（中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，西安 710089）

隨著數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，自動制孔技術(shù)因其制孔精度高、加工過程穩(wěn)定的特點，已經(jīng)大量應用在飛機數(shù)字化裝配過程中[1]。自動制孔設(shè)備NC程序的編制通常有兩種形式：一種為手工編制，通過獲取產(chǎn)品點位信息，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]，即進行加工設(shè)備任務(wù)規(guī)劃的軟件系統(tǒng)通過操作加工設(shè)備數(shù)模和相關(guān)規(guī)劃算法，在脫離現(xiàn)實加工環(huán)境的情況下完成加工任務(wù)規(guī)劃并對結(jié)果進行仿真修正，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、出錯率高已經(jīng)逐步被淘汰。離線編程方法效率高、對編程人員技能要求低，已經(jīng)成為飛機自動制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，是實現(xiàn)機器人、多功能末端執(zhí)行器、柔性工裝等工藝裝備協(xié)調(diào)配合完成整個裝配過程的紐帶，直接影響著鉆鉚加工精度、裝配效率與裝配質(zhì)量[4]。

目前國外EI、CENIT、ABB、KUKA[5-6]，國內(nèi)浙江大學、上海拓璞、中國航空制造技術(shù)研究院[7]等單位對不同的自動制孔設(shè)備進行了相應的離線編程軟件的研究及開發(fā)。飛機自動制孔涉及成千上萬個制孔信息，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)編制錯誤風險增大，同時姿態(tài)調(diào)整復雜，工作量大。

本文針對自動制孔加工過程，提出了基于數(shù)據(jù)庫及標簽定義的離線實現(xiàn)方式，為實現(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

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

在自動制孔需求數(shù)據(jù)中，產(chǎn)品模型、孔位信息、標準件信息、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。為實現(xiàn)編程，需要創(chuàng)建包含以上所有信息的工藝參數(shù)庫，將數(shù)據(jù)進行細分，形成離線編程工藝參數(shù)庫架構(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、編程防差錯的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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

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

2 基于MBD的自動制孔工藝數(shù)據(jù)快速匹配

MBD（Model based defination）技術(shù)使飛機產(chǎn)品幾何三維模型對相關(guān)的工藝信息、參數(shù)信息、設(shè)計信息等進行了標準化管理，具有準確性定義、規(guī)范化定義以及面向工藝的定義等特點[8]，這些特點為工藝數(shù)據(jù)快速提取提供了先決條件[9]。然而飛機產(chǎn)品三維數(shù)字化模型的表達不會考慮自動制孔離線編程對數(shù)據(jù)提取需求，因此設(shè)計的裝配模型定義中的數(shù)據(jù)量以及數(shù)據(jù)格式無法滿足自動制孔離線編程需求。在自動鉆鉚離線編程時，必須對產(chǎn)品模型進行數(shù)據(jù)挖掘，并結(jié)合工藝數(shù)據(jù)進行提取和二次定義，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線編程所需各項參數(shù)并能被離線編程軟件識別的模型，即工藝模型。在離線編程時，通過讀取工藝特征模型，將自動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 離線編程基準面提取

在產(chǎn)品模型中，緊固件一般采用點或線的形式進行表達。這就導致采用點進行表達的緊固件無法提取方向，采用線表達的緊固件無法提取位置。因此需要對產(chǎn)品加工表面進行提取形成基準面，結(jié)合產(chǎn)品不同的緊固件的表達形式，利用緊固件點在基準面上的法線獲得制孔法向，或者緊固件線與基準面相交獲得制孔坐標，實現(xiàn)對制孔法向和坐標位置的定義。

2.2 標準件信息提取

傳統(tǒng)的離線編程方式，需要將設(shè)計模型中的標準件按照離線編程軟件的要求，進行二次規(guī)劃，即重新對標準件點位信息進行編制。這種方式降低了離線編程軟件的設(shè)計難度，但是增加了離線編程人員的工作量，同時，對標準件信息的二次編輯過程無防差錯，很容易造成點位設(shè)計錯誤。

在MBD數(shù)據(jù)中，標準件在設(shè)計數(shù)模中以點或者線的形式進行表達，同時在結(jié)構(gòu)樹中，雖然標準件形式不一樣，但是在其結(jié)構(gòu)樹路徑中會將該標準件的牌號進行統(tǒng)一表達，如圖3所示。

根據(jù)MBD特點，可以通過讀取標準點位所在的結(jié)構(gòu)路徑，并結(jié)合工藝數(shù)據(jù)庫進行，實現(xiàn)對標準件工藝信息的快速提取。基本流程如圖4所示。

圖3 不同型號飛機緊固件表達形式Fig.3 Expression of fastener information for different aircraft

圖4 標準件信息提取流程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程中的進刀量，同時對于疊層材料不同的產(chǎn)品，尤其是復合材料和鈦合金疊層，其加工轉(zhuǎn)速和進給相差很大，必須根據(jù)不同疊層厚度進行加工參數(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，以標準件孔位為中心，產(chǎn)品表面為起點，建立與標準件理論長度及制孔方向相同的標準件模型。以制孔穿過的產(chǎn)品疊層表面對標準件模型進行分割并計算分割后各段的長度，進而獲得產(chǎn)品的疊層厚度。

同樣，以產(chǎn)品表面為起點遍歷標準件連接的產(chǎn)品各個疊層零件信息，通過讀取對應數(shù)模中標注的材料信息并與材料庫進行核對，提取出制孔疊層材料信息，流程如圖5所示。

2.4 基于標簽的工藝特征表達

在CATIA 中，標簽（tag）是一種類似坐標系具有屬性及方向定義的幾何元素。標簽的方向性在下文設(shè)備姿態(tài)定義中進行分析，利用標簽具有屬性的特征，通過二次開發(fā)的宏程序，在每個制孔點上創(chuàng)建一個標簽，將從離線編程參數(shù)庫獲得的標準件參數(shù)以及測量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)獲得的制孔法向、疊層材料及厚度等各項特征賦予標簽，形成編程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在后置處理程序時，通過識別標簽屬性并進一步匹配工藝參數(shù)庫，完成加工參數(shù)的生成?；跇撕灥臄?shù)據(jù)表達如圖6所示，表達模型中，包含了標準件牌號、疊層厚度及材料、锪窩深度、夾緊力等離線編程需求參數(shù)，同時可以根據(jù)需求，進行參數(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，對工藝參數(shù)進行提取，并對相同類型標簽進行分類創(chuàng)建，形成如圖7所示的基于標簽的工藝模型。

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表Fig.6 Off-line programming process information storage table

圖7 基于標簽的工藝模型Fig.7 Tag based process model

3 自動制孔設(shè)備姿態(tài)定義

產(chǎn)品數(shù)模中的緊固件采用點或者線的形式體現(xiàn)，可通過產(chǎn)品點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)卻無法控制。由于自動制孔機器人高度的靈活性，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。因此需要對每一個制孔過程確定姿態(tài)。

機器人姿態(tài)的計算有運動學正解和運動學逆解兩種方式。運動學正解通過計算設(shè)備各個關(guān)節(jié)的運動量，來計算刀尖點TCP的位置，這體現(xiàn)在離線編程環(huán)境中通過調(diào)整各個軸的姿態(tài)，最終確定機器人姿態(tài)。運動學逆解通過給定刀尖點TCP的位置，反推設(shè)備各個關(guān)節(jié)的運動量，即獲得設(shè)備的姿態(tài)，在離線編程中體現(xiàn)為通過調(diào)整刀尖點的位置和法向，利用各軸之間的運動學關(guān)系，實現(xiàn)機器人姿態(tài)的調(diào)整。

3.1 基于標簽的姿態(tài)定義及數(shù)據(jù)表達

單個產(chǎn)品的自動制孔數(shù)量在2000個左右，如果對每個孔都采用正解或者逆解方式進行姿態(tài)的調(diào)整，會造成離線編程工作量大，出錯率高。利用標簽具備方向性的特點可以實現(xiàn)對自動制孔設(shè)備末端執(zhí)行器的姿態(tài)進行控制。通過標簽方向控制刀尖點坐標系的方向，實現(xiàn)機器人姿態(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（TCP）同樣采用具備u、v、w3個方向，標簽具有位置屬性以及x、y、z3個向量的方向?qū)傩?，分別對應TCP的u、v、w3個方向。在離線編程“tag”創(chuàng)建中，標簽原點坐標代表緊固件在產(chǎn)品表面的位置，z代表法向，其方向垂直于產(chǎn)品表面，因此原點及z方向不允許進行調(diào)整，通過調(diào)整x、y即可實現(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 標簽坐標轉(zhuǎn)換

標簽可以表示設(shè)備刀尖點坐標，同時確定TCP的姿態(tài)，通過逆解計算出設(shè)備的姿態(tài)。但在程序生成過程中，標簽的點位和方向為產(chǎn)品坐標系下的數(shù)據(jù)，而在設(shè)備加工過程中，需要基于設(shè)備坐標系的姿態(tài)數(shù)據(jù)，因此需要對標簽在產(chǎn)品坐標系下的姿態(tài)轉(zhuǎn)換為設(shè)備坐標系下的姿態(tài)。因此，需要建立坐標轉(zhuǎn)換模型，在程序輸出過程中完成飛機坐標系下的標簽坐標轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)基于設(shè)備坐標系的制孔位置表達。

圖9表達了標簽在設(shè)備坐標系、飛機坐標系以及世界坐標系的轉(zhuǎn)換模型[10]。其中，為離線編程環(huán)境中飛機坐標系，為自動化制孔設(shè)備的基準坐標系，為離線編程環(huán)境下世界坐標系。在離線編程環(huán)境中，飛機坐標系和自動化制孔設(shè)備的基準坐標系在世界坐標系的坐標以及緊固件標簽P 在飛機坐標系坐標均可以直接獲得。表示飛機坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，自動化制孔設(shè)備基坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，通過和可以得到飛機坐標系到自動化裝配設(shè)備基坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，進而實現(xiàn)標簽點坐標轉(zhuǎn)換。3個轉(zhuǎn)換矩陣間有如下關(guān)系：可以得到

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

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

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

通過以上分析，可以求得標簽P在世界坐標系Owxwywzw的坐標(x，y，z)：

可得到飛機坐標系到世界坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣：

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

通過該轉(zhuǎn)換矩陣計算，即可將在飛機坐標系下的標簽姿態(tài)轉(zhuǎn)換為設(shè)備坐標系下的刀尖點姿態(tài)，進而實現(xiàn)設(shè)備路徑及姿態(tài)控制。

4 結(jié)論

本文通過對離線編程數(shù)據(jù)及資源分析，建立了機器人離線編程數(shù)據(jù)庫。提出了基于MBD的自動制孔工藝參數(shù)快速提取技術(shù)，并通過開發(fā)基于DELMIA的宏程序，實現(xiàn)了對工藝數(shù)據(jù)的快速提取，提高了編程效率和準確率，避免了人工制作工藝數(shù)模過程中引起的離線編程錯誤。結(jié)合DELMIA 中“tag”具備特征屬性和方向定義的特點，實現(xiàn)了基于“tag”的參數(shù)表達以及設(shè)備姿態(tài)控制，提高了離線編程過程中姿態(tài)的高效率和準確控制。通過對“tag”坐標轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了設(shè)備加工坐標的正確輸出。離線編程軟件數(shù)據(jù)的快速提取和設(shè)備姿態(tài)的準確控制，為后續(xù)進行離線編程標準化定制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。