飛機自動制孔離線編程數據準確提取技術

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089）

隨著數字化裝配技術的發展，自動制孔技術因其制孔精度高、加工過程穩定的特點，已經大量應用在飛機數字化裝配過程中[1]。自動制孔設備NC程序的編制通常有兩種形式：一種為手工編制，通過獲取產品點位信息，按照規定的格式編輯程序代碼；另一種為離線編程方式[2-3]，即進行加工設備任務規劃的軟件系統通過操作加工設備數模和相關規劃算法，在脫離現實加工環境的情況下完成加工任務規劃并對結果進行仿真修正，最終編譯為制孔設備任務代碼。手工編制方式編程繁瑣、出錯率高已經逐步被淘汰。離線編程方法效率高、對編程人員技能要求低，已經成為飛機自動制孔系統的關鍵組成部分之一，是實現機器人、多功能末端執行器、柔性工裝等工藝裝備協調配合完成整個裝配過程的紐帶，直接影響著鉆鉚加工精度、裝配效率與裝配質量[4]。

目前國外EI、CENIT、ABB、KUKA[5-6]，國內浙江大學、上海拓璞、中國航空制造技術研究院[7]等單位對不同的自動制孔設備進行了相應的離線編程軟件的研究及開發。飛機自動制孔涉及成千上萬個制孔信息，目前的離線編程方式需要人工創建工藝模型、輸入工藝參數，使離線編程基礎數據編制錯誤風險增大，同時姿態調整復雜，工作量大。

本文針對自動制孔加工過程，提出了基于數據庫及標簽定義的離線實現方式，為實現快速高效編程提供技術基礎。

1 離線編程資源需求分析

機器人準確制孔需要通過NC程序實現對機器人制孔位置、制孔參數、制孔路徑的精準控制。其數據傳輸過程為通過對產品模型中點位讀取，獲得孔位坐標值，通過產品加工面提取，獲得制孔法向，通過制孔位置的標準件及工藝規范信息，獲得制孔的孔徑、窩徑、锪窩角度，進而確定刀具規格以及锪窩進給量。同時根據產品疊層材料及厚度，確定刀具進給深度以及在制孔過程中的壓緊力、進給、轉速、啄鉆量等。通過工裝產品結構及其與自動制孔設備的相對位置關系，調整自動制孔姿態及路徑，最終實現自動制孔，基本流程如圖1所示。

在自動制孔需求數據中，產品模型、孔位信息、標準件信息、裝配關系屬于產品信息；裝備、工裝、刀具屬于資源信息；加工參數、制孔方法屬于工藝信息。為實現編程，需要創建包含以上所有信息的工藝參數庫，將數據進行細分，形成離線編程工藝參數庫架構。如圖2所示，該架構是離線編程工藝數據提取、加工任務規劃、編程防差錯的數據基礎。

圖1 自動制孔離線編程流程Fig.1 Flow of automatic drilling off-line programming

圖2 離線編程工藝參數庫架構Fig.2 Architecture of process parameter library for off-line programming

2 基于MBD的自動制孔工藝數據快速匹配

MBD（Model based defination）技術使飛機產品幾何三維模型對相關的工藝信息、參數信息、設計信息等進行了標準化管理，具有準確性定義、規范化定義以及面向工藝的定義等特點[8]，這些特點為工藝數據快速提取提供了先決條件[9]。然而飛機產品三維數字化模型的表達不會考慮自動制孔離線編程對數據提取需求，因此設計的裝配模型定義中的數據量以及數據格式無法滿足自動制孔離線編程需求。在自動鉆鉚離線編程時，必須對產品模型進行數據挖掘，并結合工藝數據進行提取和二次定義，將離線編程系統所需要的待加工特征信息添加到產品的三維數字化模型上，轉變為包含離線編程所需各項參數并能被離線編程軟件識別的模型，即工藝模型。在離線編程時，通過讀取工藝特征模型，將自動制孔所需的工藝參數、加工參數等提取到制孔程序中，從而提高離線編程效率。

2.1 離線編程基準面提取

在產品模型中，緊固件一般采用點或線的形式進行表達。這就導致采用點進行表達的緊固件無法提取方向，采用線表達的緊固件無法提取位置。因此需要對產品加工表面進行提取形成基準面，結合產品不同的緊固件的表達形式，利用緊固件點在基準面上的法線獲得制孔法向，或者緊固件線與基準面相交獲得制孔坐標，實現對制孔法向和坐標位置的定義。

2.2 標準件信息提取

傳統的離線編程方式，需要將設計模型中的標準件按照離線編程軟件的要求，進行二次規劃，即重新對標準件點位信息進行編制。這種方式降低了離線編程軟件的設計難度，但是增加了離線編程人員的工作量，同時，對標準件信息的二次編輯過程無防差錯，很容易造成點位設計錯誤。

在MBD數據中，標準件在設計數模中以點或者線的形式進行表達，同時在結構樹中，雖然標準件形式不一樣，但是在其結構樹路徑中會將該標準件的牌號進行統一表達，如圖3所示。

根據MBD特點，可以通過讀取標準點位所在的結構路徑，并結合工藝數據庫進行，實現對標準件工藝信息的快速提取。基本流程如圖4所示。

圖3 不同型號飛機緊固件表達形式Fig.3 Expression of fastener information for different aircraft

圖4 標準件信息提取流程Fig.4 Information extraction process of fastner

2.3 疊層厚度及材料的提取

疊層厚度決定了鉆孔刀具在加工過程中的進刀量，同時對于疊層材料不同的產品，尤其是復合材料和鈦合金疊層，其加工轉速和進給相差很大，必須根據不同疊層厚度進行加工參數的轉化，以保障產品質量以及刀具壽命。在離線編程環境中，以標準件孔位為中心，產品表面為起點，建立與標準件理論長度及制孔方向相同的標準件模型。以制孔穿過的產品疊層表面對標準件模型進行分割并計算分割后各段的長度，進而獲得產品的疊層厚度。

同樣，以產品表面為起點遍歷標準件連接的產品各個疊層零件信息，通過讀取對應數模中標注的材料信息并與材料庫進行核對，提取出制孔疊層材料信息，流程如圖5所示。

2.4 基于標簽的工藝特征表達

在CATIA 中，標簽（tag）是一種類似坐標系具有屬性及方向定義的幾何元素。標簽的方向性在下文設備姿態定義中進行分析，利用標簽具有屬性的特征，通過二次開發的宏程序，在每個制孔點上創建一個標簽，將從離線編程參數庫獲得的標準件參數以及測量產品結構獲得的制孔法向、疊層材料及厚度等各項特征賦予標簽，形成編程的數據基礎。在后置處理程序時，通過識別標簽屬性并進一步匹配工藝參數庫，完成加工參數的生成。基于標簽的數據表達如圖6所示，表達模型中，包含了標準件牌號、疊層厚度及材料、锪窩深度、夾緊力等離線編程需求參數，同時可以根據需求，進行參數的增加和調整。

利用DELMIA 中“Device Taskde Fination”模塊以及二次開發CATIA VBA 宏程序，對工藝參數進行提取，并對相同類型標簽進行分類創建，形成如圖7所示的基于標簽的工藝模型。

圖5 疊層及厚度提取流程Fig.5 Stacking and thickness extraction process

圖6 離線編程工藝信息存儲表Fig.6 Off-line programming process information storage table

圖7 基于標簽的工藝模型Fig.7 Tag based process model

3 自動制孔設備姿態定義

產品數模中的緊固件采用點或者線的形式體現，可通過產品點位和表面法向控制設備制孔位置及法向，但是設備末端執行器的姿態卻無法控制。由于自動制孔機器人高度的靈活性，不確定及未經規劃的姿態很容易造成產品與設備的碰撞以及設備本身軸超限。因此需要對每一個制孔過程確定姿態。

機器人姿態的計算有運動學正解和運動學逆解兩種方式。運動學正解通過計算設備各個關節的運動量，來計算刀尖點TCP的位置，這體現在離線編程環境中通過調整各個軸的姿態，最終確定機器人姿態。運動學逆解通過給定刀尖點TCP的位置，反推設備各個關節的運動量，即獲得設備的姿態，在離線編程中體現為通過調整刀尖點的位置和法向，利用各軸之間的運動學關系，實現機器人姿態的調整。

3.1 基于標簽的姿態定義及數據表達

單個產品的自動制孔數量在2000個左右，如果對每個孔都采用正解或者逆解方式進行姿態的調整，會造成離線編程工作量大，出錯率高。利用標簽具備方向性的特點可以實現對自動制孔設備末端執行器的姿態進行控制。通過標簽方向控制刀尖點坐標系的方向，實現機器人姿態的快速調整，大大提高了離線編程效率和編程可讀性。

在離線編程環境中，設備刀尖點（TCP）同樣采用具備u、v、w3個方向，標簽具有位置屬性以及x、y、z3個向量的方向屬性，分別對應TCP的u、v、w3個方向。在離線編程“tag”創建中，標簽原點坐標代表緊固件在產品表面的位置，z代表法向，其方向垂直于產品表面，因此原點及z方向不允許進行調整，通過調整x、y即可實現設備在該處制孔的姿態，其調整方式如圖8所示。

3.2 標簽坐標轉換

標簽可以表示設備刀尖點坐標，同時確定TCP的姿態，通過逆解計算出設備的姿態。但在程序生成過程中，標簽的點位和方向為產品坐標系下的數據，而在設備加工過程中，需要基于設備坐標系的姿態數據，因此需要對標簽在產品坐標系下的姿態轉換為設備坐標系下的姿態。因此，需要建立坐標轉換模型，在程序輸出過程中完成飛機坐標系下的標簽坐標轉化，實現基于設備坐標系的制孔位置表達。

圖9表達了標簽在設備坐標系、飛機坐標系以及世界坐標系的轉換模型[10]。其中，為離線編程環境中飛機坐標系，為自動化制孔設備的基準坐標系，為離線編程環境下世界坐標系。在離線編程環境中，飛機坐標系和自動化制孔設備的基準坐標系在世界坐標系的坐標以及緊固件標簽P 在飛機坐標系坐標均可以直接獲得。表示飛機坐標系到世界坐標系的轉換矩陣，自動化制孔設備基坐標系到世界坐標系的轉換矩陣，通過和可以得到飛機坐標系到自動化裝配設備基坐標系的轉換矩陣，進而實現標簽點坐標轉換。3個轉換矩陣間有如下關系：可以得到

圖8 基于標簽的設備姿態調整Fig.8 Device posture adjustment label based

圖9 離線編程坐標系的轉換模型Fig.9 Transformation model of coordinate system for off-line programming

離線編程標簽P在飛機坐標系下的坐標為（x′，y′，z′），各坐標軸上的基向量是uc、vc、wc。在世界坐標系下，飛機坐標系的坐標為(xOC，yOC，zOC)，基向量uc、vc、wc的坐標分別為(xuC，yuC，zuC)，(xvC，yvC，zvC)，(xwC，ywC，zwC)。

通過以上分析，可以求得標簽P在世界坐標系Owxwywzw的坐標(x，y，z)：

可得到飛機坐標系到世界坐標系的轉換矩陣：

同理，可得自動化制孔設備基坐標系到世界坐標系的轉換矩陣：

通過該轉換矩陣計算，即可將在飛機坐標系下的標簽姿態轉換為設備坐標系下的刀尖點姿態，進而實現設備路徑及姿態控制。

4 結論

本文通過對離線編程數據及資源分析，建立了機器人離線編程數據庫。提出了基于MBD的自動制孔工藝參數快速提取技術，并通過開發基于DELMIA的宏程序，實現了對工藝數據的快速提取，提高了編程效率和準確率，避免了人工制作工藝數模過程中引起的離線編程錯誤。結合DELMIA 中“tag”具備特征屬性和方向定義的特點，實現了基于“tag”的參數表達以及設備姿態控制，提高了離線編程過程中姿態的高效率和準確控制。通過對“tag”坐標轉換，實現了設備加工坐標的正確輸出。離線編程軟件數據的快速提取和設備姿態的準確控制，為后續進行離線編程標準化定制提供了技術基礎。