飛機進氣道噴涂離線編程技術研究

屈力剛，李見，蘇東東

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

由于機器人噴涂具有精度高、效率快、改善勞動環境、通用性強等優點，因而已廣泛應用于航空航天、汽車、船舶、醫療器械、精密儀器等領域。目前機器人編程可以分為示教再現編程和離線編程兩種方法。示教再現編程是由人工導引或用示教盒使機器人末端執行器 (安裝于機器人關節結構末端的夾持器、工具、焊槍、噴槍等)完成預期的動作，并存儲程序進行重復再現的過程，其主要缺點就是編程效率低、過程復雜、示教精度難以保證、復雜路徑難以示教、無法與外部信息進行決策應變。與示教編程相比，離線編程具有可在線編程操作、改善工作環境、使用范圍廣泛、便于和CAD/CAM系統結合等優點［1－2］。美國 Deneb Robotics公司開發的 IGRIP 離線編程模擬系統，能進行三維模型的全方位顯示，而且能將動態模擬檢測程序轉換成指令加載到機器人控制器中［3］。MotoMan機器人公司提供的 MotoSim離線編程系統用于日本豐田汽車的噴漆和點焊作業，縮短了汽車生產線，極大地提高了生產效率。洛克馬丁公司研制的RASF飛機精整系統用于F-35戰機的進氣道和整機的噴涂［4］。華中科技大學智能技術研究所所長、國內機器人專家熊有倫院士主持了“基于微機的機器人離線編程系統HOLPS”的科研項目，已取得階段性成果［5］。關于機器人噴涂、機器人離線編程系統的研究文獻很多，而關于飛機進氣道及其整機噴涂離線編程系統的研究尚不多見。

在CATIA的環境下，結合飛機進氣道三維模型的結構特點，規劃了一種進氣道噴涂路徑算法，運用VC++開發出了一種離線編程系統來進行進氣道的噴涂實驗研究，首次提出進氣道噴涂離線編程系統的研究，并通過實際噴涂效果檢驗了該技術的可行性，該研究成果具有一定的實際應用價值。

1 進氣道模型和軌跡算法的建立

1.1 進氣道模型特點

文中研究的飛機進氣道模型為一個復雜異形曲面，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進氣道端口。進氣道的總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 飛機進氣道的總體結構圖

1.2 噴涂區域面積計算

噴涂機器人對工件進行噴涂作業時，噴涂的積累速率呈現中間高、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［6－7］。為了后續計算的方便，噴涂路徑上采用寬度一致的原則。為計算方便，定義如圖2所示的變量:OA為噴涂機器人的一個臂，A為噴頭，O為回轉中心，R為噴涂機器人回轉臂與噴頭 (圓錐頂點)的距離，H為回轉軸線到平面的距離，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 噴涂區域面積計算圖

由于進氣道噴涂模型整體分為曲面噴涂區域、平面噴涂區域和矩形拐角噴涂區域，由于曲面和平面噴涂區域計算較為容易，此處主要討論矩型拐角處噴涂區域的計算。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為旋轉軸線到平面1的距離;R為旋轉軸線到圓錐頂點的距離;x為橫坐標，y為縱坐標。

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為旋轉軸線到平面2的距離;R為旋轉軸線到圓錐頂點的距離。

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

由于進氣道噴涂模型整體分為曲面噴涂區域、平面噴涂區域和矩形拐角噴涂區域，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，該處需要進行噴頭的變徑處理，噴涂機器人噴頭需要進行機械運動，在離線編程技術方面，該處要進行軌跡規劃的變化，即在拐角噴涂范圍內要進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 進氣道噴涂離線編程系統設計

2.1 離線編程模塊開發

此次開發首先在CATIA建模模塊中通過螺旋線的設置調節來確定噴涂軌跡曲線，通過利用CAA Automation技術完成相關操作(“.CATScript”格式的宏)的錄制，并對錄制的宏進行修改和完善，必要時要創建新的宏。在Microsoft Visual Studio 2005環境下建立相關項目，利用VC++編寫相關程序，并通過相關宏的調用，完成相關界面和功能的開發任務。利用CAA Automation技術和CAA VC++技術對CATIA進行二次開發［8－9］，完成相關功能及界面的開發，最終完成自動生成噴槍運動軌跡 (圖5)和噴涂機器人運動仿真的離線編程模塊［10］(圖6)。

圖5 噴涂運動軌跡規劃

圖6 離線編程仿真系統

離線編程模塊完成后即可確定軌跡點的位置坐標，實際噴涂過程中噴槍按照既定的軌跡點噴涂即可滿足預先設定的涂層技術指標要求。

2.2 離線編程運動仿真系統開發

完成進氣道噴涂軌跡的規劃后，通過離線編程模塊和仿真模塊的開發，設定噴涂仿真過程中的各項技術參數如掃掠速度、噴涂帶寬度、噴嘴與表面距離等，指定輸出坐標位置點的文件位置，點擊仿真模塊的開始按鈕即可模擬噴槍實際的噴涂過程，此時噴涂軌跡點即可隨著噴槍的運動而顯示在實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的三維坐標，將這些坐標位置點輸入實際的噴涂機器設備中，機器即可按此軌跡點進行噴涂作業。

2.3 離線編程數據自動采集功能開發

根據目前控制系統要求，將路徑數據自動取點，并將坐標點位數據自動轉換成Excel表格文件，程序以Excel文件格式輸出計算結果，包括:以離散點表示噴頭路徑 (x、y、z坐標和極坐標);各點之間的時間間隔120 ms;路徑點坐標系相對于全局坐標系的位置。軌跡三維坐標提取流程見圖7，部分軌跡點三維坐標及其極坐標值見表1。

圖7 軌跡三維坐標提取流程

表1 部分軌跡點三維坐標及其極坐標值

3 結論

(1)完成了對飛機進氣道噴涂路徑規劃的算法研究、離線編程和仿真模塊的開發，獲得了實際零件噴涂軌跡點的三維坐標文件，將實際噴涂點坐標傳輸到噴涂機器人控制系統中使機器人按照既定的軌跡運動，實際的噴涂效果驗證了該軌跡規劃算法離線編程的可行性。

(2)通過實際的噴涂效果 (圖8)反饋檢驗了該項技術研究的合理性，用機器進行離線噴涂減輕了重金屬漆料對噴涂工人的危害;將進氣道噴涂時間由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;可以實現飛機進氣道噴涂的批量化作業，而且為日后發展整機噴涂奠定了一定的基礎。

圖8 進氣道實際噴涂效果

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