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實驗室 王明陽 侯志霞 潘 青 梁雪梅

目前，飛機裝配過程中，結構件的連接主要為機械連接[1]，連接前必須對相關零部件進行制孔。由于我國現(xiàn)在飛機裝配上仍然大量采用人工制孔的方式，制孔水平受人工影響大，孔質(zhì)量參差不齊，無法保證裝配精度，同時裝配效率低，使最終產(chǎn)品的穩(wěn)定性差，其裝配連接質(zhì)量直接影響產(chǎn)品結構抗疲勞性能與可靠性[2]。

與人工制孔相比，自動制孔具有制孔精度高、一致性好及效率高的特點，該技術已在飛機零部件的高精度、自動化裝配中得到了應用。自動制孔技術是飛機結構長壽命連接、滿足鋁合金、復合材料和鈦合金結構高精度制孔要求的重要保障，同時也是裝配自動化的基礎技術。

離線編程技術通過使用產(chǎn)品三維數(shù)模生成自動制孔程序并進行仿真驗證，在飛機產(chǎn)品數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。作為目前自動制孔過程的關鍵技術，它解決了以往示教編程效率低，不適應小批量、多品種的柔性生產(chǎn)需求，以及惡劣環(huán)境下示教編程對編程者健康帶來的危害等問題，具有明顯的優(yōu)勢。

離線編程系統(tǒng)主要是針對產(chǎn)品設備數(shù)字化模型。然而，在產(chǎn)品實際加工及安裝過程中不可避免地存在著加工以及定位等誤差。

飛機機翼裝配制孔是將機翼蒙皮與機翼骨架一起制孔的過程。對機翼骨架來說，主要是針對肋骨部位進行制孔。在制孔前，通常由工裝設備對機翼骨架進行直接定位，而肋骨定位則是靠機翼骨架來確定。另一方面由于飛機產(chǎn)品具有尺寸較大、剛性差、曲面復雜等特點，雖然制孔前通常采用了激光跟蹤儀確定產(chǎn)品的位置，但是待加工肋骨的位置偏差可能較大[3]。

為了解決上述問題，提出了一種數(shù)模編程和實測補償相結合的方法。在進行加工制孔之前，采用照相測量基準孔進行產(chǎn)品的二次定位，利用照相返回的數(shù)據(jù)對理論加工孔位進行誤差補償，確定實際制孔位置，以提高制孔孔位精度。

1 飛機機翼裝配自動制孔離線編程技術

1.1 自動制孔離線編程的基本原理

飛機機翼裝配制孔一般采用機器人或五軸數(shù)控設備加制孔執(zhí)行單元自動制孔，一次性完成蒙皮與肋骨的鉆、餃、锪窩過程，取代傳統(tǒng)的人工制孔，有效提高了制孔效率。自動制孔離線編程系統(tǒng)通常采用對現(xiàn)有的先進 CAD/ CAM 系統(tǒng)進行二次開發(fā)的方式，目的是充分利用CAD/CAM 系統(tǒng)的強大幾何造型和運動仿真功能[4]。

離線編程系統(tǒng)包括照相測量系統(tǒng)和自動制孔系統(tǒng)兩個部分。照相測量系統(tǒng)通過讀取照相測量NC程序，控制照相測量裝置進行照相操作，操作完成后輸出定位孔偏差數(shù)據(jù)；自動制孔系統(tǒng)控制制孔裝置執(zhí)行制孔NC程序進行制孔操作，系統(tǒng)簡圖如圖1所示。

圖1 自動制孔系統(tǒng)簡圖Fig.1 Automatic drilling system

照相測量需要預先在產(chǎn)品上制出定位孔，然后通過照相測量測出預制定位孔與理論定位孔的偏差，根據(jù)該偏差確定定位孔之間的待加工裝配孔的實際加工位置。

離線編程需要根據(jù)機翼自動制孔的特點，生成具有符合自動制孔工藝要求的數(shù)控程序。自動制孔離線編程系統(tǒng)由數(shù)控編程模塊、刀位文件生成模塊、離線仿真模塊及后置處理模塊等組成。

（1）數(shù)控編程模塊。主要用于定義基準孔、管理照相數(shù)據(jù)，并對理論加工孔進行誤差補償，定義加工過程使用的刀具、安全高度、進給深度、主軸轉(zhuǎn)速等加工參數(shù)信息以及加工點的坐標、法向等，為生成刀位文件做準備。

（2）刀位文件生成模塊。用于輸出標準的APT格式的刀位源文件，自動制孔離線編程輸出內(nèi)容包括基準孔照相APT和加工孔APT兩個部分。

（3）后置處理模塊。利用刀位文件及數(shù)控機床參數(shù)，通過坐標轉(zhuǎn)換、運動反解等求解運動裝置的在設備坐標系的點位及擺角，實現(xiàn)從APT代碼到機器控制指令NC代碼的轉(zhuǎn)換[5]。

（4）離線仿真模塊。將照相或制孔程序轉(zhuǎn)化為設備各機構的運動參數(shù)，并以可視化形式模擬運動過程，達到對程序的正確性進行驗證的目的。經(jīng)過運動仿真并確認無誤后的數(shù)控程序可以輸入到數(shù)控機床進行制孔操作。

自動制孔離線編程系統(tǒng)的主要流程如圖2所示。

1.2 自動制孔離線編程系統(tǒng)關鍵技術

1.2.1 基于模型的照相孔位編程

圖2 自動制孔離線編程主要流程Fig.2 Flowchart of off-line programming in automatic drilling system

基于模型的孔位編程是自動制孔離線編程一個重要內(nèi)容，也是照相測量之前的準備工作。照相孔位編程的第一步是將數(shù)模上的基準孔定義為照相孔，這些照相孔作為裝配定位孔應當預先在產(chǎn)品上制出。

裝配定位是指裝配過程中，確定零件、組合件、板件、段件之間的相對位置的過程。裝配孔定位是飛機裝配中常用的定位方法，按照預先在零件上制出的裝配孔來定位。兩個零件間用裝配定位孔確定其相對位置時，裝配定位孔的數(shù)量不少于兩個，裝配孔的數(shù)量取決于零件的尺寸和剛度，尺寸大剛度小的零件，定位孔的數(shù)量應適當加多[6]。

在生成照相APT文件之前，需要選擇輸出到刀位文件的基準孔位及這些孔位所在的曲面。這些操作通常會作為用戶操作程序保存在CATIA數(shù)控加工工作平臺下的Process樹上。選擇曲面的目的是計算曲面上照相點所在的法矢，經(jīng)過后置處理轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床的擺角，實現(xiàn)照相時照相主軸垂直于曲面。

用戶可以定義多組操作程序，然后輸出到一個或者多個刀位文件，經(jīng)過后置處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)控程序供自動制孔設備使用。

1.2.2 裝配定位孔偏差測量

為了適應產(chǎn)品變形問題，在實際加工之前對預先制出的基準孔進行照相測量，得到基準孔的實測位置，計算基準孔理論位置與實測值之間的偏差，通過偏差值，推算每兩個基準孔之間其他孔位的偏差值，進而確定待加工孔位的實際制孔位置。

數(shù)控機床按照相數(shù)控程序執(zhí)行，移動到待照相基準孔位，調(diào)整A、C擺角，使照相主軸垂直于曲面進行照相。在照相平面生成照相數(shù)據(jù)U值、V值，如圖3所示。照相高度|P1'-P1''|確定平行于照相主軸方向的坐標值，由于該坐標軸沿照相主軸方向并指向工件表面，因此實測基準點在照相坐標系下的坐標應為（U，V，|P1'-P1''|）。

圖3 照相測量原理圖Fig.3 Principle of photographic measuring

由照相獲得的實測基準孔位坐標通過坐標變換得到理論坐標系下的實測位置。由照相坐標系到理論坐標系，經(jīng)過了以下幾次轉(zhuǎn)換：

裝刀點坐標系固聯(lián)在末端執(zhí)行器的裝刀位置是通過標定獲取初始位置，而照相坐標系是相對于裝刀點坐標系的局部坐標系。照相坐標系與裝刀點坐標系有固定的變換關系，通過前期標定獲得。

設備坐標系在建立裝配坐標系后獲得，現(xiàn)場裝配坐標系由激光跟蹤儀測量地標點擬合而成，在設備安裝調(diào)試階段確定，飛機理論坐標系由數(shù)模定義。

1.2.3 基于實測值的制孔孔位補償

基于照相測量的加工程序修正過程：

通過理論坐標系下基準孔的理論值與實測值偏差，對相應的待加工孔位進行坐標補償。一般取每兩個基準孔補償中間的若干待加工孔，如圖4所示。P1、Pn表示照相測量基準孔，Pi表示兩個基準孔中間需要進行補償?shù)拇庸た孜?，ΔP表示孔位偏差。

采用如下的補償算法：

計算得出補償公式：

圖4 加工孔位補償原理圖Fig.4 Principle of the measured compensation method

2 照相測量定位關鍵技術的實現(xiàn)

針對飛機產(chǎn)品的自動制孔系統(tǒng)，其離線編程通常采用CATIA二次開發(fā)的方式。CATIA二次開發(fā)可以有多種方式，實際應用中，使用最為廣泛的是Automation API和CAA C++。前者入門容易，但功能限制大；后者入門困難，但提供的接口最全面，實現(xiàn)的功能最強大，開發(fā)的程序效率高，能夠滿足用戶深層次專業(yè)化的要求[7]。CAA采用開放式、可擴展的模塊化開發(fā)架構，對于客戶而言，可以進行從簡單到復雜的二次開發(fā)工作，可以進行交互式命令的設計，創(chuàng)建新的CATIA工作平臺或者在其原有工作平臺上自定義工具條、添加自定義菜單等。利用CAA C++開發(fā)的功能與原有系統(tǒng)的結合非常緊密，這非常有利于用戶的使用和集成。

針對某型號飛機中央翼裝配自動制孔，采用了照相測量定位技術，使用CAA C++進行了離線編程系統(tǒng)的具體開發(fā)，其主要實現(xiàn)過程如下。

2.1 照相孔定義和照相程序生成

照相孔定義是為生成照相程序做準備。在CATIA數(shù)模中，選擇合適的連接孔位作為照相孔，照相孔的的數(shù)量、間距等應符合工藝上的要求。

離線編程系統(tǒng)在CATIA二次開發(fā)中，可以通過添加右鍵菜單的形式，將連接裝配孔定義為照相孔，操作簡單、便捷。被定義為照相孔的點位作為基準孔，預先在產(chǎn)品上制出，照相孔位應不再作為待加工連接孔輸出到連接孔加工程序中。

定義照相點位之后，利用刀位程序生成模塊，輸出照相程序的APT文件，刀位程序生成包括2個步驟。

（1）在CATIA三維數(shù)模中選取要照相的孔位，及孔位所在的曲面，如圖5所示。

在CAA中進行二次開發(fā)，利用CAA提供的數(shù)控編程界面接口，與CATIA原有模塊融合度很高，風格與CATIA現(xiàn)有數(shù)控編程界面完全一致，如果沒有特殊的說明，很難區(qū)分原有模塊和二次開發(fā)模塊。選取完成之后會在CATIA數(shù)控加工工作臺的Process樹上添加相應的照相操作。

圖5 選擇照相孔位界面Fig.5 Choose the hole of photographic measuring

（2）輸出照相APT。選擇照相APT模式，在特征列表中選擇上一步生成的照相操作，添加到待輸出列表中，用于輸出照相APT。

該對話框還可以用于生成連接孔加工APT。不同之處在于兩者在定義Program時，照相程序僅包含照相所需要的點位及法矢信息，而連接孔加工APT還包括加工所需要的刀具信息、主軸轉(zhuǎn)速、安全高度、進給速度等加工參數(shù)信息，這些信息會在后置處理時會轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床識別的數(shù)控語句，用來控制數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)。

2.2 照相程序后置處理

后置處理過程原則上是解釋執(zhí)行，即每讀出刀位文件中的一行代碼，分析其類型，根據(jù)類型和所選數(shù)控機床確定是進行坐標變換還是進行文件代碼轉(zhuǎn)換，并生成一個完整的數(shù)控程序段，寫到數(shù)控程序文件中去，直到刀位文件結束，刀位文件最終轉(zhuǎn)換成指定數(shù)控機床能執(zhí)行的數(shù)控加工指令程序，如圖6所示。

圖6 后置處理基本原理Fig.6 Principle of post processing

進行后置處理時，將刀位文件中的理論孔位信息轉(zhuǎn)換為數(shù)控機床的運動參數(shù)，經(jīng)過以下幾個過程：

理論坐標系到裝刀點坐標系轉(zhuǎn)換時需要進行坐標轉(zhuǎn)換，求得裝刀點坐標系下的制孔點坐標及制孔法矢，然后通過運動機構反解得到五軸制孔設備的X、Y、Z以及A、C擺角，調(diào)整A、C擺角確保制孔主軸能夠沿著垂直于制孔點所在曲面法矢的方向進行制孔，保證制孔垂直度，提高制孔質(zhì)量。

2.3 導入照相測量數(shù)據(jù)

數(shù)控機床生成的照相數(shù)據(jù)需要返回到離線編程程序中進行處理，返回的照相數(shù)據(jù)格式由數(shù)控機床程序員和離線編程程序員協(xié)商確定。

導入照相數(shù)據(jù)后，在CATIA結構樹上創(chuàng)建實測基準孔集節(jié)點，該實測孔集與相應的理論定位孔集相對應，以便用戶進行照相數(shù)據(jù)管理。

導入后的照相數(shù)據(jù)經(jīng)過計算，得到基準孔的實際偏差值，并使用該偏差值補償待加工連接孔。經(jīng)過補償后的待加工連接孔可以通過刀位文件生成模塊生成實際加工孔位APT文件，并通過后置處理生成實際加工孔位數(shù)控NC代碼，用于數(shù)控機床進行制孔操作。

3 結束語

針對飛機機翼裝配自動制孔系統(tǒng)，分析了其離線編程的主要工作流程，研究了照相測量定位方法的關鍵技術，實現(xiàn)了基于照相測量定位的離線編程開發(fā)，通過對飛機產(chǎn)品的二次定位保證自動制孔的孔位精度。該離線編程系統(tǒng)利用CATIA的CAA C++模塊進行開發(fā)，功能強大且效率較高，與CATIA軟件結合緊密，并且遵從用戶使用習慣，極大方便了用戶的操作。

[1] 袁紅璇.飛機結構件連接孔制造技術.航空制造技術,2007(1)：96-99．

[2] 魏志剛,薛亮.飛機先進裝配技術及其發(fā)展. 海軍航空工程學院學報,2009,24(1):119-120.

[3] 歐陽,鄒成,劉繼紅.面向機翼柔性制孔的多層次數(shù)控程序結構.計算機集成制造系統(tǒng),2011,17(8):1806-1811.

[4] 何勝強.飛機數(shù)字化裝配技術體系.航空制造技術,2010,23:32-37.

[5] 劉楚輝,姚寶國,柯映林.工業(yè)機器人切削加工離線編程研究.浙江大學學報,2010,44(3):426-439.

[6] 王云渤,張關康,馮宗律,等.飛機裝配工藝學[D].西安:西北工業(yè)大學,1984.

[7] 梁岱春,張為民,隋立江. 淺析基于 CAA 的 CATIA 二次開發(fā). 航空制造技術,2012,10:65-68.