韓志仁，孫 浩，劉順濤，郭喜鋒，賈 琛

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，b.航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136; 2.成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，部裝二廠 成都 610092)

飛機(jī)蒙皮自動(dòng)制孔中夾緊孔布置方法研究

韓志仁1a，1b，孫 浩1b，劉順濤2，郭喜鋒2，賈 琛1b

(1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) a.航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，b.航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽(yáng) 110136; 2.成都飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，部裝二廠 成都 610092)

飛機(jī)裝配中的自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)包括基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、夾緊孔設(shè)計(jì)和自動(dòng)制孔設(shè)計(jì)，為了在保證自動(dòng)制孔要求的前提下快速自動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾緊孔設(shè)計(jì)，提出了保證夾緊孔最大間距和自動(dòng)制孔基本要求的夾緊孔設(shè)計(jì)算法，給出了具體的實(shí)施方法，開(kāi)發(fā)了夾緊孔設(shè)計(jì)的原型模塊，并進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法對(duì)于提高夾緊孔設(shè)計(jì)的效率、保證自動(dòng)制孔的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性具有重要意義。

自動(dòng)制孔；夾緊孔；蒙皮；CATIA

蒙皮制孔是飛機(jī)裝配過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在飛機(jī)蒙皮壁板裝配、飛機(jī)部件裝配中采用自動(dòng)制孔技術(shù)，以提高飛機(jī)制造的數(shù)字化水平和生產(chǎn)效率[1-9]。在飛機(jī)制造的過(guò)程中自動(dòng)制孔技術(shù)的研究目前主要集中在自動(dòng)制孔設(shè)備的研制[2,4]、制孔法矢的自動(dòng)找正[1,8]、自動(dòng)離線編程技術(shù)[3]等方面。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所與沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制的飛機(jī)部件級(jí)機(jī)器人制孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成大型鈦合金、鋁合金以及疊層飛機(jī)零部件的自動(dòng)制孔[2]；北京航空制造工程研究所自行研發(fā)的柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔設(shè)備，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)試和大量工藝試驗(yàn)，目前該設(shè)備在定位精度和制孔質(zhì)量方面已達(dá)到實(shí)用要求[9]；浙江大學(xué)研制了一套雙機(jī)器人協(xié)同自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)的裝配對(duì)象為大型飛機(jī)機(jī)身壁板的蒙皮、長(zhǎng)桁、鈑金框以及用來(lái)連接鈑金框與蒙皮的補(bǔ)償角片。國(guó)外，Electroimpact 與空客英國(guó)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)，用于機(jī)翼壁板與骨架的裝配，該系統(tǒng)具備探測(cè)壁板(厚度)，孔檢測(cè)等檢測(cè)功能[11]；德國(guó)寶捷研制的用于飛機(jī)貨艙門(mén)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)臨時(shí)鉚釘、孔和邊緣、蒙皮定位、锪窩深度和孔厚度的檢測(cè)等[12]。但目前的研究與應(yīng)用在自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)方面較少，特別是自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)中夾緊孔布置方法未見(jiàn)報(bào)道。

自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)是自動(dòng)制孔技術(shù)的重要組成部分，包括制孔基準(zhǔn)設(shè)計(jì)、夾緊孔設(shè)計(jì)、自動(dòng)制孔設(shè)計(jì)。自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)不僅包括孔的位置，還包括制孔的夾層厚度、材料順序、夾緊孔的布置等工藝信息。而夾緊孔的合理布置是保證自動(dòng)制孔工程中蒙皮有效約束的重要因素[13]。

1 蒙皮夾緊孔布置的影響因素

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中與蒙皮連接的件主要是梁、框、肋和桁條的外緣條[14]，典型連接孔布置圖1所示。在自動(dòng)制孔前，蒙皮首先要根據(jù)預(yù)先制作好的基準(zhǔn)孔進(jìn)行定位，而后再手工制作夾緊孔，約束蒙皮，保證自動(dòng)制孔時(shí)蒙皮的穩(wěn)定性[15]，而夾緊孔之間的距離為影響夾緊孔布置的重要因素。夾緊孔的布置間距取決于蒙皮厚度、材料和支撐件(包括梁、框、肋、桁條)的截面尺寸、形狀和材料等因素。一般來(lái)說(shuō)，整個(gè)蒙皮件的穩(wěn)定性越好(蒙皮厚度越大，蒙皮材料力學(xué)性能越好，蒙皮件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)越合理)，這個(gè)間距參數(shù)越大，夾緊孔的布置間距就越大；反之，夾緊孔的布置間距就越小。

在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，夾緊孔的距離參數(shù)需要根據(jù)蒙皮和支撐件組成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定[16]，也可以采用經(jīng)驗(yàn)方法給出。本文中不對(duì)具體的夾緊孔間距進(jìn)行研究，只研究在已知的夾緊孔間距下的夾緊孔的布置問(wèn)題。如何在保證兩個(gè)相鄰?qiáng)A緊孔的間距參數(shù)滿足要求的情況下，均勻布置夾緊孔，保證夾緊孔的數(shù)量最少，提高制孔和裝配效率是自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)重點(diǎn)內(nèi)容[17]。飛機(jī)部件裝配中，隨著自動(dòng)制孔工藝使用越來(lái)越普遍[18]，需要提出一種夾緊孔布置算法，滿足上述要求。

圖1 蒙皮連接孔典型布置示意圖

2 蒙皮夾緊孔的布置的方法

具體的蒙皮夾緊孔間距是根據(jù)鈑金件的材料和厚度來(lái)決定的，因此本文不討論具體的夾緊孔間距的數(shù)值范圍，默認(rèn)為一個(gè)范圍k1(mm)～k2(mm)(k1≤k2)。

夾緊孔布置方法是將三維蒙皮展成二維平面，并將制孔點(diǎn)位展開(kāi)到二維平面內(nèi)，將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維問(wèn)題進(jìn)行處理。在二維平面上，用孔的中心點(diǎn)來(lái)表示孔。夾緊孔布置算法就可描述為：在給定的一個(gè)點(diǎn)集中，確定一個(gè)起始點(diǎn)，根據(jù)這個(gè)點(diǎn)，將所有間距符合k1(mm)～k2(mm)的點(diǎn)篩選出來(lái)。

通常，選擇夾緊孔為人工選取，效率低，準(zhǔn)確率不高。甚至在夾緊孔數(shù)量較多時(shí)，出現(xiàn)重復(fù)或者漏掉夾緊孔的情況，影響夾緊效果，給自動(dòng)制孔加工帶來(lái)隱患。為此，提出一種新的夾緊孔布置算法，旨在更加方便快捷準(zhǔn)確地選擇出符合要求的夾緊孔。

在二維平面中，將孔抽象為一個(gè)均勻分布的點(diǎn)集A={(xi,yi)}，如圖2所示，其中，相鄰且距離最近的兩個(gè)點(diǎn)的距離為l0(mm)。從這些點(diǎn)中，選取出間距在k1(mm)～k2(mm)(k1≤k2)之間的所有點(diǎn)作為夾緊孔的法矢位置。

圖2 二維平面均勻點(diǎn)集

在點(diǎn)集中選擇符合間距條件的點(diǎn)時(shí)，每次選擇，都要確定一個(gè)基準(zhǔn)，即初始點(diǎn){(x0,y0)}。如在第一次迭代選擇時(shí)，我們必須要指定一個(gè)起始點(diǎn)作為本次迭代計(jì)算距離的基準(zhǔn)。而在第二次迭代選擇時(shí)，基準(zhǔn)就會(huì)變?yōu)榈谝淮芜x擇出來(lái)符合條件的點(diǎn)，而距離小于間距最小值的點(diǎn)一定不是符合要求的點(diǎn)，所以將其排除。

首先，選取某一邊界上的點(diǎn){(x0,y0)}作為夾緊孔選擇的起始點(diǎn)，并且將此點(diǎn)作為第一個(gè)夾緊孔的法矢位置。然后開(kāi)始做兩個(gè)圓r1和圓r2，半徑分別為k1(mm)和k2(mm)，將圓r1內(nèi)的點(diǎn)(不包括圓r1上的點(diǎn))全部排除或刪除，因?yàn)檫@些點(diǎn)一定不能滿足夾緊孔要求。這些被排除的點(diǎn)可表示為

將在圓r1和圓r2之間圓環(huán)部分的點(diǎn)(包括圓r1和圓r2上的點(diǎn))，作為挑選出的符合間距要求的夾緊孔的法矢位置的點(diǎn)。這些點(diǎn)可表示為

將剩余這些點(diǎn)記錄下來(lái)，作為下一次迭代畫(huà)圓的圓心。而圓之外的點(diǎn)，通過(guò)后面的迭代繼續(xù)判斷,圖3為算法流程圖。

圖3 算法流程圖

之后將點(diǎn)集中符合間距要求的點(diǎn)全部挑選出來(lái)，并且將其表示為B={(xj,yj)}，點(diǎn)集B就是我們要得到的夾緊孔點(diǎn)集。

再將算法實(shí)例化，制作成一個(gè)選取夾緊孔的CATIA插件。一個(gè)平面蒙皮的連接孔分布如圖3所示，以右上角邊界點(diǎn)為起始點(diǎn)，采用夾緊孔布置算法進(jìn)行夾緊孔的篩選，得到結(jié)果如圖4所示。

3 模塊開(kāi)發(fā)介紹和應(yīng)用實(shí)例

在實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，蒙皮件絕大多數(shù)為一個(gè)三維空間曲面，蒙皮件上的孔的位置是三維空間的。因此，首先利用三維軟件(CATIA)將三維的機(jī)身蒙皮件展開(kāi)為二維平面，并將三維蒙皮件上的孔一一對(duì)應(yīng)到展開(kāi)的二維蒙皮件平面中，利用夾緊孔布置算法，實(shí)現(xiàn)夾緊孔的自動(dòng)拾取。

圖4 篩選前圖

圖5 篩選后效果

在插件開(kāi)發(fā)中，拾取蒙皮件所在平面作為一個(gè)面實(shí)例存入一個(gè)Plane變量，然后將選取的起始點(diǎn)存入一個(gè)Point類型的數(shù)組中，以起始點(diǎn)為基準(zhǔn)，利用夾緊孔布置算法，即在這個(gè)Plane平面上，以基準(zhǔn)點(diǎn)為圓心，以?shī)A緊孔間距范圍為半徑做一個(gè)圓環(huán)，求交運(yùn)算得到圓環(huán)上的點(diǎn)，將這些點(diǎn)作為夾緊孔存入之前的Point數(shù)組。并將得到的點(diǎn)作為下一次運(yùn)算的基準(zhǔn)點(diǎn)，以此類推。得到的這個(gè)數(shù)組就是選擇出的夾緊孔數(shù)組，可以方便地批量對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行操作。具體步驟如下。

首先，打開(kāi)一個(gè)某型號(hào)飛機(jī)機(jī)身蒙皮的Product文件，如圖6所示。將圖6中箭頭指出的蒙皮件作為下一步選擇夾緊孔的蒙皮件，即從Product文件中選擇其中一個(gè)Part零件。將選擇的Part蒙皮進(jìn)行展開(kāi)，并將蒙皮上的點(diǎn)按幾何關(guān)系轉(zhuǎn)化到展開(kāi)圖中，得到的展開(kāi)圖如圖7所示。

展開(kāi)后的蒙皮就可以利用夾緊孔布置算法，進(jìn)行夾緊孔的選取。因?yàn)榇嗣善ぜ系狞c(diǎn)集不是均勻分布，大致分為4塊點(diǎn)集區(qū)域和邊界周圍的點(diǎn)集，而每個(gè)區(qū)域之間的距離已經(jīng)大于要求的最大間距k2(mm)，形成的這個(gè)區(qū)域稱之為“斷裂帶”，如圖7所示。“斷裂帶”的存在會(huì)嚴(yán)重影響夾緊孔的拾取效果，使得選取夾緊孔不全，不準(zhǔn)確。因此需要將整個(gè)蒙皮件上的點(diǎn)集分成5部分，分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行夾緊孔的選取。

圖6 某型飛機(jī)機(jī)身蒙皮件

圖7 蒙皮展開(kāi)后效果

在“蒙皮平面”拾取框中選擇蒙皮展開(kāi)后形成的平面做為二維點(diǎn)集的基準(zhǔn)平面。在“起始點(diǎn)”拾取框中選擇5個(gè)頂點(diǎn)。如圖8所示。拾取完成后，點(diǎn)擊“確定”，即可得到二維平面上符合條件的夾緊孔，如圖9所示。

圖8 選取起始點(diǎn)

在結(jié)構(gòu)樹(shù)上，每個(gè)點(diǎn)在展開(kāi)前和展開(kāi)后都有唯一編號(hào)，如圖6、圖7所示?？筛鶕?jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)上展開(kāi)前后的編號(hào)來(lái)對(duì)應(yīng)得到選取的夾緊孔在原蒙皮件上的位置。插件將選取出的夾緊孔對(duì)應(yīng)到蒙皮件上，將其變?yōu)槠渌伾允緟^(qū)分,對(duì)應(yīng)后的效果如圖10所示。

圖9 二維平面上的夾緊孔

圖10 蒙皮上的夾緊孔

4 結(jié)論

基于飛機(jī)蒙皮自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)技術(shù)研究，結(jié)合本文提出的飛機(jī)蒙皮自動(dòng)制孔中夾緊孔布置方法，以CAA/CATIA為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了夾緊孔布置軟件，并通過(guò)了飛機(jī)蒙皮數(shù)字模型的驗(yàn)證。軟件選擇出的夾緊孔符合工藝設(shè)計(jì)規(guī)范，布置合理。夾緊孔布置軟件減少了人工進(jìn)行夾緊孔的布置計(jì)算，降低了人為出錯(cuò)的可能性，適應(yīng)了無(wú)圖紙化制造的趨勢(shì)，提升了飛機(jī)數(shù)字化制造的水平，提高了自動(dòng)制孔工藝設(shè)計(jì)的效率。

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Studyonclampingholearrangementinautomaticfittingofairplanes

HAN Zhi-ren1a，1b，SUN Hao1b，LIU Shun-tao2，GUO Xi-feng2,JIA Chen1b

(1.a.National Key Discipline Laboratory of Aeronautical Manufacturing Technology Digitization,b.Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China; 2.Second Parts Assembly Plant,Engineering Department of Chengdu Aircraft Industrial (Group) Corporation,Chengdu 610092,China)

Automatic hole-making in the assembly of aircraft includes the design of reference holes,clamping holes and automatic making holes.And the quick and automatic design of clamping holes is a key problem.In this paper,an algorithm for the clamping holes design was proposed to ensure the maximum spacing between any two clamping holes and satisfy the basic requirements of automatic hole-making.Details of the design were provided and the prototype module was developed and verified.This algorithm is significant to improve the efficiency of the clamping holes design and to ensure accuracy and stability of the automatic hole-making.

automatic making hole;clamping hole;skin;CATIA

2017-05-05

國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(項(xiàng)目編號(hào)：SHSYS2015001)

韓志仁(1964-)，男，河北唐山人，教授，主要研究方向：大飛機(jī)數(shù)字化制造，塑性成形CAE，復(fù)合材料精準(zhǔn)制造，E-mail:hanren888@163.com。

2095-1248(2017)05-0021-05

V262.4+2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.05.003

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：趙歡)