面向垂尾壁板的自動(dòng)制孔離線編程模塊設(shè)計(jì)及孔位誤差分析

王巍，周星宇

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng)110136）

0 引言

自動(dòng)制孔設(shè)備已經(jīng)在航空、汽車及船舶等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，對(duì)于提高制孔質(zhì)量、加快生產(chǎn)效率有一定的促進(jìn)作用。自動(dòng)制孔設(shè)備的自動(dòng)化水平，主要取決于程序的編制，相對(duì)于傳統(tǒng)的在線編程，離線編程技術(shù)取得了巨大的突破，提高了生產(chǎn)效率，并且對(duì)銑削制孔的精準(zhǔn)度有了提升。

各個(gè)國(guó)家都對(duì)離線編程的研究取得突破，如德國(guó)NIS公司設(shè)計(jì)的RoboPlan離線編程系統(tǒng)[1]，瑞士公司基于PC端對(duì)離線編程取得階段性研究突破[2]。王克鴻等[3]通過SolidWorks進(jìn)行離線編程開發(fā)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)何廣忠等[4]開發(fā)的ACADOLP離線編程與仿真系統(tǒng)。本文面向垂尾壁板規(guī)劃自動(dòng)制孔離線編程模塊，并對(duì)孔位誤差進(jìn)行分析與找正。

1 五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)離線編程系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

1.1 離線編程系統(tǒng)功能模塊

離線編程由集成控制、伺服驅(qū)動(dòng)等結(jié)構(gòu)組成，具有與其他系統(tǒng)的集成接口。信息的傳輸與分配由現(xiàn)場(chǎng)的總線完成。通過離線編程下達(dá)任務(wù)，對(duì)加工過程進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)通過行程仿真，對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行反饋。自動(dòng)制孔機(jī)具有5個(gè)自由度，可以在工作區(qū)域內(nèi)任意調(diào)整刀具運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)，可以保證產(chǎn)品的制孔效率和質(zhì)量?，F(xiàn)根據(jù)機(jī)床制孔原理對(duì)其離線編程各個(gè)模塊進(jìn)行規(guī)劃。總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

1.2 離線編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離線編程是指利用飛機(jī)數(shù)據(jù)模型信息，在離線狀態(tài)下使用特定軟件模擬機(jī)床工作環(huán)境及產(chǎn)品環(huán)境，使用者通過繪圖仿真軟件編輯機(jī)床的運(yùn)行軌跡，通過仿真調(diào)整銑削或鉆孔行為，最后自動(dòng)輸出程序反饋給設(shè)備。通過數(shù)模提取制孔區(qū)域及代加工孔數(shù)據(jù)，通過仿真軟件分析檢測(cè)設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，仿真判斷是否干涉及運(yùn)動(dòng)路徑是否合理，進(jìn)行反饋修改并再次進(jìn)行模擬，最后通過系統(tǒng)進(jìn)行輸出。離線編程軟件可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配，定位設(shè)備制孔位置、行走路徑，對(duì)設(shè)備調(diào)姿，再對(duì)工藝進(jìn)行協(xié)調(diào)，對(duì)制孔位置進(jìn)行誤差分析，進(jìn)行碰撞檢查，提高生產(chǎn)效率。

圖1 離線編程功能模塊設(shè)計(jì)方案

針對(duì)不同復(fù)合材料，由于復(fù)合材料不易切削，加工性能差，所以優(yōu)先選用硬度大的合金材料刀具。為應(yīng)對(duì)鉆孔、銑削、劃锪等情況，需要采用不同材料、不同種類的刀具。因此需要建立自動(dòng)制孔刀具庫(kù)，針對(duì)不同材料、工藝加工情況調(diào)用不同種類刀具，以實(shí)現(xiàn)不同工藝參數(shù)的功能。

2 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)方式

五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備建模的準(zhǔn)確性直接影響整個(gè)離線編程系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備主要由五坐標(biāo)型架及末端執(zhí)行器組成?？捎糜谧詣?dòng)制孔、拉鉚、锪窩、涂膠、自動(dòng)換刀、自動(dòng)送釘、對(duì)孔的位置檢查，以及法向矢量校準(zhǔn)、刀具破損檢驗(yàn)等[5]。

虛擬五軸制孔設(shè)備通過并聯(lián)自動(dòng)制孔系統(tǒng)能夠完成復(fù)雜曲面的部件自動(dòng)制孔，通過三連桿支撐末端執(zhí)行器，通過三連桿完成在機(jī)床坐標(biāo)系下三維的上、下、左、右、前、后的3自由度運(yùn)動(dòng)，由末端執(zhí)行器完成頭部的翻轉(zhuǎn)及俯仰運(yùn)動(dòng)[5]。另2個(gè)自由度為2個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)形成的可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)。虛擬五軸并聯(lián)機(jī)器人結(jié)合串聯(lián)機(jī)床與并聯(lián)機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了其機(jī)動(dòng)靈活性不足、工作范圍小、機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

圖2 五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備末端執(zhí)行器與運(yùn)動(dòng)方式

3 自動(dòng)制孔離線編程模塊規(guī)劃

五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)離線編程系統(tǒng)核心功能是：在虛擬加工環(huán)境下，對(duì)產(chǎn)品和設(shè)備的姿態(tài)調(diào)整、制孔刀具軌跡規(guī)劃、鉆孔控制等工序進(jìn)行操作。

3.1 人機(jī)交互操作模塊

人機(jī)交互功能主要是系統(tǒng)自定義的用戶界面，主要包括“離線編程”及“制孔仿真”工具條、與每個(gè)工具條命令關(guān)聯(lián)的對(duì)話框。五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)人機(jī)交互接口是離線編程系統(tǒng)與其主控制臺(tái)建立聯(lián)系的基礎(chǔ)。離線編程系統(tǒng)生成五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)程序文件，再把程序文件導(dǎo)入機(jī)器中，這就需要有一個(gè)友好的人機(jī)交互接口。離線編程與五坐標(biāo)自動(dòng)制孔關(guān)系密切，由主控制臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)離線編程程序?qū)C(jī)器的導(dǎo)入，以及控制其操作?？刂婆_(tái)位于設(shè)備外圍安全護(hù)欄外部，并且所有的控制部件集成在這里。連接在主軸上的兩個(gè)相機(jī)采集的視頻會(huì)在CNC屏幕和視頻采集屏幕顯示?？傊?，離線編程與五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)關(guān)系密切，分析人機(jī)交互是實(shí)現(xiàn)離線編程系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3.2 離線編程模塊

離線編程功能模塊主要有自動(dòng)制孔資源的加載提取、孔位信息的獲取、孔位區(qū)域的確定規(guī)劃、制孔工藝參數(shù)的管理等功能[6]。

1）自動(dòng)制孔資源的加載提取。通過程序設(shè)置待加工孔位信息，確定代加工孔位信息后，程序通過搜索產(chǎn)品信息篩選提取目標(biāo)特征信息，最后程序?qū)⑵涮卣餍畔⑤敵觥?/p>

2）自動(dòng)制孔特征創(chuàng)建。應(yīng)用CATIA實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔的孔特征創(chuàng)建，管理孔位數(shù)據(jù)和位置。將應(yīng)該制孔的工作區(qū)域與孔的創(chuàng)建特征對(duì)應(yīng)，同時(shí)保證孔的操作特征與孔基準(zhǔn)特征對(duì)應(yīng)，刀具軌跡的關(guān)鍵點(diǎn)由孔位數(shù)據(jù)生成。

3）制孔區(qū)域規(guī)劃。通過數(shù)據(jù)模型查看待制孔區(qū)域，根據(jù)基準(zhǔn)孔和預(yù)裝孔規(guī)劃具體制孔區(qū)域來(lái)對(duì)制孔區(qū)域進(jìn)行管理。

4）制孔工藝參數(shù)管理。包括產(chǎn)品材料的種類、制孔刀具型號(hào)、刀具的材質(zhì)及各種工藝參數(shù)的管理，工藝參數(shù)信息可在參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇，通過程序接口訪問，確定待加工孔位的實(shí)際需要參數(shù)。

3.3 運(yùn)動(dòng)仿真模塊

仿真的命令包括開始啟動(dòng)、結(jié)束停止、轉(zhuǎn)換到下一個(gè)孔位、模擬刀具運(yùn)行軌跡、檢測(cè)碰撞干涉，還可以對(duì)制孔銑削速度進(jìn)行調(diào)整。在仿真時(shí)，可直接看到鉆孔的過程及完成的孔位圖像，可以在孔位列表中查看正在進(jìn)行中的鉆孔信息。

制孔仿真模塊，主要是在三維虛擬環(huán)境下，對(duì)五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，其中，仿真的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)主要來(lái)自制孔操作特征和NC代碼[7]。制孔仿真主要對(duì)刀具管理、控制調(diào)整切削速度、控制末端執(zhí)行器功能及工作、檢測(cè)是否有碰撞干涉，模擬制孔切削狀態(tài)。其中，刀具設(shè)置管理、仿真速度設(shè)置、末端執(zhí)行器仿真速度設(shè)置均通過人機(jī)交互界面對(duì)刀具參數(shù)和仿真速度進(jìn)行設(shè)置。虛擬設(shè)備JOG是在CATIA三維虛擬環(huán)境下，對(duì)五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)進(jìn)行手動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，并觀察制孔設(shè)備的運(yùn)動(dòng)行程和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，如圖3所示。

3.4 后置處理模塊

圖3 制孔運(yùn)動(dòng)仿真模塊

將離線編程產(chǎn)生的自動(dòng)制孔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為設(shè)備自己使用的制孔NC代碼。后置處理可以將五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備的末端執(zhí)行器工作位置在各軸的運(yùn)動(dòng)分量轉(zhuǎn)化到機(jī)床坐標(biāo)系上，生成刀具轉(zhuǎn)換程序，可在制孔仿真時(shí)調(diào)用。生成適用于設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的照相測(cè)量NC代碼。通過照相測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)孔和待加工孔的位置確定。

4 垂尾壁板制孔實(shí)例

現(xiàn)以某型飛機(jī)垂尾壁板為例，進(jìn)行五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備離線編程模塊規(guī)劃及制孔誤差分析。首先，在該系統(tǒng)中加載垂尾壁板、垂尾壁板工裝及五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)，并對(duì)加載的產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)行調(diào)姿。創(chuàng)建垂尾壁板上制孔特征，規(guī)劃制孔區(qū)域，并將垂尾壁板上制孔區(qū)域的制孔參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行管理。然后，對(duì)制孔過程進(jìn)行仿真，包括制孔刀具在對(duì)壁板制孔時(shí)的干涉檢測(cè)、刀具軌跡數(shù)據(jù)仿真及NC代碼仿真。最后，通過后置處理功能模塊產(chǎn)生照相測(cè)量代碼和制孔代碼。圖4所示為五坐標(biāo)自動(dòng)制孔機(jī)離線編程系統(tǒng)對(duì)某型飛機(jī)垂尾壁板的制孔。

圖4 五坐標(biāo)制孔設(shè)備對(duì)垂尾壁板制孔

4.1 工件坐標(biāo)系的建立

把工件坐標(biāo)系定義為垂尾產(chǎn)品和孔位信息建立的坐標(biāo)系，把制孔設(shè)備的中心定義為機(jī)床坐標(biāo)系[7]。

首先設(shè)定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的位置關(guān)系為（Xwm，Ywm，Zwm），通過末端執(zhí)行器視覺系統(tǒng)照相測(cè)量建立機(jī)床工件的坐標(biāo)系。根據(jù)垂尾壁板設(shè)計(jì)機(jī)床銑削制孔程序，制孔前，需要先找到壁板工裝的準(zhǔn)確位置，便于機(jī)床對(duì)壁板的定位[8-9]。五軸制孔機(jī)通過末端執(zhí)行器上的照相視覺系統(tǒng)對(duì)壁板上的3個(gè)基準(zhǔn)孔進(jìn)行照相測(cè)量，通過得到3個(gè)測(cè)量點(diǎn)的三維空間上的3個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定笛卡爾空間三維直角坐標(biāo)系，將機(jī)床自身的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為垂尾壁板的制孔工件坐標(biāo)系。

4.2 制孔區(qū)域優(yōu)化

面向離線編程的自動(dòng)制孔程序，要在壁板的結(jié)構(gòu)上合理地規(guī)劃孔位，確保制孔的準(zhǔn)確性和可實(shí)現(xiàn)性。制孔區(qū)域包含蒙皮、與蒙皮連接的框、肋及桁，以及定位的基準(zhǔn)孔和待加工孔。

自動(dòng)制孔設(shè)備末端執(zhí)行器上有照相測(cè)量系統(tǒng)和激光距離傳感器，通過激光測(cè)量孔位的距離角度偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔位中心點(diǎn)的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔的法向矢量的誤差調(diào)整。結(jié)合這一測(cè)量技術(shù)，在選擇3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)建立工件坐標(biāo)系后，可以再選擇幾個(gè)手工加工好的孔位，進(jìn)行照相測(cè)量，二次優(yōu)化工件坐標(biāo)系。由于手動(dòng)制孔的不確定性，所以利用預(yù)加工孔優(yōu)化坐標(biāo)系會(huì)有偏差，所以距離參考孔位近的待加工孔的設(shè)備加工精度可以符合要求，由于裝配誤差、人工制孔誤差，難以保證距離較遠(yuǎn)的孔的設(shè)備制孔精度。因此，為了實(shí)現(xiàn)測(cè)量預(yù)加工孔二次優(yōu)化工件坐標(biāo)系，應(yīng)對(duì)測(cè)量基準(zhǔn)孔和待加工孔區(qū)域合理規(guī)劃。由于制孔目的是為了蒙皮與其他零部件連接，為防止裝配誤差積累，應(yīng)保證該區(qū)域的基準(zhǔn)孔和待加工孔處于同一個(gè)零件上、同一區(qū)域材料相同及單個(gè)區(qū)域具有相同的孔徑加工要求。

4.3 末端執(zhí)行器刀尖中心點(diǎn)軌跡仿真

制孔的過程為刀尖點(diǎn)從安全高度到起始位置，再到制孔進(jìn)給，通過計(jì)算仿真制孔的一個(gè)過程，計(jì)算出刀尖點(diǎn)從安全高度到起始位置五坐標(biāo)制孔設(shè)備各個(gè)軸的改變量，從而得出刀尖點(diǎn)的軌跡。

在工件上找到要制孔的位置P（Xw,Yw,Zw），曲面法矢量為N（Nx,Ny,Nz）。假設(shè)刀尖起始位置距離旋轉(zhuǎn)中心距離為L(zhǎng)，刀尖移動(dòng)到P點(diǎn)開始定位，刀尖完成定位后，通過計(jì)算分析出設(shè)備5個(gè)軸在工作坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)的分量（Xm,Ym,Zm,Aa,Cc）。

計(jì)算C擺角Cc，其中C＝arctan 2（J,I）。0＜C≤π時(shí)，Ccx＝－（π－c）＝C－π；當(dāng)A擺的位置在－π/2處，Cc＝C－π＋π/2；當(dāng)－π＜C＜0時(shí)，Ccx＝π＋C；當(dāng)A擺的位置在π/2處，所以Cc＝C＋π－π/2。

計(jì)算A擺角Aa，Aa的大小為法矢量N與Zw軸夾角A，A＝arctan 2（sqrt（I×I＋J×J）,K）。當(dāng)0＜C≤π時(shí)，為“－”；當(dāng)－π＜C＜0時(shí)，為“＋”，A的擺角如圖5所示。

圖5 A擺角示意圖

計(jì)算（Xm,Ym,Zm），機(jī)床回歸機(jī)床坐標(biāo)系零點(diǎn)位置，擬合2個(gè)坐標(biāo)系建立工作坐標(biāo)系，末端執(zhí)行器工作刀具中心在工作坐標(biāo)系下坐標(biāo)為TP0（0,0,-L）；TP0點(diǎn)繞X旋轉(zhuǎn)角度Aa后，獲得新坐標(biāo)點(diǎn)TP1（0,L×sin Aa,L×cos Aa），TP1點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度Cc后，獲得新坐標(biāo)點(diǎn)TP2，點(diǎn)位示意圖如圖6所示，如公式（1）：

移動(dòng)機(jī)床，使TP2點(diǎn)移動(dòng)到工件坐標(biāo)系原點(diǎn)，此時(shí)得到機(jī)床在工作坐標(biāo)系下原點(diǎn)坐標(biāo)為Pmw=［-TP2.X，-TP2.Y，-TP2.Z］，將機(jī)床原點(diǎn)平移T（Xw，Yw，Zw），將使得刀具頂點(diǎn)移動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)P（Xw，Yw，Zw）位置，此時(shí)機(jī)床在工件坐標(biāo)系下原點(diǎn)坐標(biāo)，如式（2）：

圖6 點(diǎn)位示意圖

即可得機(jī)床各個(gè)軸從起始位置到工作位置時(shí)的運(yùn)動(dòng)分量及該變量，從而得出機(jī)床末端執(zhí)行器刀尖中心點(diǎn)的移動(dòng)軌跡。

4.4 孔位誤差分析及修正

實(shí)際鉆孔過程中，孔位會(huì)發(fā)生偏差，偏差來(lái)源于垂尾壁板與工裝之間的誤差、壁板自身的變形量及五坐標(biāo)制孔設(shè)備與工裝壁板建立坐標(biāo)系時(shí)產(chǎn)生的誤差。為了保證實(shí)際生產(chǎn)中的制孔精度，需要對(duì)孔位進(jìn)行修正。

首先，在垂尾壁板上選取幾個(gè)制孔位置的關(guān)鍵點(diǎn)，通過照相測(cè)量系統(tǒng)建立工件坐標(biāo)系。在圖樣數(shù)據(jù)模型上獲得目標(biāo)孔位的理論位置，作為建立坐標(biāo)系的理論值，再通過移動(dòng)五坐標(biāo)制孔設(shè)備，通過末端執(zhí)行器視覺系統(tǒng)照相測(cè)量預(yù)加工孔，從而獲得實(shí)際制孔位置獲取實(shí)際測(cè)量值。將關(guān)鍵孔位的理論值與實(shí)際值擬合，建立工件坐標(biāo)系，以修正現(xiàn)場(chǎng)誤差。

其次，利用五坐標(biāo)制孔機(jī)末端執(zhí)行器照相測(cè)量系統(tǒng)[10]獲取孔的實(shí)際位置信息，與制孔位置的理論數(shù)值作對(duì)比，修正裝配及加工方向上的誤差，結(jié)合實(shí)際修改孔位信息的理論值，作為優(yōu)化修正。即將孔位法向矢量進(jìn)行修正，防止制孔時(shí)因?yàn)榈毒吲c曲面的垂直位置不一致而導(dǎo)致的制孔誤差?？孜环ㄏ蚴噶空`差修正時(shí)，激光測(cè)距系統(tǒng)的工作原理為：五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備末端執(zhí)行器上具有照相測(cè)量系統(tǒng)和激光測(cè)距傳感器。通過發(fā)射接收激光的距離來(lái)感知刀尖位置與孔位的法向矢量偏差。設(shè)X、Y、Z為激光測(cè)距傳感器發(fā)出形成的光點(diǎn)[11]，三角形XYZ為一確定平面。因?yàn)槠矫嬗晒恻c(diǎn)建立，極其微小，所以用三角形平面的法向矢量代替P點(diǎn)制孔位置的法向矢量，如圖7所示。通過離線編程可實(shí)現(xiàn)法向矢量的自動(dòng)找正，若法向矢量滿足要求，則程序找正結(jié)束，若刀尖與孔位平面夾角垂直度不滿足要求，則末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)再次測(cè)量，直到滿足要求，如圖8所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文面向垂尾壁板自動(dòng)鉆孔的離線編程系統(tǒng)模塊進(jìn)行規(guī)劃。首先對(duì)離線編程系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作介紹，該系統(tǒng)包括人機(jī)交互和對(duì)產(chǎn)品加工的離線編程與仿真功能。對(duì)五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。通過實(shí)例驗(yàn)證垂尾壁板的五坐標(biāo)自動(dòng)制孔設(shè)備離線編程模塊規(guī)劃及制孔誤差分析。對(duì)五坐標(biāo)制孔設(shè)備相對(duì)于垂尾產(chǎn)品的工作坐標(biāo)系的建立和制孔位置誤差進(jìn)行了分析和優(yōu)化。對(duì)制孔的法矢量理論和實(shí)際的一致性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，作出調(diào)整總結(jié)。對(duì)技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)，為今后面向自動(dòng)化加工設(shè)備的離線編程系統(tǒng)的研制提供了一定的借鑒。

圖7 曲面法向檢測(cè)原理

圖8 壁板法向找正流程圖