飛機尾翼噴涂軌跡規(guī)劃算法研究

屈力剛，李見，蘇東東

(沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，遼寧沈陽 110136)

近年來，隨著我國在航空發(fā)動機高溫合金材料方面不斷取得技術(shù)突破，對隱形戰(zhàn)機的研究在不斷加快，對于隱形戰(zhàn)機而言，為了滿足其飛行作戰(zhàn)時逃避雷達搜索而隱形的目的，必須限定飛機隱形材料涂層的厚度和質(zhì)量以及雷達對飛機表面反射截面的要求，因而要嚴格控制隱身材料涂層的厚度。2003年洛馬公司研制出了針對F-22整機噴涂的CASPER系統(tǒng)，近年來美國洛馬公司又開發(fā)出了F-35隱形戰(zhàn)機機器人噴涂的RSAF系統(tǒng)［1-2］，為了更有效地展現(xiàn)涂層厚度結(jié)果，該公司開發(fā)出了一種新的厚度數(shù)據(jù)顯示方法。我國在這方面雖然起步較晚，但是為了保持飛機的噴涂質(zhì)量多家飛機制造企業(yè)在不斷嘗試使用機器人自動噴涂設(shè)備，以沈飛、西飛和成飛等公司為代表的軍機研制企業(yè)對機器人噴涂系統(tǒng)的開發(fā)正處于探索階段。

1986年，A KLEIN［3］最先將離線編程技術(shù)應(yīng)用于噴漆機器人，并提出基于CAD的噴漆機器人離線編程系統(tǒng)之后，GOODMANS，F(xiàn)REUND［4-5］等針對噴涂建模問題，提出了列表法，雙高斯涂層分布模型，國內(nèi)的孫國朋等［6］提出了一種基于點云處理技術(shù)的噴槍軌跡生成技術(shù)，樊帥權(quán)等［7］采用 MFC和 OpenGL開發(fā)了完整的離線軌跡規(guī)劃與仿真系統(tǒng)，趙德安等［8］采用對曲面進行分片的方法對噴槍軌跡進行了優(yōu)化。上述學者對機器人噴涂軌跡規(guī)劃做了深入的研究。文中針對飛機尾翼噴涂的要求，提出了尾翼噴涂路徑規(guī)劃算法，選用ABBIRB5500機器人實施噴涂作業(yè)，通過DELMIA/IGRIP實現(xiàn)機器人對飛機尾翼的仿真模擬噴涂實驗，獲取前期試驗指標和參數(shù)，為日后整機噴涂作業(yè)和噴涂過程的離線編程控制提供理論基礎(chǔ)［9-12］。

1 尾翼模型的建立

1.1 尾翼建模

由于飛機尾翼實際模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，這里只根據(jù)翼型結(jié)構(gòu)參數(shù)在Catia曲面建模模塊進行某型號飛機垂直尾翼的三維數(shù)字化模型的建立，其參數(shù)見表1，尾翼模型如圖1所示。

表1 尾翼模型參數(shù)

圖1 尾翼模型

1.2 軌跡規(guī)劃

飛機尾翼是一個復雜的異形曲面，噴涂軌跡的制定比較復雜。作者主要從以下兩個角度來研究對于飛機尾翼噴涂的軌跡。

(1)噴涂寬度確定

噴涂機器人對于工件噴涂時，噴涂的積累速率呈現(xiàn)為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噴涂的方式。為了后續(xù)計算的方便，在噴涂路徑上采用寬度一致的原則。如圖2所示，定義以下變量:OA為噴涂機器人的一個臂，A為噴頭，R為噴涂機器人的回轉(zhuǎn)臂與噴頭 (圓錐頂點)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，a、b分別為噴涂橢圓面的兩軸長，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，S為噴涂層橢圓面積。圓錐體噴霧與平面相交示意圖如圖3所示。

圖2 噴涂寬度計算圖

圖3 圓錐體噴霧與平面相交示意圖

經(jīng)過對數(shù)學模型的計算，得到了噴槍機器人對平面噴涂時的噴涂寬度:

AE的長度為:

(2)搭接寬度確定

尾翼噴涂軌跡如圖4所示。在噴涂過程中，噴槍始終沿著等距的路徑移動。在單一的行程中，噴涂區(qū)域的厚度可以用笛卡爾坐標系描述，噴槍的中心線劃過噴涂區(qū)域的中心。在噴涂過程中，笛卡爾坐標系隨著噴槍的中心線而移動。假設(shè)移動速度是v，Q為噴槍流量，那么距離原點為x的點的涂層厚度T為:

圖4 尾翼噴涂軌跡規(guī)劃

2 機器人噴涂仿真

2.1 機器人運動求解

由于噴涂過程中機器人對自由度數(shù)要求較高，因而很難實現(xiàn)機器人運動學的逆解。DELMIA/IGRIP軟件通過相應(yīng)模塊導入機器人路徑中的各點，在機器人運動對話框的目標屬性中可以看到機器人運動軌跡點運動學逆解的各種解，對這些點位的運動學逆解進行了奇異性分析，很容易從中選擇恰當?shù)哪娼狻?/p>

2.2 噴涂軌跡仿真

機器人的示教和軌跡優(yōu)化是DELMIA的又一個亮點，它能夠真實地模擬機器人的運動姿態(tài)。在機器人示教窗口，可以方便地插入/刪除軌跡點、修改位姿、增加噴涂動作、IO設(shè)置以及調(diào)整噴涂工序等。通常機器人示教完成后，其運動軌跡與實際相差比較大，因此需要對其軌跡進行優(yōu)化，使其與現(xiàn)實相符。自動軌跡優(yōu)化命令:Set Turn Numbers，在該窗口中可以選擇最小旋轉(zhuǎn)角度 (Shortest Angle)模式進行優(yōu)化，最后通過“Robot Task Simulation”可查看整個工件的噴涂過程的仿真［14］，噴涂軌跡仿真模擬如圖5所示。

圖5 噴涂軌跡仿真模擬

3 實驗噴涂結(jié)果分析

尾翼噴涂空間軌跡規(guī)劃如圖6所示，基于以上噴涂軌跡算法研究和機器本體的搭建，將軌跡規(guī)劃結(jié)果運用于噴涂實驗中，調(diào)整流量、霧化和扇幅等參數(shù)得到機器噴涂樣板，如圖7所示，用特殊的涂層厚度檢測設(shè)備得到噴涂點位厚度數(shù)據(jù)，采集若干點位厚度和人工噴涂厚度對比，得到如表2的數(shù)據(jù)。該試驗獲得了寶貴的前期實驗數(shù)據(jù)，為后期整體機翼噴涂工作奠定了一定的基礎(chǔ)。

圖6 尾翼噴涂空間軌跡規(guī)劃

圖7 噴涂試板效果圖

表2 厚度采集表

4 結(jié)論

結(jié)合飛機尾翼結(jié)構(gòu)特點，對尾翼噴涂軌跡規(guī)劃算法進行了研究，并通過實際的噴涂實驗驗證了該算法的合理性，同時應(yīng)用 DELMIA/IGRIP模塊，提出了機器人運動控制及仿真的新途徑。但是文中所述噴涂仿真模擬部分只實現(xiàn)了噴涂點位插入式模擬階段，怎樣實現(xiàn)軌跡所有點位的自動識別模擬以及機器人模擬運動代碼的輸出是今后研究的一個重點方向。

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