(dāng)計(jì)算的Δx<Δxlimit時(shí),則m=m-1;Δy<Δylimit時(shí),則n=n-1。在計(jì)算最大允許數(shù)目之后,依據(jù)吸附位置限制條件判斷當(dāng)前吸附位置是否可行。如果處在不可吸附位置,則對(duì)吸附位置偏移一定距離,然后再次判斷。通過(guò)不斷的調(diào)整使立柱與滑塊處在合適位置,優(yōu)化效果如圖3所示。
圖3 投影吸附點(diǎn)規(guī)劃效果Fig.3 Projection effect of adsorption site planning
然而,理論吸附位置優(yōu)化時(shí)是將產(chǎn)品當(dāng)作一個(gè)連續(xù)光滑曲面,沒(méi)有考慮表面現(xiàn)有加工孔、穿心夾、桁、肋、剛性工裝框架等情況,考慮到飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及其剛性框架的復(fù)雜性,自動(dòng)規(guī)劃的柔性工裝吸附位置往往還需要二次調(diào)整。
要測(cè)量POGO柱的Z向調(diào)整距離,即測(cè)量POGO柱的球頭中心點(diǎn)與待吸附曲面的距離很麻煩。為了能夠快速解決這個(gè)問(wèn)題,利用DELMIA進(jìn)行裝配仿真,在每一個(gè)POGO柱的中心都創(chuàng)建一個(gè)Tag點(diǎn),該Tag點(diǎn)會(huì)隨著POGO柱的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)(Tag點(diǎn)為POGO柱的子集),在完成對(duì)投影吸附點(diǎn)位規(guī)劃之后,通過(guò)投影(Project)命令,將Tag點(diǎn)向待吸附曲面投影,則此時(shí)的Tag點(diǎn)位即是吸附點(diǎn),Tag點(diǎn)在Z方向上的移動(dòng)距離,即為POGO柱的調(diào)整距離。
將工裝數(shù)模導(dǎo)入DELMIA中進(jìn)行裝配仿真,以POGO柱初始位置平面為工裝的基準(zhǔn)面,將產(chǎn)品數(shù)模上的點(diǎn)位信息向工裝基準(zhǔn)面進(jìn)行投影,按照產(chǎn)品尺寸計(jì)算出的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)(立柱以及滑塊之間的距離)對(duì)裝配數(shù)模進(jìn)行調(diào)整,POGO柱的分布較均勻,而且POGO柱上面的吸盤(pán)與工件上面的待加工孔位也互不干涉,最后利用機(jī)器人調(diào)整POGO柱的伸出距離,調(diào)整之后如圖4所示。
圖4 仿真效果Fig.4 Simulation result
本文針對(duì)飛機(jī)薄壁曲面工件柔性加工的實(shí)際需求,對(duì)行列式柔性工裝快速重構(gòu)的方法進(jìn)行了研究,探討了通過(guò)產(chǎn)品數(shù)模和工裝基準(zhǔn)面進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和求解柔性工裝POGO柱的吸附位置的計(jì)算方法,并基于DELMIA仿真環(huán)境對(duì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)整。仿真結(jié)果表明,本文提出的實(shí)現(xiàn)方法可較好地解決柔性工裝POGO柱的合理分布問(wèn)題,滿足了項(xiàng)目的總體需求,具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。
[1] 周凱.飛行器大型薄壁件制造的柔性工裝技術(shù).航空制造技術(shù),2012(3):34-39.
[2] 門(mén)延武,周凱. 自由曲面薄壁工件加工的柔性定位方法的研究. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2010(10):113-117.
[3] 陸俊百,周凱,張伯鵬.飛行器薄壁件柔性工裝定位/支承陣列優(yōu)化自生成研究. 中國(guó)機(jī)械工程,2010(19):2369-2378.
[4] 李文強(qiáng),李賀,段磊,等.飛機(jī)蒙皮吸盤(pán)式柔性工裝系統(tǒng)研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(8):156-158.
[5] 朱耀祥,融亦鳴.柔性?shī)A具及計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展. 制造技術(shù)與機(jī)床, 2006(98):5-8.
[6] 胡福文,李東升,李小強(qiáng),等.蒙皮柔性?shī)A持?jǐn)?shù)控切邊的工藝設(shè)計(jì)方法. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2012(5): 675-680.
[7] CAI W,HU S J,YUAN J X. Deformable sheet metal fixturing:principles,algorithms,and simulations. Manuf Sci Eng,1996(118):318-324.