離線編程環(huán)境下的典型自動制孔工藝設(shè)計優(yōu)化

樊虎 楊靖雯 袁文 劉家豪

摘要：本文以機翼盒數(shù)字化裝配自動制孔過程為研究對象，開展離線編程環(huán)境下的基準(zhǔn)孔測量及制孔加工路徑優(yōu)化研究。通過對基準(zhǔn)孔照相測量方式的優(yōu)化設(shè)計，解決了基準(zhǔn)孔孔位重復(fù)測量問題，避免了由多次測量導(dǎo)致的重復(fù)測量誤差，保證了加工孔的修正質(zhì)量;通過對制孔加工路徑規(guī)劃，避免了制孔過程中的多次無效往返，提升了制孔加工效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化裝配;自動制孔;基準(zhǔn)孔測量;路徑規(guī)劃

中圖分類號：TH162+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0113-02

0? 引言

近年來，隨著自動化、數(shù)字化和智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展，自動制孔加工技術(shù)已在裝配制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在航空航天、汽車裝配制造等領(lǐng)域。自動制孔技術(shù)主要包含柔性軌制孔、機器人制孔和機床制孔等[1-4]。眾所周知，在裝配制造領(lǐng)域中飛機的制孔需求量是最大的，一架大型飛機需要完成制孔的數(shù)量多達上百萬個，而飛機的制孔工作又主要集中在部件裝配的機翼裝配制造階段，該階段的制孔數(shù)量約占整機制孔總數(shù)的70%以上;同時，機翼翼盒作為飛機主承力部件和油箱的一部分，對其密封性、疲勞性要求極高，所以制孔質(zhì)量也是決定整機裝配質(zhì)量的關(guān)鍵[5-7]。自動制孔工藝方法決定著產(chǎn)品制孔質(zhì)量和制孔效率，因為工藝設(shè)計和工藝路徑規(guī)劃直接決定了制孔設(shè)備在運動過程中是否存在與產(chǎn)品、工裝發(fā)生干涉、是否存在無效運動等[8-10]。但目前針對飛機翼盒類自動制孔加工的離線程序編制的工藝設(shè)計還未有一套標(biāo)準(zhǔn)的流程規(guī)范和方法，從目前設(shè)備的加工應(yīng)用情況來看，設(shè)備在加工過程中存在基準(zhǔn)孔重復(fù)測量和過程無效往返等問題，導(dǎo)致設(shè)備加工效率不高，制約現(xiàn)場生產(chǎn)進度，影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文以典型的翼盒自動制孔過程中的基準(zhǔn)孔測量及自動制孔加工兩個方面的工藝設(shè)計優(yōu)化開展研究。

1? 自動制孔離線編程工藝設(shè)計優(yōu)化

自動制孔離線編程設(shè)計是指通過對產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型分析，獲取所需的加工孔位置及連接件信息，從而規(guī)劃制孔設(shè)備的運行軌跡，并根據(jù)連接件位置及參數(shù)生成相應(yīng)的自動制孔加工命令，如圖1所示。自動制孔離線編程主要包括編程工藝設(shè)計、產(chǎn)品加工仿真和后置處理三個階段。編程工藝設(shè)計階段是核心，該階段主要完成工藝參數(shù)的處理及管理、制孔設(shè)備與工裝相對位置關(guān)系的建立、制孔及找正執(zhí)行動作的編輯和其他輔助功能設(shè)計。該階段的核心任務(wù)是完成制孔區(qū)域的規(guī)劃及管理、制孔流程規(guī)劃和刀具軌跡計算與輸出。產(chǎn)品加工仿真階段主要完成程序加工可行性判斷、碰撞檢測的設(shè)置與分析，制孔過程仿真等。通過執(zhí)行離線編程生成的運動軌跡數(shù)據(jù)，驗證制孔設(shè)備的運行軌跡規(guī)劃的合理性和安全性。同時，通過刀具軌跡跟蹤及干涉碰撞檢測手段直觀地反映出制孔過程中刀具定位的精準(zhǔn)性及可靠性。后置處理階段是根據(jù)設(shè)備及刀具的運行軌跡數(shù)據(jù)并讀取的離線編程的工藝參數(shù)文件，生成制孔設(shè)備能夠直接裝載執(zhí)行的加工程序文件。后置處理主要是將刀具的位置數(shù)據(jù)拆解成制孔設(shè)備各個運動軸在設(shè)備坐標(biāo)系中的運行數(shù)據(jù)分量，最終生成設(shè)備可讀的格式信息。它是將基于產(chǎn)品坐標(biāo)系表達的運行軌跡數(shù)據(jù)結(jié)合制孔過程中的輔助功能指令，轉(zhuǎn)換處理并輸出適用于給定數(shù)控系統(tǒng)的加工程序代碼。

飛機在裝配過程中自動制孔的絕對定位精度相對較低，通常會選用基準(zhǔn)孔作為加工孔的制孔參考基準(zhǔn)。因此，基準(zhǔn)孔的測量精度影響著整個加工孔的位置精度。不同孔徑連接孔的分布情況可能會引發(fā)加工過程中制孔設(shè)備的多次無效往返，影響加工效率;同時，該情況也會導(dǎo)致制孔設(shè)備在重復(fù)移動過程中帶來重復(fù)定位誤差，最終影響加工孔的位置精度。因此，在離線編程設(shè)計及工藝路徑規(guī)劃階段就要對基準(zhǔn)孔的照相測量方式及制孔路徑進行最優(yōu)化設(shè)計，避免基準(zhǔn)孔的多次測量和減少設(shè)備的無效運動，保證加工孔的精度及制孔效率。

1.1 翼梁區(qū)基準(zhǔn)孔照相測量及制孔路徑優(yōu)化設(shè)計

典型的機翼翼盒自動制孔加工主要是完成機翼壁板與前梁、機翼壁板與后梁、機翼壁板與翼肋區(qū)域的連接孔制取，如圖2所示。

在機翼翼面上通常會分布著若干種孔徑及不同加工工藝參數(shù)的連接孔，在離線編程設(shè)計時一般會依據(jù)孔徑及加工工藝參數(shù)進行制孔程序段的劃分。大多數(shù)機翼在前后梁的制孔區(qū)域都具有孔位集中、多種孔徑及不同加工工藝參數(shù)孔交錯分布的特點。針對這種情況，如果依然按照孔徑大小和孔的加工工藝參數(shù)進行加工程序的設(shè)計，就會出現(xiàn)不同加工程序段共用基準(zhǔn)孔的情況，這樣就產(chǎn)生了同一個基準(zhǔn)孔的重復(fù)測量問題，既影響產(chǎn)品加工效率，又會帶來重復(fù)測量誤差，影響整個加工孔的位置精度。為解決這個問題，在離線程序的設(shè)計及編制階段，就應(yīng)該考慮將整個翼梁加工區(qū)基準(zhǔn)孔的照相測量程序進行單獨輸出，基準(zhǔn)孔測量程序獨立于孔的加工程序，這樣就可以先進行整個翼梁區(qū)的基準(zhǔn)孔一次性照相測量，測量完成后，再按孔徑及不同加工工藝參數(shù)執(zhí)行該區(qū)域的加工孔制孔程序，該方法可以有效的解決基準(zhǔn)孔重復(fù)測量帶來的加工孔孔位偏差問題，也能減少重復(fù)測量過程中的無效運動行程。

1.2 翼肋區(qū)基準(zhǔn)孔照相測量及制孔路徑優(yōu)化設(shè)計

對于翼肋與壁板的連接孔，產(chǎn)品的設(shè)計原則一般是按照孔徑大小從翼根到翼尖方向依次排布。但也會存在孔徑大小穿插排序的情況。另外，該區(qū)域具有孔位分布不集中，相鄰加工區(qū)域跨度大的特點。因此，在對該區(qū)域孔位進行離線程序設(shè)計及工藝路徑規(guī)劃時，為避免基準(zhǔn)孔照相測量和制孔加工分別運行一遍全行程，產(chǎn)生過多的無效行程，在離線程序設(shè)計時應(yīng)該考慮將程序段按肋位進行劃分，同時將每條翼肋的基準(zhǔn)孔測量與制孔加工編制在同一段程序中，并將加工孔路徑與基準(zhǔn)孔測量路徑進行反向規(guī)劃設(shè)計，即完成一條翼肋的基準(zhǔn)孔測量后直接沿著基準(zhǔn)孔測量路徑的反向進行制孔加工，同時按照翼肋排布位置依據(jù)同種孔徑及相同加工參數(shù)的原則進行最小運行路徑規(guī)劃，一般采用 “弓”字形加工路徑設(shè)計。（圖3）

2? 結(jié)論

本文以機翼盒數(shù)字化裝配自動制孔過程為研究對象，開展離線編程環(huán)境下的基準(zhǔn)孔測量及加工路徑優(yōu)化研究。通過針對翼梁和翼肋兩個區(qū)域離線編程環(huán)境下的基準(zhǔn)孔測量方式及加工孔的路徑規(guī)劃的設(shè)計進行詳細(xì)分析說明，為典型翼盒離線編程下的自動制孔工藝規(guī)劃提供了優(yōu)化設(shè)計思路，有效解決了基準(zhǔn)孔孔位重復(fù)測量及制孔過程中多無效往返問題，保證了加工孔質(zhì)量，提升了制孔加工效率。

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