汪東明 蔣智華
(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川 成都 610073)
近些年,隨著飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的不斷發(fā)展,飛機(jī)裝配過(guò)程中自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在飛機(jī)數(shù)字化制孔系統(tǒng)中,空間定位技術(shù)、法矢找正技術(shù)[1]和窩深控制技術(shù)是飛機(jī)數(shù)字化制孔系統(tǒng)的3大關(guān)鍵技術(shù)。其中法矢找正技術(shù)是通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)飛機(jī)蒙皮待制孔位置的實(shí)際外形進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出制孔位置蒙皮外形矢量并與刀軸法矢進(jìn)行比較,對(duì)刀軸法矢進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒╗4]。通常也叫調(diào)整制孔垂直度,高精度的制孔垂直度對(duì)飛機(jī)連接疲勞壽命起關(guān)鍵作用[2-9]。
在數(shù)字化制孔系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中,筆者公司現(xiàn)有3套數(shù)字化制孔系統(tǒng)分別由不同的承制單位研制,在法矢找正技術(shù)的應(yīng)用上存在一定的差異。通過(guò)對(duì)3套數(shù)字化制孔系統(tǒng)法矢找正技術(shù)應(yīng)用中硬件選型、硬件布局、數(shù)學(xué)模型和工作流程的分析比較,總結(jié)出數(shù)字化制孔系統(tǒng)法矢找正技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。
數(shù)字化制孔系統(tǒng)的法矢?jìng)鞲衅?,?shí)際是通過(guò)幾個(gè)激光距離傳感器建立空間坐標(biāo)系,對(duì)當(dāng)前待制孔位置的法矢方向進(jìn)行測(cè)量并與刀軸法矢方向進(jìn)行比較,進(jìn)而調(diào)整刀軸方向?yàn)楫?dāng)前制孔位置的法矢。相關(guān)研究表明飛機(jī)連接位置制孔垂直度越高,連接件疲勞壽命越高,故飛機(jī)數(shù)字化制孔系統(tǒng)一般要求法矢測(cè)量精度小于0.5°[5]。為了提高制孔位置法矢精度、減少測(cè)量時(shí)間和減少測(cè)量距離帶來(lái)的影響,故選擇的激光距離傳感器具有精度高、響應(yīng)時(shí)間短、測(cè)量行程短和可靠性好等特點(diǎn)。
目前,A型、B型和C型數(shù)字化制孔系統(tǒng)均選擇了基于激光三角法原理測(cè)量的德國(guó)Banmer CH-8501型激光距離傳感器(見(jiàn)圖1),法矢?jìng)鞲衅鞯拇笮?3 4.5mm×37mm×12.4mm。該傳感器主要性能參數(shù)如下:
圖1 法矢?jìng)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)布局
(1)檢測(cè)范圍16~26 mm;
(2)最小自學(xué)習(xí)范圍:>1 mm;
(3)分辨率:0.002~0.005 mm;
(4)線(xiàn)性誤差:±0.006~±0.015 mm;
(5)響應(yīng)時(shí)間:<0.9 ms。
A型數(shù)字化制孔系統(tǒng)共選用了4個(gè)法矢?jìng)鞲衅?,法矢?jìng)鞲衅魑挥谀┒藞?zhí)行器的前端(見(jiàn)圖2)。為保證射在蒙皮上點(diǎn)組成的尺寸形狀與壓緊腳的尺寸一致(壓緊腳直徑為32.5 mm),即能保證壓緊腳端面與刀軸垂直,法矢?jìng)鞲衅餍枰獛Ы嵌劝惭b,A型數(shù)字化制孔系統(tǒng)法矢?jìng)鞲衅鞑捎玫氖桥c主軸法線(xiàn)夾角為30°。
圖2 A型法矢?jìng)鞲衅鞑季?/p>
4個(gè)傳感器發(fā)射出的激光需交于刀軸上一點(diǎn),在末端執(zhí)行器進(jìn)行制孔運(yùn)動(dòng)時(shí),4個(gè)激光點(diǎn)形成矩形,且矩形長(zhǎng)短邊比例不變,矩形的邊長(zhǎng)與Z軸行程成固定線(xiàn)性關(guān)系。
A型數(shù)字化制孔系統(tǒng)采用矩形布局的法矢測(cè)量方案(見(jiàn)圖3),其中激光位移傳感器安裝在A、B、C和D這4個(gè)位置,測(cè)量曲面上相應(yīng)的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)A′、B′、C′和D′到基準(zhǔn)面的距離。已知任意3個(gè)激光點(diǎn)的坐標(biāo)可以得出1個(gè)平面方程
圖3 A型機(jī)法矢計(jì)算模型
每個(gè)平面方程有1個(gè)平面法矢,按每3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平面法矢計(jì)算,然后將3個(gè)平面的法矢進(jìn)行平均求解并與刀軸法矢比較,計(jì)算刀軸法矢的目標(biāo)位置。
A型制孔系統(tǒng)工作時(shí),壓腳先壓緊蒙皮,法矢?jìng)鞲衅鏖_(kāi)始工作,法矢?jìng)鞲衅靼?.1 s進(jìn)行1次數(shù)據(jù)采集,共采集30次,計(jì)算各個(gè)法矢?jìng)鞲衅鳒y(cè)量的平均距離。然后壓腳松開(kāi),按每3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行平面法矢計(jì)算,然后將3個(gè)平面的法矢進(jìn)行平均擬合,形成最終的調(diào)整法矢。具體工作流程如圖4。
圖4 A型法矢找正技術(shù)應(yīng)用工作流程
B型數(shù)字化制孔系統(tǒng)共選用了4個(gè)法矢?jìng)鞲衅?,采用菱形測(cè)量布局方案見(jiàn)圖5。為保證射在蒙皮上的距離在與壓緊腳的尺寸一致(壓腳直徑為26 mm),法矢?jìng)鞲衅餍枰獛Ы嵌劝惭b,目前采用的與主軸法線(xiàn)夾角為30°。
圖5 B型法矢找正系統(tǒng)布局
同時(shí)在法矢?jìng)鞲衅鞑季謺r(shí),相對(duì)應(yīng)的法矢?jìng)鞲衅鬟M(jìn)行了特定位置的編號(hào),其中2號(hào)傳感器與4號(hào)傳感器的激光線(xiàn)組成的平面與五軸機(jī)床A軸轉(zhuǎn)軸平面一致;4個(gè)傳感器的安裝順序與五軸機(jī)床C軸旋轉(zhuǎn)軸線(xiàn)一致。
B型采用菱形布局的法矢測(cè)量方案,其中激光距離傳感器安裝在A、B、C和D這 4個(gè)位置,測(cè)量曲面上相應(yīng)的4個(gè)測(cè)量點(diǎn)A′、B′、C′和D′到基準(zhǔn)面的距離(見(jiàn)圖6)。
圖6 B型法矢測(cè)量模型
根據(jù)測(cè)得距離,采用二元角度的方式對(duì)真實(shí)法矢O′G與基準(zhǔn)面法向O′O的偏差進(jìn)行計(jì)算,如:
然后將 αX與 αY按五軸數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行解析,得到A軸與C軸的參數(shù)解,得到目標(biāo)姿態(tài)求解后,控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。其主要工作流程見(jiàn)圖7。
圖7 B型法矢找正技術(shù)應(yīng)用工作流程
C型共選用了4個(gè)法矢?jìng)鞲衅?,采用矩形布局方案?jiàn)圖8。為保證射在蒙皮上的距離在與壓緊腳的尺寸一致(壓腳直徑為50 mm),法矢?jìng)鞲衅餍枰獛Ы嵌劝惭b,目前采用的與主軸法線(xiàn)夾角為35°。
圖8 C型法矢找正測(cè)量系統(tǒng)布局
C型采用法矢?jìng)鞲衅骶匦尾季譁y(cè)量方案,其中法矢?jìng)鞲衅魑挥趬壕o腳的4個(gè)斜面上。其測(cè)量模型見(jiàn)圖9a。
壓腳周?chē)惭b4個(gè)位移傳感器,激光的發(fā)射點(diǎn)的位置為P1、P2、P3和P4,對(duì)應(yīng)射到飛機(jī)壁板上的光斑點(diǎn)位Q1、Q2、Q3和Q4,激光位移傳感器的測(cè)量的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1、L2、L3和L4[5]。經(jīng)過(guò)標(biāo)定的激光傳感器的激光發(fā)射點(diǎn)的坐標(biāo):
激光發(fā)射方向P1Q1的單位矢量:
已經(jīng)確定,同時(shí)利用4激光位移傳感器測(cè)得的距離數(shù)據(jù)Li,i=1,2,3,4,即可得到制孔部位周邊4個(gè)光斑點(diǎn)的坐標(biāo)
飛機(jī)壁板上的Q1、Q2、Q3和Q4分布在孔的周?chē)?個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值來(lái)擬合制孔周邊表面,從而計(jì)算出制孔部位法向。將該法向與實(shí)際刀具中心軸線(xiàn)進(jìn)行比較和轉(zhuǎn)換,以刀具刀尖點(diǎn)位置不變進(jìn)行刀具軸線(xiàn)的調(diào)整,如圖9b所示。在擬合平面時(shí),計(jì)算每個(gè)點(diǎn)至該平面的距離Z及其均值d,若Z>2d,則剔除該點(diǎn),利用剩下的點(diǎn)重新擬合平面[10]。
圖9 C型法矢找正測(cè)量模型
A型、B型和C型數(shù)字化裝配系統(tǒng)法矢?jìng)鞲衅骶捎?個(gè)法矢?jìng)鞲衅?,在布局與壓腳的差異見(jiàn)表1。
表1 法式傳感器布局差異
A型、B型和C型數(shù)字化制孔系統(tǒng),壓腳采用的材質(zhì)有45鋼與銅合金,按飛機(jī)表面蒙皮材料常見(jiàn)為復(fù)合材料或鋁合金,采用銅合金較軟的材質(zhì)對(duì)飛機(jī)蒙皮表面損傷程度較小;同時(shí)3個(gè)系統(tǒng)采用的壓腳直徑有一定的差異,與現(xiàn)傳統(tǒng)鉆杯尺寸相比,B型系統(tǒng)采用的φ26×φ20較為一致,根據(jù)曲面越小越接近平面,故B型壓環(huán)平面更接近法矢平面。C型壓腳直徑較大,應(yīng)用過(guò)程中壓腳與蒙皮表面不貼合常有發(fā)生,同時(shí)影響實(shí)際制孔時(shí)的法矢。
A型、B型均采用了壓環(huán)壓緊蒙皮后進(jìn)行測(cè)量再調(diào)整法矢策略;C型機(jī)由于蒙皮復(fù)合材料厚度強(qiáng)度較充分,結(jié)合加工特點(diǎn),采用的為先測(cè)量后調(diào)整策略,后續(xù)壓緊直接制孔,C型采用的數(shù)據(jù)處理模型需要多走一次空間位置,因此在同樣的待加工區(qū)域效率較B型、A型至少低一倍,由于C型采用的壓環(huán)直徑較大,為保證測(cè)量擬合的法矢平面與壓腳平行,其法矢調(diào)整的角度較大,否則將會(huì)造成機(jī)身蒙皮的損傷。
在布局上,B型采用菱形布局,C型與A型采用矩形布局,均為了保證后期在模型解算上精度的提高,從維護(hù)性和可操作性方面分析,菱形布局具有更大的優(yōu)異性。
A型、B型和C型數(shù)字化制孔系統(tǒng),計(jì)算模型均不一致。
A型數(shù)字化裝配系統(tǒng)雖然采用了4個(gè)法矢?jìng)鞲衅鳎窃趯?shí)際應(yīng)用中,以每3個(gè)點(diǎn)形成一個(gè)平面,解算一個(gè)平面法矢,4個(gè)法矢?jìng)鞲衅鞴步馑懔?個(gè)平面法矢,然后將3個(gè)平面法矢按A軸/C軸夾角進(jìn)行分解,取其在A軸/C軸上分解的平均值,該算法在處理平面法矢過(guò)程中,容易將法矢斑點(diǎn)剛好落在不同蒙皮、或者間隙處造成法矢調(diào)整 與實(shí)際需求相差較大;同時(shí)在解算過(guò)程中需要多次計(jì)算,可能造成五軸解算系統(tǒng)出錯(cuò),導(dǎo)致法矢錯(cuò)誤。
B型數(shù)字化裝配系統(tǒng),在法矢?jìng)鞲衅鞑季诌^(guò)程中考慮了五軸數(shù)控系統(tǒng)A軸、C軸補(bǔ)償算法,采用菱形布局方案與法矢解算有一定關(guān)系。在平面法矢解算過(guò)程中優(yōu)先考慮在A軸方向的解算、然后是C軸方向的解算;將曲面法矢平面化簡(jiǎn)化計(jì)算,計(jì)算精度較A型較高。但是該系統(tǒng)的運(yùn)用需要周期性對(duì)五軸系統(tǒng)AC軸軸線(xiàn)位置進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定精度對(duì)參與調(diào)試的工程人員要求較高。
C型數(shù)字化裝配系統(tǒng),在法矢?jìng)鞲衅鳒y(cè)量過(guò)程中,將4個(gè)測(cè)量點(diǎn)按最小二乘法進(jìn)行最佳平面擬合,通過(guò)對(duì)最佳平面的法向與主軸軸線(xiàn)夾角按AC軸進(jìn)行補(bǔ)償分析。在4個(gè)點(diǎn)測(cè)量完成后,會(huì)根據(jù)距離平均值對(duì)差異較大的點(diǎn)取消參與計(jì)算,保證最佳平面的最優(yōu)性。該計(jì)算方法較B型比較,優(yōu)異性更廣。
通過(guò)對(duì)A型、B型和C型數(shù)字化裝配系統(tǒng)法矢找正系統(tǒng)的計(jì)算模型分析,采用最小二乘法進(jìn)行最佳平面的擬合,基于機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用在后期的解算速度與維護(hù)上具有一定的方便性。采用二元法解算,在基于五軸數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用更有優(yōu)勢(shì)。
通過(guò)A型、B型和C型數(shù)字化制孔系統(tǒng)法矢找正技術(shù)應(yīng)用分析比較,根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),其關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)如下:
(1)在傳感器選型上,應(yīng)選用測(cè)量精度高,可靠性較好的測(cè)量傳感器。
(2)與布局方面,盡量選用矩形布局,保證傳感器射線(xiàn)法向與主軸軸線(xiàn)相交。
(3)在壓緊腳大小上,壓腳平面需要和主軸軸線(xiàn)垂直;同時(shí)壓緊盡量選擇較軟的材料,以保證不壓傷待制孔區(qū)域。
(4)在法矢?jìng)鞲衅饔?jì)算模型上,根據(jù)基于機(jī)器人制孔系統(tǒng),優(yōu)先采用最小二乘法進(jìn)行解算;基于五軸數(shù)控系統(tǒng)的制孔系統(tǒng),優(yōu)先采用B型機(jī)解算模型即二元法,精度更高。