航修模式下的數(shù)控彎管機智能輔助系統(tǒng)研發(fā)

姚旭成，潘志國，鐘琪平

（1.國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007；2.上海航翼高新技術發(fā)展研究院有限公司，上海 200082）

隨著數(shù)字化技術的不斷進步，國內(nèi)航空制造企業(yè)在數(shù)字化設計與制造方面取得了長足發(fā)展，我國新一代空軍主力戰(zhàn)機已基本實現(xiàn)了數(shù)字化設計與制造。隨著現(xiàn)在對飛機導管尺寸精度的高要求，數(shù)控彎管技術也將逐步取代傳統(tǒng)的手工彎管。特別是航空維修領域，飛機型號種類繁多，部分早期機型數(shù)字化程度不高，飛機導管無數(shù)字化模型，或者難以獲取數(shù)字化模型，因此，需要從實例逆向建模其數(shù)字化模型，從而復刻出對應的導管。面對種類繁多的飛機導管，如果采用人工逆向建模，將消耗大量的人力物力。目前雖可借助測量工具完成導管數(shù)據(jù)的測量，但測量機和彎管機不能互通，且測量機也無法直接導出CATIA 數(shù)模，嚴重制約了飛機導管的復刻制造。為了突破不同設備軟件之間不能互通的問題，本文開發(fā)了一種數(shù)控彎管機智能輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了從彎管實例到彎管機加工數(shù)據(jù)的數(shù)模轉換，打通了不同廠家的測量機和彎管機之間數(shù)據(jù)通信，有力地提升了航空維修時飛機導管的加工效率和精度。

1 相關工作

目前國外主流數(shù)控彎管機生產(chǎn)商均已實現(xiàn)了管件數(shù)模到加工數(shù)據(jù)的自動轉換與回彈自動補償，但其設備價格昂貴。國產(chǎn)數(shù)控彎管機價格相對便宜，也基本實現(xiàn)了管件數(shù)模到加工數(shù)據(jù)的自動轉換，但只是簡單的數(shù)學模型轉換，未能實現(xiàn)彎曲過程回彈自動補償與工藝參數(shù)自動匹配，人工干預需求過大，導致單管生產(chǎn)效率不高，難以滿足航修企業(yè)“多數(shù)模、小批量”特殊生產(chǎn)模式的需求，極大地制約了數(shù)控彎管技術在航修企業(yè)中的應用，并且不同廠商的測量機和彎管機軟件之間數(shù)據(jù)無法互通。

目前現(xiàn)存的用于彎管機加工的輔助軟件也多為XYZ坐標數(shù)據(jù)轉YBC 加工數(shù)據(jù)的軟件，并不具備從數(shù)據(jù)逆向建模的功能，也無法實現(xiàn)測量機數(shù)據(jù)和彎管機之間的通信因此，開發(fā)一套數(shù)控彎管智能輔助系統(tǒng)，在實現(xiàn)多種數(shù)模數(shù)據(jù)轉換的同時，將測量機和彎管機聯(lián)通起來，使現(xiàn)有彎管機能夠實現(xiàn)閉環(huán)的誤差補償，最大限度地提升了現(xiàn)有國產(chǎn)半自動數(shù)控彎管機生產(chǎn)效率和加工精度。

2 輔助系統(tǒng)架構設計

2.1 系統(tǒng)總體

本文開發(fā)的數(shù)控彎管機智能輔助系統(tǒng)具有三大功能模塊，分別為前置處理、后置處理、輔助工具，其系統(tǒng)架構圖如圖1 所示。

在該輔助系統(tǒng)中，前置處理主要用于數(shù)模轉換工作以及原始數(shù)據(jù)文檔的脫敏與脫密，數(shù)模轉換主要依托CATIA 提供的二次開發(fā)接口從CATIA 數(shù)模中提取導管相關的數(shù)據(jù)信息。后置處理主要用于將前置處理得到的彎管數(shù)據(jù)或者測量機測量所得的彎管數(shù)據(jù)轉換成彎管機所需的加工文件，以及根據(jù)測量報告對加工文件進行修正。輔助工具則是為前后置處理提供一些通用插件功能，如前置處理所需的脫密工具、數(shù)據(jù)轉換、擴口參數(shù)等，后置處理所需的補償數(shù)據(jù)、擴口參數(shù)、模具參數(shù)等。

2.2 前置處理

前置處理主要完成與CATIA 平臺的對接工作，即通過CATIA 二次開發(fā)接口，實現(xiàn)對CATIA 導管三維數(shù)模的轉換工作。導管參數(shù)、幾何坐標等信息從數(shù)模文件中提取出來，供生成加工文件時使用，其前置處理的流程圖如圖2 所示。

圖2 前置處理流程圖

前置處理以CATIA 二次開發(fā)接口為依托，實現(xiàn)CATIA 導管三維數(shù)模與導管參數(shù)和導管幾何坐標之間的轉換，既能實現(xiàn)從數(shù)模到加工數(shù)據(jù)的轉換，又能依據(jù)彎管信息逆向建模為CATIA 三維數(shù)模。

在從CATIA 導管三維數(shù)模中提取加工所需的導管信息中，主要提取導管兩個方面的物理信息：導管參數(shù)和幾何坐標。通過這兩個方面的信息構建彎管的工藝信息以及加工所需的幾何參數(shù)。與此同時，還可以根據(jù)脫密工具的配置，針對原始的三維數(shù)模文件進行相應敏感詞的脫敏。同時，有些原始的三維數(shù)模文件設計時并未考慮導管兩端的擴口余量，通過前置處理在提取完數(shù)據(jù)后進行擴口余量的補充。

在進行導管逆向建模時，可以通過幾何坐標、加工坐標、$$$文件中的數(shù)據(jù)，以及導管參數(shù)信息進行逆向建模。其中$$$文件為測量機輸出的測量文件或者進行彎管誤差計算的比對文件。

2.3 后置處理

后置處理主要負責加工文件的生成。根據(jù)前置處理得到的加工坐標和補償算法等參數(shù)生成對應導管的加工文件，也可根據(jù)實際彎管的加工文件和其對應的測量報告進行誤差修正從而生成新的加工文件，后置處理的流程如圖3 所示。

圖3 后置處理流程圖

圖3 中展示了后置處理中加工文件的生成，以及加工文件的修正流程。其中加工文件的修正流程需要實際生產(chǎn)加工和測量設備來進行輔助完成，從而構造一個加工測量的閉環(huán)網(wǎng)絡。針對加工文件加工出來的實例彎管用測量機進行測量，從而得到測量報告，從測量報告中可以得到彎管的真實數(shù)據(jù)與理論值之間的誤差，用后處理進行加工數(shù)據(jù)修正，使得實際加工的導管更貼近理論設計，從而滿足高精度的加工要求。與此同時，也讓不具備自動補償?shù)膹澒軝C具備了反饋補償?shù)哪芰?，提升了彎管機實際的加工精度。

2.4 輔助工具

輔助工具主要為前置處理和后置處理提供一些較為通用的插件功能，如各類模具信息、導管擴口補償數(shù)據(jù)、補償算法參數(shù)計算、各類數(shù)據(jù)轉換、脫密字段配置等，各個插件功能相互獨立，如圖1 所示的輔助工具部分。

模具信息為彎管機加工時各層的輪模半徑、夾模長度、導模長度、后導模長度數(shù)據(jù)；擴口補償為不同材質以及規(guī)格導管所需補償?shù)臄U口余量值；補償算法參數(shù)為進行同一加工模具下的回彈補償和延展補償?shù)膮?shù)計算；坐標數(shù)據(jù)轉換為幾何坐標、加工坐標、$$$文件等數(shù)據(jù)格式和類型的相互轉換；脫密工具為配置所需的脫密字段信息。

其中模具信息、擴口補償均為加工工藝相關的信息，只需要將這些信息錄入軟件并存儲即可，以供前置處理和后置處理調(diào)用。脫密工具則只需將相應的敏感字段和對應的替換填入對應的表格即可完成配置。補償算法的計算流程如圖4 所示。數(shù)據(jù)轉換流程如圖5 所示。

圖4 補償處理流程圖

圖5 數(shù)據(jù)轉換流程圖

在補償算法中，首先通過試驗數(shù)據(jù)生成一段沒有進行算法補償?shù)募庸の募?，并送入彎管機設備進行加工得到彎管實例，然后用測量機對該彎管進行測量，得到測量數(shù)據(jù)。最后，將測量數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)代入補償算法中，即可得出當前材料和規(guī)格的管材在當前模具上的補償參數(shù)。后期進行同樣管材加工時，即可直接調(diào)用補償。具體補償算法在關鍵技術章節(jié)中進行描述。

在數(shù)據(jù)轉換中，存在多種數(shù)據(jù)格式的文件和兩種坐標格式的數(shù)據(jù)。其中數(shù)據(jù)格式文件有測量機相關的文件如$$$文件，彎管機相關的加工文件如DAF 文件、txt文件等。兩種坐標格式分別為包含幾何坐標數(shù)據(jù)的XYZ坐標數(shù)據(jù)和包含加工數(shù)據(jù)的YBC 加工坐標數(shù)據(jù)。兩種坐標之間的轉換在關鍵技術章節(jié)作進一步的闡述。

兩種坐標格式的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)提取模塊后再通過對應的文件格式轉化工具即可得到對應文件，然后給相關的設備使用?；蛘邔⑾鄳奈募?，通過格式轉化模塊解析文件格式，從而完成數(shù)據(jù)提取，最后得到對應的幾何坐標數(shù)據(jù)或者加工坐標數(shù)據(jù)。

3 關鍵技術

3.1 補償修正

導管加工主要通過金屬的彈塑性形變實現(xiàn)，導管在彎曲形變的過程中存在彎角回彈和拉伸變長的現(xiàn)象，從而導致導管的彎曲角度不足、直線段變長。

因此如果直接用理論數(shù)據(jù)加工得到的導管跟理論值要求的導管會有較大差距。

為保證實際導管盡可能達到理論值的要求，必須考慮導管在彎曲過程中的回彈和拉伸的影響并進行有效補償。

（1）回彈補償。相關文獻實驗表明（列出相關參考文獻）：彎管彎曲的回彈角度與理論彎曲角度之間呈現(xiàn)很強的線性相關性。因此，可按照一元一次方程構建彎曲回彈計算公式：

式中，α 為理論彎曲角度，k 比例回彈系數(shù)，b 固定回彈系數(shù)，彎曲回彈角度。

（2）拉伸補償。在對彎曲角度進行補償后，基本可以保證彎曲角度的準確性。但是，在回彈角補償后再次進行彎曲的過程中回彈仍然存在，補償彎曲角度只能保證回彈后的彎曲角度符合要求，而彎曲回彈后，補償角度所形成的圓弧段則會變成直線段，從而導致直線段的誤差增加，故需從直線段中去掉該段。根據(jù)回彈對稱的原則，回彈角的圓弧會均勻地分配到彎曲段兩端的直線段中。因此針對拉伸補償構造如下公式：

（3）反饋修正。根據(jù)補償算法加工的彎管實例跟理論數(shù)據(jù)依然存在差異，為了盡可能減少該誤差值，盡可能修正到彎管機的重復加工精度的誤差范圍內(nèi)，可通過測量機測量的數(shù)據(jù)對該加工文件的數(shù)據(jù)進行微調(diào)補償，從而進一步提升加工精度，使彎管實例更符合理論值。其反饋修正補償算法如下所示：

3.2 數(shù)據(jù)轉換

在三維數(shù)模中，導管的信息是采用XYZ 坐標形式存儲，但在彎管機加工時，所需的數(shù)據(jù)是采用YBC 坐標進行描述的加工矢量信息。因此，用三維數(shù)模文件進行彎管加工時需要對XYZ 坐標信息進行坐標轉換。

（1）幾何坐標轉加工坐標。幾何坐標轉加工坐標，即為計算彎管加工時的直線段Y，旋轉角度B，彎曲角度C。輸入數(shù)據(jù)為XYZ 坐標點{P1，P2,…，Pn},其中n>3。Pi-1,Pi,Pi+1 分別為彎管中相鄰的三個點。其中Pi 為相鄰兩端直線段延長線的交點。通過三個不共線的三點即可確定一個空間平面，則兩直線段間的彎曲角度即可用向量和的夾角來表示。其彎曲角度計算公式表示如下：

然后，再利用反三角函數(shù)即可得出彎曲角度C的角度α。

直線段的長度Y 則為直線段與其兩端彎角切點之間的長度，若為首段或尾端，則長度為端點到彎角切點之間的距離。其計算公式如下：

在計算彎管加工的旋轉角時，可通過計算相鄰兩彎角所在平面的夾角。設Pi-1,Pi,Pi+1為一個其中一個彎角所在的平面，Pi,Pi+1,Pi+2為另一個彎角所在的平面。交線為Pi,Pi+1。則兩平面的夾角β 與兩平面法向量的夾角γ 相等或相反。

（2）加工坐標轉幾何坐標。在加工坐標中，實際上是一種增量表示彎管信息的方式，每個段的加工均以上一段的末端為原點進行加工。只要確定了每段彎管的直線段Y、旋轉角B、彎曲角C，即可遞推完成對整個彎管的加工。

借用機器人運動學中關于機器人位置和姿態(tài)的解算與坐標變換的思路，可將加工坐標中的進給Y 對應機器人運動中的位移變換，旋轉角B 和彎曲角C 對應機器人運動中的旋轉變換。因此，可通過解算機器人運動的思路來求解彎管的幾何坐標參數(shù)。

設某彎管的起始端點為P1，進給變換為AY，旋轉變換為AB，彎曲變換為Ac。

起始端點的初始坐標P1=[0,0,0]，則P1在經(jīng)過一個加工循環(huán)后，其坐標就變?yōu)锳YABAcP1。如此往復，將每次的加工變換矩陣以此帶入其中，即可得到最終彎管各個關鍵點的坐標，從而實現(xiàn)了由YBC 加工坐標到XYZ 幾何坐標的轉換。

3.3 數(shù)據(jù)互通

在彎管加工過程中，如果打通了彎管機和測量機之間數(shù)據(jù)互通問題，則可實現(xiàn)高效的高精度彎管加工，測量機的測量數(shù)據(jù)可與彎管機構成帶有閉環(huán)反饋的加工系統(tǒng)，將測量的真實數(shù)據(jù)反饋到彎管機中，實現(xiàn)加工誤差的迭代修正，以達到更高的加工精度。

在不同品牌和類型的設備均有著各自的定義的文件格式，很難直接實現(xiàn)設備間的數(shù)據(jù)通信。本文在開發(fā)的數(shù)控彎管機輔助系統(tǒng)中，集成多種文件格式的讀寫功能插件，實現(xiàn)了現(xiàn)場不同設備的數(shù)據(jù)通信，同時，后期也可通過擴展該插件實現(xiàn)更多文件格式的兼容。

4 結語

本文針對飛機導管加工存在的問題，研究開發(fā)了數(shù)控彎管機智能輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)了三維數(shù)模到彎管實例的互轉，同時打通了不同品牌型號設備之間的數(shù)據(jù)通信，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)多種設備的聯(lián)合使用，提升了整個彎管加工系統(tǒng)的精度和效率，在彎管成形中具有較強的通用性。該系統(tǒng)已投入實際應用，顯著提升了飛機導管加工的精度和效率，為航空維修數(shù)字化提供了強大助力。