基于Delmia的飛機(jī)自動制孔離線編程技術(shù)

劉博鋒 薛宏

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，中國·陜西 西安 710089

1 引言

離線編程[1-2]是通過對產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型的分析，獲得需要加工的孔的位置及緊固件參數(shù)信息，從而規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動軌跡，并根據(jù)緊固件孔位及參數(shù)生成自動制孔的相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)NC 自動編程。離線編程軟件用于編制和輸出自動化制孔設(shè)備配套使用的工件程序[3]。基于Delmia 的離線編程是一種可視化的編程過程，利用Delmia 仿真模塊對機(jī)器人加工姿態(tài)、加工動作及路徑進(jìn)行設(shè)置，同時添加必要的設(shè)備信息，采用后置處理模塊對設(shè)備的姿態(tài)、動作及路徑進(jìn)行讀取，生成設(shè)備可讀的加工程序。整個編程過程不需要與設(shè)備進(jìn)行直接通信，設(shè)備運(yùn)行和程序編制互不干涉。設(shè)備在生產(chǎn)一種類型產(chǎn)品時，編程員可同時對下一種產(chǎn)品進(jìn)行編程，提高了生產(chǎn)效率。針對飛機(jī)部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，結(jié)合Delmia 軟件，開發(fā)了一套離線編程軟件。該軟件可以實(shí)現(xiàn)對制孔程序的編制、設(shè)備仿真、干涉碰撞分析以及制孔程序生成等功能。

2 離線編程參數(shù)庫構(gòu)建

機(jī)器人自動制孔的離線編程是針對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及緊固件的編程，沒有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息及緊固件信息就無法實(shí)現(xiàn)自動制孔的離線編程。因此，在離線編程之前，必須建立一套包含所有自動制孔參數(shù)的離線編程參數(shù)庫，用于支撐離線編程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)生成。離線編程參數(shù)庫包含刀具參數(shù)信息、緊固件參數(shù)信息、工裝數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及用于后置處理功能的其他信息等。

2.1 緊固件參數(shù)庫

緊固件參數(shù)庫包含了產(chǎn)品用于自動制孔的所有緊固件信息，其中包括緊固件牌號、類型、直徑、長度、锪窩深度、壓緊力、最大疊層等信息。緊固件牌號與離線編程數(shù)模中的緊固件牌號完全一致，離線編程過程中通過讀取緊固件牌號進(jìn)行加工參數(shù)的設(shè)置。

2.2 刀具參數(shù)庫

刀具參數(shù)庫包含了自動制孔過程中所需要的所有刀具，自動制孔過程中通過刀具名稱進(jìn)行刀具的選擇，因此刀具名稱必須唯一，在刀具參數(shù)中通過加工緊固件來描述刀具的用途，通過是否锪窩來判斷刀具加工為僅制孔還是制孔锪窩。最大加工疊層與刀具結(jié)構(gòu)有關(guān)，確定最大加工疊層可以防止刀具選擇不正確造成的孔鉆不穿的情況。

2.3 材料參數(shù)庫

產(chǎn)品的材料信息決定了加工過程中所選擇的制孔參數(shù)。由于不同產(chǎn)品甚至相同產(chǎn)品數(shù)模中對材料的描述各不相同，為了便于程序?qū)Ξa(chǎn)品材料的識別，建立材料參數(shù)庫，其中輸入信息為各個數(shù)模中對材料的描述，輸出信息為材料的統(tǒng)一代號。

2.4 產(chǎn)品（程序）參數(shù)庫

產(chǎn)品參數(shù)庫用于管理不同產(chǎn)品的編程信息、加工信息以及工裝放置位置信息等。加工類型中DRILL 用于找正釘鉆制產(chǎn)品上的緊固件孔，TDO 用于鉆制臨時緊固釘孔。由于在機(jī)器人站位規(guī)劃過程中設(shè)置了2 個可加工站位，因此在產(chǎn)品參數(shù)中設(shè)置工裝位置，LH 放置于左側(cè)制孔站位、RH 放置與右側(cè)制孔站位，LH 與RH 可以完成相同的制孔工作。由于RH和LH 站位相對于機(jī)器人位置在地軌方向上進(jìn)行了一定的偏移，因此采用程序偏置，可以實(shí)現(xiàn)RH/LH 站位程序向LH/RH 站位程序的快速轉(zhuǎn)換。

3 機(jī)器人運(yùn)動仿真環(huán)境建立

根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動方式、各個軸以及地軌的運(yùn)動范圍，利用Delmia 軟件中的device task definition 的功能模塊，對機(jī)器人自身、地軌、末端執(zhí)行器之間的運(yùn)動學(xué)關(guān)系進(jìn)行建立，進(jìn)而可以在仿真過程中對機(jī)器人的運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)物流需求、機(jī)器人的可達(dá)性等確定產(chǎn)品的制孔站位并對機(jī)器人與工裝之間的理論相對位置進(jìn)行匹配。

仿真環(huán)境建立在device task definition 模塊中，該模塊包含離線編程所需的工藝信息、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)及工裝數(shù)據(jù)等信息，在Program 模塊下實(shí)現(xiàn)程序的編制。

4 工藝數(shù)模的處理

由于離線編程規(guī)則以及不同產(chǎn)品三維模型結(jié)構(gòu)建立方式的不同，需要對設(shè)計(jì)數(shù)模進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成可編程的數(shù)模。工藝數(shù)模的處理主要包括標(biāo)準(zhǔn)件、疊層材料、制孔工藝參數(shù)的提取，設(shè)備夾緊面的設(shè)置。

設(shè)備夾緊面是所有緊固件制孔的起點(diǎn)，也是機(jī)器人末端執(zhí)行器制孔過程中鼻尖壓緊的表面，設(shè)備夾緊面確定了設(shè)備的制孔區(qū)域。通過對產(chǎn)品分析，確定設(shè)備制孔過程中與產(chǎn)品的貼合面，將所有的貼合面統(tǒng)一為整體的夾緊面。標(biāo)簽為Delmia 自有的一種類似坐標(biāo)系具有XYZ 三個方向的幾何元素，同時標(biāo)簽具有屬性信息[4]。而產(chǎn)品數(shù)模中的臨時緊固釘采用點(diǎn)或者線的形式體現(xiàn)，僅有名稱屬性。利用標(biāo)簽的這種既有方向又有屬性的特征，通過二次開發(fā)的宏程序，將從離線編程參數(shù)庫獲得的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)以及測量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)獲得的制孔法向、疊層材料及厚度等各項(xiàng)特征賦予標(biāo)簽，形成編程的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。離線編程過程中可以通過調(diào)整標(biāo)簽的方向?qū)χ瓶啄┒藞?zhí)行器的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

5 機(jī)器人路點(diǎn)技術(shù)

機(jī)器人自動制孔設(shè)備相對于自動鉆鉚設(shè)備自由度更高，機(jī)器人進(jìn)行不同制孔站位轉(zhuǎn)換過程中，機(jī)器人人姿態(tài)變化較大，運(yùn)動過程難以控制，因此提出采用路點(diǎn)技術(shù)對機(jī)器人移動路徑進(jìn)行控制。

機(jī)器人移動路徑通過運(yùn)用路點(diǎn)運(yùn)動的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。路點(diǎn)是指空間中可通過程序指定的點(diǎn)。每個路點(diǎn)都有其父路點(diǎn)，或者有其同級路點(diǎn)，也可移動X 軸床身。路點(diǎn)結(jié)構(gòu)樹如圖1所示，同級路點(diǎn)是指有同樣父點(diǎn)的點(diǎn)，如E，F(xiàn)，G。如果設(shè)置允許同級移動，他們可以互相移動至點(diǎn)位而不需要通過C 點(diǎn)。然而，如果命令從E 點(diǎn)移動至D 點(diǎn)，移動路徑為E—C—A—B—D。通過有層次的路點(diǎn)移動，可以更好地控制機(jī)器人的運(yùn)動過程及姿態(tài)，提高機(jī)器人運(yùn)動效率避免機(jī)器人的干涉。

圖 1 路點(diǎn)結(jié)構(gòu)樹

離線編程中路點(diǎn)移動可以通過線性移動和關(guān)節(jié)移動兩種方式移動。關(guān)節(jié)移動是通過分別調(diào)整機(jī)器人各軸的旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人姿態(tài)的控制。線性移動以機(jī)器人末端執(zhí)行器刀尖點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過移動刀尖點(diǎn)的位置，利用機(jī)器人自身的運(yùn)動學(xué)關(guān)系，帶動各軸聯(lián)動，形成機(jī)器人路徑，該方法可以快速地使機(jī)器人達(dá)到指定區(qū)域而無需對各軸姿態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

6 離線編程流程

程序編制主要包含機(jī)器人任務(wù)創(chuàng)建、工裝找正、路點(diǎn)、換刀、找正、制孔以及其他輔助功能的設(shè)置等。

6.1 機(jī)器人任務(wù)創(chuàng)建

通過選擇加工對象及產(chǎn)品放置站位完成機(jī)器人任務(wù)的創(chuàng)建，創(chuàng)建完成的機(jī)器人任務(wù)具有名稱、ID、站位、版本、制孔類型等信息，這些都將用于生成程序代碼中。

6.2 工裝找正

工裝找正通過對工裝上找正點(diǎn)進(jìn)行找正進(jìn)行工裝偏移的校正。

6.3 路點(diǎn)創(chuàng)建

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制孔區(qū)域?qū)C(jī)器人路點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃并進(jìn)行創(chuàng)建，路點(diǎn)以單獨(dú)任務(wù)進(jìn)行編輯，在機(jī)器人任務(wù)程序編制過程中引用路點(diǎn)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)，進(jìn)而保證路點(diǎn)可重復(fù)使用。通過父子級路點(diǎn)設(shè)置保證路點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

6.4 循環(huán)創(chuàng)建

循環(huán)是程序的主體部分，設(shè)備采用固定封閉式循環(huán)，在一個循環(huán)中包括多個進(jìn)程（制孔、锪窩、檢測孔徑等）。多個類似的循環(huán)組成完整的產(chǎn)品制孔主程序。循環(huán)包含找正循環(huán)、制孔循環(huán)。找正循環(huán)即對找正目標(biāo)進(jìn)行找正程序的編制，制孔循環(huán)針對需要制孔的緊固件孔位進(jìn)行程序編制。同時可以設(shè)置在循環(huán)前/后機(jī)器人向壁板位置或者遠(yuǎn)離壁板位置的額外移動，即回縮距離。在循環(huán)過程中可以根據(jù)機(jī)器人與產(chǎn)品的位置調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)以及末端執(zhí)行器回縮距離以更有效率地制孔或者避免機(jī)器人與產(chǎn)品或者工裝的干涉。

6.5 輔助功能程序

輔助功能包含孔探頻率設(shè)置、夾緊速率設(shè)置、文本提示信息設(shè)置以及程序的更新、部分仿真、仿真等功能。

7 仿真及碰撞干涉分析

利用Delmia 的仿真功能，可以根據(jù)前期編制的各種機(jī)器人動作對機(jī)器人的路徑、姿態(tài)進(jìn)行分析，并通過設(shè)置碰撞進(jìn)行干涉分析，對仿真過程中的干涉以及不合理路徑進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。仿真分析主要有3 種模式：產(chǎn)品內(nèi)部的碰撞干涉分析、兩組產(chǎn)品之間的碰撞干涉分析、所有產(chǎn)品之間的碰撞干涉分析。對于機(jī)器人與工裝產(chǎn)品采用第2 種模式，以機(jī)器人為一組對象、工裝和產(chǎn)品為一組對象進(jìn)行干涉分析。

8 后置處理

后置處理是數(shù)控編程技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，CAD/CAM與機(jī)械制造系連接的紐帶。通過后置處理功能讀取離線編程換件下生成的設(shè)備姿態(tài)及刀尖點(diǎn)路徑文件，提取相關(guān)的加工信息，并依據(jù)設(shè)備加工的程序格式進(jìn)行分析、處理，最終生成設(shè)備可識別的NC 程序，進(jìn)而驅(qū)動設(shè)備的運(yùn)行。

機(jī)器人系統(tǒng)采用了二次開發(fā)的西門子840D 控制系統(tǒng)，針對設(shè)備對程序格式的需求，在完成程序的編制后，通過后置處理程序生成設(shè)備可讀的程序，包括路點(diǎn)程序及自動制孔程序。同時根據(jù)在創(chuàng)建機(jī)器人任務(wù)時設(shè)備的站位及偏置量，可以同時生成2個站位的制孔程序，以提高設(shè)備制孔的靈活性。

9 結(jié)語

論文針對飛機(jī)自動制孔提出了一套離線編程的方法和流程，該方案具備良好的通用性，能滿足不同型號飛機(jī)產(chǎn)品的為自動制孔程序編制需求，且數(shù)據(jù)提取準(zhǔn)確高效，具有良好的工程應(yīng)用價值。