飛機(jī)進(jìn)氣道噴涂離線編程技術(shù)研究

屈力剛，李見，蘇東東

(沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110136)

由于機(jī)器人噴涂具有精度高、效率快、改善勞動環(huán)境、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、醫(yī)療器械、精密儀器等領(lǐng)域。目前機(jī)器人編程可以分為示教再現(xiàn)編程和離線編程兩種方法。示教再現(xiàn)編程是由人工導(dǎo)引或用示教盒使機(jī)器人末端執(zhí)行器 (安裝于機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)末端的夾持器、工具、焊槍、噴槍等)完成預(yù)期的動作，并存儲程序進(jìn)行重復(fù)再現(xiàn)的過程，其主要缺點(diǎn)就是編程效率低、過程復(fù)雜、示教精度難以保證、復(fù)雜路徑難以示教、無法與外部信息進(jìn)行決策應(yīng)變。與示教編程相比，離線編程具有可在線編程操作、改善工作環(huán)境、使用范圍廣泛、便于和CAD/CAM系統(tǒng)結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。美國 Deneb Robotics公司開發(fā)的 IGRIP 離線編程模擬系統(tǒng)，能進(jìn)行三維模型的全方位顯示，而且能將動態(tài)模擬檢測程序轉(zhuǎn)換成指令加載到機(jī)器人控制器中［3］。MotoMan機(jī)器人公司提供的 MotoSim離線編程系統(tǒng)用于日本豐田汽車的噴漆和點(diǎn)焊作業(yè)，縮短了汽車生產(chǎn)線，極大地提高了生產(chǎn)效率。洛克馬丁公司研制的RASF飛機(jī)精整系統(tǒng)用于F-35戰(zhàn)機(jī)的進(jìn)氣道和整機(jī)的噴涂［4］。華中科技大學(xué)智能技術(shù)研究所所長、國內(nèi)機(jī)器人專家熊有倫院士主持了“基于微機(jī)的機(jī)器人離線編程系統(tǒng)HOLPS”的科研項(xiàng)目，已取得階段性成果［5］。關(guān)于機(jī)器人噴涂、機(jī)器人離線編程系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)很多，而關(guān)于飛機(jī)進(jìn)氣道及其整機(jī)噴涂離線編程系統(tǒng)的研究尚不多見。

在CATIA的環(huán)境下，結(jié)合飛機(jī)進(jìn)氣道三維模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，規(guī)劃了一種進(jìn)氣道噴涂路徑算法，運(yùn)用VC++開發(fā)出了一種離線編程系統(tǒng)來進(jìn)行進(jìn)氣道的噴涂實(shí)驗(yàn)研究，首次提出進(jìn)氣道噴涂離線編程系統(tǒng)的研究，并通過實(shí)際噴涂效果檢驗(yàn)了該技術(shù)的可行性，該研究成果具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 進(jìn)氣道模型和軌跡算法的建立

1.1 進(jìn)氣道模型特點(diǎn)

文中研究的飛機(jī)進(jìn)氣道模型為一個復(fù)雜異形曲面，一端為近似圓柱形的筒面，另一端為接近矩形的筒面，中間為過渡曲面。在矩形筒面的外端還有一部分開放型的曲面是飛機(jī)進(jìn)氣道端口。進(jìn)氣道的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 飛機(jī)進(jìn)氣道的總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 噴涂區(qū)域面積計(jì)算

噴涂機(jī)器人對工件進(jìn)行噴涂作業(yè)時，噴涂的積累速率呈現(xiàn)中間高、兩邊低的情況，要完成較為均勻的噴涂就必須采用重復(fù)噴涂的方式［6－7］。為了后續(xù)計(jì)算的方便，噴涂路徑上采用寬度一致的原則。為計(jì)算方便，定義如圖2所示的變量:OA為噴涂機(jī)器人的一個臂，A為噴頭，O為回轉(zhuǎn)中心，R為噴涂機(jī)器人回轉(zhuǎn)臂與噴頭 (圓錐頂點(diǎn))的距離，H為回轉(zhuǎn)軸線到平面的距離，h為噴頭到噴涂平面的距離，β為圓錐母線與軸線的夾角，θ為圓錐軸線與噴涂平面的夾角。

圖2 噴涂區(qū)域面積計(jì)算圖

由于進(jìn)氣道噴涂模型整體分為曲面噴涂區(qū)域、平面噴涂區(qū)域和矩形拐角噴涂區(qū)域，由于曲面和平面噴涂區(qū)域計(jì)算較為容易，此處主要討論矩型拐角處噴涂區(qū)域的計(jì)算。矩形拐角處噴涂示意圖見圖3。

圖3 矩形拐角處噴涂示意圖

求解橢圓面積S1(x1～a1部分):

式中:a1、b1分別為橢圓的長軸和短軸;H1為旋轉(zhuǎn)軸線到平面1的距離;R為旋轉(zhuǎn)軸線到圓錐頂點(diǎn)的距離;x為橫坐標(biāo)，y為縱坐標(biāo)。

式中:x1為x方向積分起始位置。

求解橢圓面積S2(a2～x2部分):

式中:a2、b2分別為橢圓的長軸和短軸;H2為旋轉(zhuǎn)軸線到平面2的距離;R為旋轉(zhuǎn)軸線到圓錐頂點(diǎn)的距離。

式中:x2為橢圓2中x方向積分起始位置。

1.3 拐角位置噴涂軌跡變徑原理

由于進(jìn)氣道噴涂模型整體分為曲面噴涂區(qū)域、平面噴涂區(qū)域和矩形拐角噴涂區(qū)域，噴涂矩形拐角處時，噴頭距離噴涂表面的位置與噴涂平面和曲面是有所不同的，該處需要進(jìn)行噴頭的變徑處理，噴涂機(jī)器人噴頭需要進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動，在離線編程技術(shù)方面，該處要進(jìn)行軌跡規(guī)劃的變化，即在拐角噴涂范圍內(nèi)要進(jìn)行一個插入式的弧形伸縮軌跡處理。仿真效果如圖4所示。

圖4 非變徑軌跡與矩形拐角處變徑軌跡對比圖

2 進(jìn)氣道噴涂離線編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 離線編程模塊開發(fā)

此次開發(fā)首先在CATIA建模模塊中通過螺旋線的設(shè)置調(diào)節(jié)來確定噴涂軌跡曲線，通過利用CAA Automation技術(shù)完成相關(guān)操作(“.CATScript”格式的宏)的錄制，并對錄制的宏進(jìn)行修改和完善，必要時要創(chuàng)建新的宏。在Microsoft Visual Studio 2005環(huán)境下建立相關(guān)項(xiàng)目，利用VC++編寫相關(guān)程序，并通過相關(guān)宏的調(diào)用，完成相關(guān)界面和功能的開發(fā)任務(wù)。利用CAA Automation技術(shù)和CAA VC++技術(shù)對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)［8－9］，完成相關(guān)功能及界面的開發(fā)，最終完成自動生成噴槍運(yùn)動軌跡 (圖5)和噴涂機(jī)器人運(yùn)動仿真的離線編程模塊［10］(圖6)。

圖5 噴涂運(yùn)動軌跡規(guī)劃

圖6 離線編程仿真系統(tǒng)

離線編程模塊完成后即可確定軌跡點(diǎn)的位置坐標(biāo)，實(shí)際噴涂過程中噴槍按照既定的軌跡點(diǎn)噴涂即可滿足預(yù)先設(shè)定的涂層技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 離線編程運(yùn)動仿真系統(tǒng)開發(fā)

完成進(jìn)氣道噴涂軌跡的規(guī)劃后，通過離線編程模塊和仿真模塊的開發(fā)，設(shè)定噴涂仿真過程中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如掃掠速度、噴涂帶寬度、噴嘴與表面距離等，指定輸出坐標(biāo)位置點(diǎn)的文件位置，點(diǎn)擊仿真模塊的開始按鈕即可模擬噴槍實(shí)際的噴涂過程，此時噴涂軌跡點(diǎn)即可隨著噴槍的運(yùn)動而顯示在實(shí)際的噴涂工件表面上。從輸出的文件中即可得到所需要的軌跡點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將這些坐標(biāo)位置點(diǎn)輸入實(shí)際的噴涂機(jī)器設(shè)備中，機(jī)器即可按此軌跡點(diǎn)進(jìn)行噴涂作業(yè)。

2.3 離線編程數(shù)據(jù)自動采集功能開發(fā)

根據(jù)目前控制系統(tǒng)要求，將路徑數(shù)據(jù)自動取點(diǎn)，并將坐標(biāo)點(diǎn)位數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換成Excel表格文件，程序以Excel文件格式輸出計(jì)算結(jié)果，包括:以離散點(diǎn)表示噴頭路徑 (x、y、z坐標(biāo)和極坐標(biāo));各點(diǎn)之間的時間間隔120 ms;路徑點(diǎn)坐標(biāo)系相對于全局坐標(biāo)系的位置。軌跡三維坐標(biāo)提取流程見圖7，部分軌跡點(diǎn)三維坐標(biāo)及其極坐標(biāo)值見表1。

圖7 軌跡三維坐標(biāo)提取流程

表1 部分軌跡點(diǎn)三維坐標(biāo)及其極坐標(biāo)值

3 結(jié)論

(1)完成了對飛機(jī)進(jìn)氣道噴涂路徑規(guī)劃的算法研究、離線編程和仿真模塊的開發(fā)，獲得了實(shí)際零件噴涂軌跡點(diǎn)的三維坐標(biāo)文件，將實(shí)際噴涂點(diǎn)坐標(biāo)傳輸?shù)絿娡繖C(jī)器人控制系統(tǒng)中使機(jī)器人按照既定的軌跡運(yùn)動，實(shí)際的噴涂效果驗(yàn)證了該軌跡規(guī)劃算法離線編程的可行性。

(2)通過實(shí)際的噴涂效果 (圖8)反饋檢驗(yàn)了該項(xiàng)技術(shù)研究的合理性，用機(jī)器進(jìn)行離線噴涂減輕了重金屬漆料對噴涂工人的危害;將進(jìn)氣道噴涂時間由3 h縮短至10 min;避免了人工噴涂誤差，提高了涂層厚度均勻性;可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)進(jìn)氣道噴涂的批量化作業(yè)，而且為日后發(fā)展整機(jī)噴涂奠定了一定的基礎(chǔ)。

圖8 進(jìn)氣道實(shí)際噴涂效果

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