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(shí)驗(yàn)室 梁雪梅 侯志霞 孫麗宏 潘 青

在飛機(jī)制造業(yè)，裝配過程中采用自動(dòng)制孔技術(shù)已成為趨勢，自動(dòng)制孔技術(shù)能夠大幅度提高裝配效率，節(jié)約安裝成本，改善勞動(dòng)條件，保證安裝質(zhì)量，減少人工制孔導(dǎo)致的飛機(jī)缺陷。

飛機(jī)裝配過程的自動(dòng)制孔過程仿真是指在可視化的環(huán)境中利用仿真技術(shù)模擬飛機(jī)裝配中自動(dòng)化制孔設(shè)備的制孔過程，可以用于制孔指令的正確性驗(yàn)證、制孔過程的碰撞干涉檢查、制孔時(shí)間估算、設(shè)備可達(dá)性檢查等。自動(dòng)制孔過程仿真是進(jìn)行自動(dòng)制孔前必不可少的步驟[1]。

在CATIA系統(tǒng)中，通過輸入設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的運(yùn)動(dòng)曲線可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)仿真。因此，本文提出一種根據(jù)制孔設(shè)備的指令生成仿真數(shù)據(jù)的方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔過程的仿真。

1 自動(dòng)制孔設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系分析

1.1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成

制孔設(shè)備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由7個(gè)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成,分別為X、Y、Z 3個(gè)方向的菱形副，繞X、Z方向的旋轉(zhuǎn)副、末端進(jìn)給和壓緊裝置進(jìn)給的菱形副。

在數(shù)模中查詢各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的名稱和各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的上下限值。自動(dòng)化制孔設(shè)備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)位置和方向如圖1所示。Z方向和C軸旋轉(zhuǎn)裝刀坐標(biāo)系

圖1 設(shè)備歸零時(shí)的機(jī)構(gòu)位置和方向Fig.1 Positions and directions of mechanisms when device return to zero

自動(dòng)化制孔系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系在CATIA數(shù)模中定義如圖2所示。

圖2 制孔設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)命令Fig.2 Mechanism commands of drilling device

1.2 運(yùn)動(dòng)鏈傳遞方向分析

運(yùn)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)遞方向X方向驅(qū)動(dòng)命令.1；Y方向驅(qū)動(dòng)命令.2；Z方向驅(qū)動(dòng)命令.3；C軸旋轉(zhuǎn)命令.4；A軸旋轉(zhuǎn)命令.5；末端執(zhí)行期進(jìn)給命令.6；壓緊裝置進(jìn)給命令.7（見圖2）。

1.3 設(shè)備歸零時(shí)的機(jī)構(gòu)位置分析

將設(shè)備歸零，在數(shù)模中找到如下位置，并建立相應(yīng)的坐標(biāo)系，各個(gè)坐標(biāo)系位置說明如下：

裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系：這個(gè)坐標(biāo)系的位姿能夠決定各個(gè)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)命令的取值，將該坐標(biāo)系定義在裝刀平面和主軸方向的交點(diǎn)處，坐標(biāo)系方向與設(shè)備機(jī)構(gòu)的方向一致。

壓腳坐標(biāo)系：位于壓腳中心，方向與裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系一致。

照相坐標(biāo)系：照相機(jī)用于制孔前對(duì)定位孔照相，用照相數(shù)據(jù)修正孔位在數(shù)模中的位置。照相坐標(biāo)系在照相機(jī)上的標(biāo)定位置上，方向與與裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系一致。

設(shè)備坐標(biāo)系：位置由設(shè)計(jì)人員給出，方向與設(shè)備歸零時(shí)的裝刀坐標(biāo)系一致。

C擺坐標(biāo)系：位置在C擺旋轉(zhuǎn)軸線與A擺旋轉(zhuǎn)軸線相交處，方向與與裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系一致。

A擺坐標(biāo)系：位置在A擺旋轉(zhuǎn)軸線和主軸中心線相交處，4軸線相交的位置、A軸旋轉(zhuǎn)命令。5軸線和刀軸線相交位置，這些位置用于完成機(jī)構(gòu)的擺角變化時(shí)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)值。方向與裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系一致。

2 加工指令的解析

加工指令解析的對(duì)象是離線編程軟件生成的APT文件經(jīng)后置處理后形成的加工指令，通過編制解析程序?qū)⒆詣?dòng)制孔設(shè)備的動(dòng)作進(jìn)行分類，形成制孔的動(dòng)作，記錄各個(gè)動(dòng)作的壓腳的目標(biāo)位置、方向和得到各個(gè)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)制孔加工指令的解析程序?qū)⒅瓶讋?dòng)作分類為如下類型：

機(jī)床動(dòng)作：五坐標(biāo)機(jī)床的動(dòng)作（除末端），包括開始、快速走刀、照相機(jī)移動(dòng)3個(gè)動(dòng)作，該動(dòng)作要從制孔加工文件中解析得到制孔末端執(zhí)行器刀尖的目標(biāo)位置。

末端動(dòng)作：末端執(zhí)行器的制孔動(dòng)作，該動(dòng)作要從制孔加工文件中解析得到制孔的工藝參數(shù)，包括鉆孔、壓緊、松開壓緊等動(dòng)作。

其他動(dòng)作：包括換刀和等待動(dòng)作。

開始動(dòng)作：機(jī)床從當(dāng)前位置運(yùn)動(dòng)到開始位置，壓腳運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。

快速走刀動(dòng)作：機(jī)床從上一位置運(yùn)動(dòng)到命令位置，壓腳運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。

照相動(dòng)作：機(jī)床從上一位置運(yùn)動(dòng)到命令位置，照相機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置。

鉆孔動(dòng)作：末端執(zhí)行器按指令提供的參數(shù)運(yùn)動(dòng)。

壓緊和松開壓緊動(dòng)作：壓緊機(jī)構(gòu)按指令運(yùn)動(dòng)。

換刀動(dòng)作：刀具改變。

等待動(dòng)作：機(jī)床和末端均無動(dòng)作，影響制孔仿真的時(shí)間。

各個(gè)動(dòng)作的層次關(guān)系如圖3所示。

圖3 自動(dòng)制孔動(dòng)作分類Fig.3 Type of automatic drilling action

3 仿真數(shù)據(jù)的生成

3.1 設(shè)備參數(shù)

設(shè)備參數(shù)包含計(jì)算仿真數(shù)據(jù)用到的與設(shè)備有關(guān)的數(shù)據(jù)，保存在文件中，計(jì)算程序首先要讀取設(shè)備參數(shù)。

設(shè)備參數(shù)主要包括以下數(shù)據(jù)：

（1）1.3中描述的各個(gè)坐標(biāo)系的定義；

（2）數(shù)模中表示的各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的名稱和各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的上下限值；

（3）照相參數(shù)；

（4）壓緊參數(shù)。

3.2 仿真數(shù)據(jù)生成

分別介紹各種動(dòng)作的仿真數(shù)據(jù)計(jì)算過程。

對(duì)于任何一個(gè)機(jī)床動(dòng)作設(shè)備各部件的位置均由裝刀點(diǎn)處的坐標(biāo)系決定，所以要根據(jù)指令中的壓腳坐標(biāo)系或照相坐標(biāo)系計(jì)算當(dāng)前裝刀點(diǎn)坐標(biāo)系的位姿矩陣，再根據(jù)裝刀點(diǎn)的位姿矩陣計(jì)算機(jī)床的各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的位置，運(yùn)動(dòng)的時(shí)間是由上一位置和當(dāng)前位置的距離和機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算得到的。

對(duì)于末端動(dòng)作，根據(jù)對(duì)NC文件的解析得到末端執(zhí)行器和壓緊機(jī)構(gòu)在制孔過程的運(yùn)動(dòng)過程和運(yùn)動(dòng)速度。

對(duì)于換刀動(dòng)作，修改程序的刀具參數(shù)，改變仿真中使用的刀具。

對(duì)于等待動(dòng)作，保持各個(gè)驅(qū)動(dòng)的命令值在一定時(shí)間內(nèi)不變。

程序的處理流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)制孔仿真數(shù)據(jù)生成流程圖Fig.4 Flow chart of creating simulation data

4 利用CATIA進(jìn)行制孔設(shè)備制孔過程的仿真

選取某機(jī)翼上若干孔位，通過離線編程軟件輸出APT文件并進(jìn)行后置輸出為CNC文件，通過仿真數(shù)據(jù)生成軟件輸出仿真數(shù)據(jù)，CNC文件如圖5所示。

圖5 自動(dòng)制孔CNC程序Fig.5 CNC program of automatic drilling

離線編程軟件對(duì)該文件進(jìn)行后置處理，生成設(shè)備加工程序，仿真軟件讀入加工程序，生成CATIA可以識(shí)別的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線文件，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)制孔的仿真曲線數(shù)據(jù)Fig.6 Simulation curve data of automatic drilling

將該文件導(dǎo)入到CATIA系統(tǒng)，即可進(jìn)行仿真法則曲線（圖 7）。

圖7 仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CATIA后生成的仿真法則曲線Fig.7 Simulation law curve created by importing simulation curve data in CATIA

通過CATIA的法則曲線顯示功能可以查看各個(gè)驅(qū)動(dòng)命令的法則曲線，圖8為X方向驅(qū)動(dòng)命令.1的法則曲線，通過曲線可以看出X方向的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)值在制孔過程中隨時(shí)間的變化。也可以通過定義設(shè)備和產(chǎn)品的干涉來檢查制孔過程設(shè)備與產(chǎn)品的干涉狀況。

5 結(jié)論

本文針對(duì)北京航空制造工程研究所設(shè)計(jì)制造的五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備，研究了五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備的裝配結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以自動(dòng)制孔設(shè)備的制孔指令為數(shù)據(jù)輸入，通過軟件讀入飛機(jī)壁板自動(dòng)制孔加工代碼，解析制孔設(shè)備的制孔動(dòng)作，計(jì)算制孔過程中各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，生成制孔設(shè)備機(jī)構(gòu)命令的法則曲線，利用CATIA的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)命令法則曲線的導(dǎo)入功能，實(shí)現(xiàn)了五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備制孔過程的仿真。

圖8 執(zhí)行制孔指令時(shí)X方向驅(qū)動(dòng)命令隨時(shí)間變化的法則曲線Fig.8 X direction command curve during device execute drilling command

[1] 孫麗宏,王偉.離線編程與仿真技術(shù)在柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔系統(tǒng)中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù), 2011(13):47-50.