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 梁雪梅 侯志霞 孫麗宏 潘 青

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

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

在CATIA系統(tǒng)中，通過輸入設(shè)備運動機構(gòu)各個驅(qū)動命令的運動曲線可以實現(xiàn)設(shè)備的運動仿真。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，實現(xiàn)自動制孔過程的仿真。

1 自動制孔設(shè)備運動學(xué)關(guān)系分析

1.1 運動機構(gòu)構(gòu)成

制孔設(shè)備的運動機構(gòu)由7個運動副構(gòu)成,分別為X、Y、Z 3個方向的菱形副，繞X、Z方向的旋轉(zhuǎn)副、末端進給和壓緊裝置進給的菱形副。

在數(shù)模中查詢各個驅(qū)動命令的名稱和各個驅(qū)動命令的上下限值。自動化制孔設(shè)備的運動機構(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)備歸零時的機構(gòu)位置和方向Fig.1 Positions and directions of mechanisms when device return to zero

自動化制孔系統(tǒng)運動學(xué)關(guān)系在CATIA數(shù)模中定義如圖2所示。

圖2 制孔設(shè)備運動機構(gòu)命令Fig.2 Mechanism commands of drilling device

1.2 運動鏈傳遞方向分析

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

1.3 設(shè)備歸零時的機構(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，各個坐標(biāo)系位置說明如下：

裝刀點坐標(biāo)系：這個坐標(biāo)系的位姿能夠決定各個機構(gòu)驅(qū)動命令的取值，將該坐標(biāo)系定義在裝刀平面和主軸方向的交點處，坐標(biāo)系方向與設(shè)備機構(gòu)的方向一致。

壓腳坐標(biāo)系：位于壓腳中心，方向與裝刀點坐標(biāo)系一致。

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

設(shè)備坐標(biāo)系：位置由設(shè)計人員給出，方向與設(shè)備歸零時的裝刀坐標(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構(gòu)的擺角變化時設(shè)備的運動值。方向與裝刀點坐標(biāo)系一致。

2 加工指令的解析

加工指令解析的對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詣又瓶自O(shè)備的動作進行分類，形成制孔的動作，記錄各個動作的壓腳的目標(biāo)位置、方向和得到各個動作的運動速度。對制孔加工指令的解析程序?qū)⒅瓶讋幼鞣诸悶槿缦骂愋停?/p>

機床動作：五坐標(biāo)機床的動作（除末端），包括開始、快速走刀、照相機移動3個動作，該動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。

末端動作：末端執(zhí)行器的制孔動作，該動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、松開壓緊等動作。

其他動作：包括換刀和等待動作。

開始動作：機床從當(dāng)前位置運動到開始位置，壓腳運動到目標(biāo)位置。

快速走刀動作：機床從上一位置運動到命令位置，壓腳運動到目標(biāo)位置。

照相動作：機床從上一位置運動到命令位置，照相機運動到目標(biāo)位置。

鉆孔動作：末端執(zhí)行器按指令提供的參數(shù)運動。

壓緊和松開壓緊動作：壓緊機構(gòu)按指令運動。

換刀動作：刀具改變。

等待動作：機床和末端均無動作，影響制孔仿真的時間。

各個動作的層次關(guān)系如圖3所示。

圖3 自動制孔動作分類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中描述的各個坐標(biāo)系的定義；

（2）數(shù)模中表示的各個驅(qū)動命令的名稱和各個驅(qū)動命令的上下限值；

（3）照相參數(shù)；

（4）壓緊參數(shù)。

3.2 仿真數(shù)據(jù)生成

分別介紹各種動作的仿真數(shù)據(jù)計算過程。

對于任何一個機床動作設(shè)備各部件的位置均由裝刀點處的坐標(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)系計算當(dāng)前裝刀點坐標(biāo)系的位姿矩陣，再根據(jù)裝刀點的位姿矩陣計算機床的各個驅(qū)動命令的位置，運動的時間是由上一位置和當(dāng)前位置的距離和機床的運動速度計算得到的。

對于末端動作，根據(jù)對NC文件的解析得到末端執(zhí)行器和壓緊機構(gòu)在制孔過程的運動過程和運動速度。

對于換刀動作，修改程序的刀具參數(shù)，改變仿真中使用的刀具。

對于等待動作，保持各個驅(qū)動的命令值在一定時間內(nèi)不變。

程序的處理流程如圖4所示。

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

4 利用CATIA進行制孔設(shè)備制孔過程的仿真

選取某機翼上若干孔位，通過離線編程軟件輸出APT文件并進行后置輸出為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 自動制孔CNC程序Fig.5 CNC program of automatic drilling

離線編程軟件對該文件進行后置處理，生成設(shè)備加工程序，仿真軟件讀入加工程序，生成CATIA可以識別的機構(gòu)運動曲線文件，如圖6所示。

圖6 自動制孔的仿真曲線數(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驅(qū)動命令的法則曲線，圖8為X方向驅(qū)動命令.1的法則曲線，通過曲線可以看出X方向的運動機構(gòu)值在制孔過程中隨時間的變化。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

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

圖8 執(zhí)行制孔指令時X方向驅(qū)動命令隨時間變化的法則曲線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)軌自動制孔系統(tǒng)中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù), 2011(13):47-50.