運載火箭短殼自動鉆鉚離線編程技術研究

盛王鼎 黎朝暉 周愿愿 張維軒

運載火箭短殼自動鉆鉚離線編程技術研究

盛王鼎 黎朝暉 周愿愿 張維軒

（上海航天精密機械研究所，上海 201600）

為滿足運載火箭短殼自動鉆鉚設備的數控編程需求，結合自動鉆鉚工藝流程與數控程序結構，分析了自動鉆鉚設備運動學模型，提出了一種基于數控程序結構的鉆鉚加工信息生成方法和基于齊次矩陣法的模塊化運動控制算法。以此為基礎，研究開發了自動鉆鉚離線編程系統，并以某型火箭短殼自動鉚接為應用對象，經離線編程與仿真驗證了系統生成的數控程序完整性和運動控制準確性。

自動鉆鉚；運動控制；運動仿真；離線編程

1 引言

隨著我國航天工業的快速發展以及火箭發射任務的增多，迫切需要提高運載火箭的產能與工藝水平。相對于傳統手工鉆鉚，自動鉆鉚技術在保證質量與提高生產率方面有巨大的優勢。由于航天產品批量小、孔位數量多、精度要求高，傳統的人工編程與示教編程在火箭短殼自動鉆鉚中難以有效運用，因此離線編程技術成為實現自動鉆鉚的關鍵技術之一[1]。目前自動鉆鉚離線編程技術主要應用航空領域，南京航空航天大學對托架式五軸自動鉆鉚系統設計離線編程軟件并進行了一系列的優化研究[2，3]；部分航空院所對機器人自動鉆鉚的離線編程技術進行了研究[4，5]。

實現火箭短殼自動鉆鉚設備的離線數控編程，關鍵在于獲得完整的加工信息以及對運動軸的精確控制。通過分析鉆鉚設備的工作原理與工藝流程，結合數控程序結構，提出一種鉆鉚加工信息生成方法；為準確控制末端執行器，分解設備與運動學分析，提出了一種針對火箭短殼自動鉆鉚設備的運動控制算法；根據上述算法設計自動鉆鉚離線編程軟件，并仿真數控程序，驗證數控程序的完整性與運動控制的準確性。

2 工作原理與工藝流程分析

火箭短殼自動鉆鉚設備包含設備主體結構與控制系統兩部分，其中設備主體由外鉚立柱、內鉚立柱、鉆鉚組件、送釘系統、內鉚組件以及轉臺等組成，如圖1所示，設備控制系統采用了西門子840D數控系統，通過PLC編程實現設備各項功能與運動控制。火箭短殼結構如圖2所示，設備工作時通過轉臺組件帶動火箭短殼繞軸旋轉，并通過外鉚立柱與內鉚立柱在軸方向的運動使內鉚末端執行器與外鉚末端執行器達到加工高度，實現鉚接位置的定位功能。

圖1 運載火箭短殼自動鉆鉚設備

圖2 某型運載火箭短殼

鉚接位置定位完成后，外鉚末端執行器（見圖3）的壓緊組件壓緊火箭短殼壁板，并鉆孔、送釘、插釘等。最后，內鉚執行器采用力與位移控制的壓鉚，完成完整的鉚接工作。

圖3 外鉚末端執行器

不同于傳統的手工裝配，自動鉆鉚中數控設備參與程度高，需要結合產品、設備的特點設計總體工藝流程并確定相關工藝信息，實現加工全程對數控設備的精確控制，保證整個鉆鉚流程的順暢進行[6]。在加工過程中，數控系統按數據格式讀取數控加工程序內的數據信息，控制設備運動軸的運動與功能的實現。數控加工程序由若干程序段組成，每個程序段由一個或若干個指令字組成，指令字代表某一信息單元。數控加工程序包含所有設備所需的控制信息，因此按程序段的格式分析與生成各類指令字的類型與信息，即可獲得完整的工藝信息。

根據信息的層次關系并結合數控程序的結構將鉆鉚工藝信息分為三類：a.工藝步驟信息（N_、G_與T_）；b.運動軸與功能信息（部分坐標字與M_）；c.運動參數信息（F_、S_與部分坐標字）。生成工藝信息數據集時，首先生成工藝步驟信息，再根據工藝步驟信息與運動控制算法生成對應的運動軸與功能信息，最后根據運動軸信息并結合鉚釘的參數從工藝數據庫中選擇合適的進給速度、主軸轉速和壓鉚力等參數。

3 自動鉆鉚運動控制算法

自動鉆鉚運動控制算法的準確性將直接影響離線編程輸出數控程序的加工精度和加工效率[7]。采用矩陣法對自動鉆鉚設備進行運動學建模與分析，建立自動鉆鉚設備的控制算法。

自動鉆鉚設備需要控制8個運動軸，其中有4個運動軸的末端執行器加工工件，并且工件厚度等參數也會影響設備的運動控制。若對各末端執行器單獨進行運動分析，將得到4條復雜且相關性差的運動鏈，增加模型的理解難度與求解難度。根據火箭短殼自動鉆鉚設備的結構與加工特點，將自動鉆鉚運動控制模型分解為鉆鉚定位控制、外鉚末端執行器控制與內鉚加工運動控制三部分。

鉆鉚定位運動學模型將復雜的外鉚末端執行器簡化為直線模組，忽略工件厚度對加工的影響，并對轉臺、內外立柱組件的運動以及簡化后內鉚、外鉚末端執行器的運動求解；外鉚加工運動控制中，對復雜的外鉚末端執行器進行詳細的運動學建模，并結合第一部分中的求解結果，解得外鉚末端執行器中壓緊組件、鉆孔組件和插釘組件等的運動參數；工件厚度以及鉚釘墩頭高度都將對內鉚末端執行器的運動控制產生影響，在引入工件厚度與鉚釘墩頭高度后對內鉚加工重新進行運動分析，修正內鉚運動機構的運動參數。

3.1 鉆鉚定位控制運動學分析

鉆鉚定位控制的運動學分析過程中主要運動軸為轉臺的軸、內外立柱組件的1與2和簡化后內、外鉚接末端執行器組件的1與2，鉆鉚定位控制運動學簡圖如圖4所示。

圖4 鉆鉚定位控制運動學簡圖

圖4中涉及的坐標系如下：

a. 基坐標系{}：作為自動鉆鉚設備運動學建模的基礎坐標系，是自動鉆鉚設備的全局坐標系。

c. 工件坐標系{}：火箭短殼的基坐標系。在自動鉆鉚過程中，工件坐標系原點與平臺坐標系原點重合。工件坐標系{}相對于平臺坐標系{}的坐標變換矩陣，對不同的工件坐標系定義存在不同變換矩陣，對于本文的設備：

e. 外鉚基坐標系{B}與內鉚基坐標系{B}：{B}與{B}作為基坐標系到工具坐標系的過度。

（4）

f. 外鉚工具坐標系{T}與內鉚工具坐標系{T}：{T}與{T}用于描述在基坐標系下外鉚與內鉚加工工具的位姿。外鉚末端執行器在外鉚立柱上沿1軸運動，加工工具能在1方向運動，獲得外鉚工具坐標系{T}相對外鉚立柱基坐標系{B}的變換矩陣如式（6）所示：

（6）

同理，內鉚工具坐標系{}相對內鉚立柱基坐標系{}的變換矩陣如式（7）所示。

以外鉚末端執行器鉆鉚加工的工況為例，當外鉚末端執行器對鉚接目標加工時，得到相關位姿矩陣的有向變換圖，如圖5所示。

根據圖5的位姿關系鏈，可以得到外鉚末端執行器加工過程中位姿矩陣變換公式[8]：

其中，為加工過程中加工目標與外鉚末端執行器的位姿關系，是的逆矩陣：

將式（1）～式（4）以及式（6）代入式（8），獲得火箭短殼自動鉆鉚設備的運動學模型為：

采用代數法對運動學模型求解，獲得鉆鉚加工過程中運動軸的關節變量，解得：

同理，對內鉚末端執行器采用相同方法進行運動學建模與分析，得到內鉚末端執行器相關運動軸的關節變量：

3.2 外鉚末端執行器運動學分析

通過對外鉚末端執行器進行運動學建模與分析，計算獲得鉆鉚加工過程中外鉚末端執行器各機構的關節變量。外鉚末端執行器運動學簡圖如圖6所示。根據外鉚末端執行器結構，建立基坐標系{}。目標坐標系{}為鉆鉚定位控制分析中的外鉚工具坐標系{}，因此可知：=Trans(0,0,1)。

圖6 外鉚末端執行器結構簡圖

對外鉚機構、鉆孔機構、壓緊機構三個末端執行器建立工具坐標系{1}、{2}、{3}。在加工過程中正在加工操作的末端執行器，均有=Trans(0,0,1)并且為單位矩陣。得到各工具加工時工具坐標系相對于基坐標系的矩陣變換如式（12）所示：

分析末端執行器的運動鏈，獲得末端執行器使用過程中的矩陣變換公式，其中，為外鉚頭與鉆削組件軸線的距離，為滑臺機構相對于基坐標在方向的位置變換：

代入1=-b，解得在{1}、{2}、{3}進行加工操作時，相關機構的關節變量為：

3.3 壓鉚加工運動學分析

在分析鉆鉚定位的過程中，火箭短殼被簡化為圓柱面，導致火箭短殼壁板的厚度信息被忽略，內鉚末端執行器運動軌跡控制存在的系統誤差。為實現不同厚度火箭短殼的自動鉆鉚，以及消除誤差，重新引入厚度信息與墩頭高度信息，并對壓鉚加工過程進行運動學分析，如圖7所示。

圖7 內鉚過程示意圖

根據內鉚末端執行器結構建立基坐標系{}，目標坐標系{}為在設備運動學分析中獲得的內鉚工具坐標系{T}，Trans(0,0,2)。建立實際加工過程中內鉚工具坐標系{}，得到矩陣變換公式：

分析圖7可得為加工時目標坐標系{}與工件坐標系{}的位姿關系，其中為兩壁板厚度之和，為鉚釘墩頭高度。為加工過程中工具坐標系{}相對于基坐標系{}的變換矩陣。

（16）

代入2=-，解得內鉚末端執行器實際運動量：

4 自動鉆鉚離線編程軟件設計

為滿足不同型號及批量火箭短殼的生產需求，離線編程軟件需要根據工件的直徑、厚度以及鉚釘的直徑、長度等工藝參數生成正確的鉆鉚工藝信息，并能修改與優化加工過程中的部分工藝參數。

自動鉆鉚離線編程軟件采用C/C++語言為編程基礎，并將自動鉆鉚離線編程系統分解為：a.鉚接信息讀取與管理；b.鉚接加工信息集生成；c.完善運動軌跡與功能信息；d.完善加工工藝參數；e.輸出自動鉆鉚數控程序。離線編程系統總體流程如圖8所示。

圖8 離線編程系統總體流程

自動鉆鉚離線編程系統從外部接口讀入并儲存火箭短殼的鉚接位點信息與鉚釘信息。根據自動鉆鉚離線編程的加工信息生成方法，使用結構體與VERICUT類生成能儲存鉆鉚所需完整加工信息的數據集。采用自動鉆鉚離線編程系統運動控制算法，結合火箭短殼自動鉆鉚設備的相關信息，求解自動鉆鉚設備各個運動軸的運動距離。根據運動軸、關節變量、工件與鉚釘，調用相應的加工工藝參數數據庫以選取合適的工藝參數，獲得可自動鉆鉚設備運行的所有控制信息。根據自動鉆鉚設備的數控編程規則設計對應的信息編譯程序，將鉆鉚加工信息以NC代碼的形式輸出，獲得控制自動鉆鉚設備的數控程序，具體程序內容如下：

5 數控程序仿真驗證

使用基于VERICUT平臺的自動鉆鉚仿真模型對離線編程輸出的數控程序加工仿真，能高效安全地驗證數控程序的可行性、完整性與運動控制的準確性[8]。

根據自動鉆鉚設備的運動學分析獲得的運動鏈，建立自動鉆鉚設備的仿真模型，并導入各運動組件的模型，設置運動軸坐標系、行程等參數。獲得基于VERICUT平臺的火箭短殼自動鉆鉚設備仿真模型，如圖9所示。

圖9 自動鉆鉚設備仿真模型

在西門子840D數控系統的環境下，根據自動鉆鉚設備的特殊功能需求配置數控系統文件，實現對壓鉚等過程新增的坐標字與鉚接質量檢測等輔助功能的識別。將火箭短殼、安裝板與模擬鉚釘導入VERICUT平臺，輸入離線編程獲得的數控程序后仿真，驗證數控程序的完整性與運動控制的準確性。

以某型號火箭短殼為例，使用火箭短殼自動鉆鉚離線編程軟件讀取鉚接孔位與緊固件信息，獲得該火箭短殼自動鉆鉚的數控程序。使用自動鉆鉚仿真模型對數控程序仿真，在載入火箭短殼、安裝板和模擬鉚釘并設置數控程序后，運行VERICUT仿真演示。仿真如圖10～圖13所示，自動鉆鉚設備仿真模型成功實現轉臺與立柱運動的鉆鉚定位以及壓緊、鉆孔、外鉚機構插釘、內鉚機構壓鉚等操作以及對速度等參數的控制，并且機構間無碰撞與干涉等錯誤的發生，證明數控程序包含完整加工信息。

圖10 壓緊工作示意圖

圖11 鉆孔工作示意圖

圖12 插釘工作示意圖

圖13 壓鉚工作示意圖

仿真過程中對需要精確控制的末端執行器即壓緊組件、外鉚組件以及內鉚組件的加工位置進行測量，以工件中的4個鉆鉚點為例，測量在基坐標系下鉆鉚點位置、鉆鉚點墩頭表面位置、壓緊組件工作位置、外鉚組件工作位置與內鉚壓頭工作位置，如表1所示。

表1 末端執行器加工狀態位置信息

由表1數據可得，火箭短殼離線編程控制算法能根據鉆鉚點位置、工件厚度與墩頭厚度，準確計算運動軸的驅動量，生成的數控程序運動控制準確，能正確控制末端執行器實現鉚接加工。

6 結束語

通過對火箭短殼自動鉆鉚工藝流程與自動鉆鉚設備的分析與研究，提出了一種鉆鉚加工信息生成方法和運動控制算法，并開發了自動鉆鉚離線編程系統。以某型火箭短殼自動鉆鉚為例，使用該離線編程系統實踐并仿真驗證。經驗證，自動鉆鉚離線編程系統生成的數控程序信息完整、運動控制準確，滿足了自動鉆鉚設備離線編程的使用需求。

1 王珉，陳文亮，郝鵬飛，等. 飛機數字化自動鉆鉚系統及其關鍵技術[J]. 航空制造技術，2013(Z1)：80～83

2 劉連圣，王珉，孫金萍，等. 面向自動鉆鉚離線編程系統的運動仿真技術[J]. 中國機械工程，2019(4)：461～466

3 韋世峰. 飛機部件自動鉆鉚機床離線編程與仿真規劃研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2017

4 肖慶東，甘露，尚江坤，等. 復合材料壁板單面緊固件機器人自動鉆鉚技術[J]. 航空制造技術，2019(15)：42～48

5 高明輝，張楊，張少擎，等. 工業機器人自動鉆鉚集成控制技術[J]. 航空制造技術，2013(20)：74～76

6 侯東旭，李聰穎，朱建文，等. 運載火箭殼段自動鉆鉚仿真及工藝流程優化[J]. 航天制造技術，2016(1)：28～32

7 楊燕勇. 自動鉆鉚機控制系統關鍵技術研究與開發[D]. 南京航空航天大學: 南京航空航天大學，2017

8 于文凱，張松，陳艷，等. 基于VERICUT的銑車復合加工仿真系統研究[J]. 機床與液壓，2015(11)：133～136

Research on Offline Programming Technology of Automatic Drilling and Riveting for Short Shell of Launch Vehicle

Sheng Wangding Li Zhaohui Zhou Yuanyuan ZhangWeixuan

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shanghai 201600)

In order to meet the NC programming requirements of rocket short shell automatic drilling and riveting equipment, combined with automatic drilling and riveting process and NC program structure, analyzed the kinematic model of automatic drilling and riveting equipment. A drilling and riveting processing information generation method and motion control algorithm are proposed. On this basis, the offline programming system is developed. Taking an end frame as an example, through offline programming and simulation, it is proved that the NC program is complete and the motion control is accurate.

automatic drilling and riveting；motion control；motion simulation；offline programming

TP29

A

盛王鼎（1997），碩士，航空宇航科學與技術專業；研究方向：數控技術。

2021-08-09