基于Delmia的飛機自動制孔離線編程技術

劉博鋒 薛宏

中航西安飛機工業集團股份有限公司，中國·陜西 西安 710089

1 引言

離線編程[1-2]是通過對產品數學模型的分析，獲得需要加工的孔的位置及緊固件參數信息，從而規劃機器人的運動軌跡，并根據緊固件孔位及參數生成自動制孔的相關指令，實現NC 自動編程。離線編程軟件用于編制和輸出自動化制孔設備配套使用的工件程序[3]。基于Delmia 的離線編程是一種可視化的編程過程，利用Delmia 仿真模塊對機器人加工姿態、加工動作及路徑進行設置，同時添加必要的設備信息，采用后置處理模塊對設備的姿態、動作及路徑進行讀取，生成設備可讀的加工程序。整個編程過程不需要與設備進行直接通信，設備運行和程序編制互不干涉。設備在生產一種類型產品時，編程員可同時對下一種產品進行編程，提高了生產效率。針對飛機部件產品結構，結合Delmia 軟件，開發了一套離線編程軟件。該軟件可以實現對制孔程序的編制、設備仿真、干涉碰撞分析以及制孔程序生成等功能。

2 離線編程參數庫構建

機器人自動制孔的離線編程是針對產品結構及緊固件的編程，沒有產品結構信息及緊固件信息就無法實現自動制孔的離線編程。因此，在離線編程之前，必須建立一套包含所有自動制孔參數的離線編程參數庫，用于支撐離線編程的各項數據生成。離線編程參數庫包含刀具參數信息、緊固件參數信息、工裝數據、產品數據以及用于后置處理功能的其他信息等。

2.1 緊固件參數庫

緊固件參數庫包含了產品用于自動制孔的所有緊固件信息，其中包括緊固件牌號、類型、直徑、長度、锪窩深度、壓緊力、最大疊層等信息。緊固件牌號與離線編程數模中的緊固件牌號完全一致，離線編程過程中通過讀取緊固件牌號進行加工參數的設置。

2.2 刀具參數庫

刀具參數庫包含了自動制孔過程中所需要的所有刀具，自動制孔過程中通過刀具名稱進行刀具的選擇，因此刀具名稱必須唯一，在刀具參數中通過加工緊固件來描述刀具的用途，通過是否锪窩來判斷刀具加工為僅制孔還是制孔锪窩。最大加工疊層與刀具結構有關，確定最大加工疊層可以防止刀具選擇不正確造成的孔鉆不穿的情況。

2.3 材料參數庫

產品的材料信息決定了加工過程中所選擇的制孔參數。由于不同產品甚至相同產品數模中對材料的描述各不相同，為了便于程序對產品材料的識別，建立材料參數庫，其中輸入信息為各個數模中對材料的描述，輸出信息為材料的統一代號。

2.4 產品（程序）參數庫

產品參數庫用于管理不同產品的編程信息、加工信息以及工裝放置位置信息等。加工類型中DRILL 用于找正釘鉆制產品上的緊固件孔，TDO 用于鉆制臨時緊固釘孔。由于在機器人站位規劃過程中設置了2 個可加工站位，因此在產品參數中設置工裝位置，LH 放置于左側制孔站位、RH 放置與右側制孔站位，LH 與RH 可以完成相同的制孔工作。由于RH和LH 站位相對于機器人位置在地軌方向上進行了一定的偏移，因此采用程序偏置，可以實現RH/LH 站位程序向LH/RH 站位程序的快速轉換。

3 機器人運動仿真環境建立

根據機器人的運動方式、各個軸以及地軌的運動范圍，利用Delmia 軟件中的device task definition 的功能模塊，對機器人自身、地軌、末端執行器之間的運動學關系進行建立，進而可以在仿真過程中對機器人的運動姿態進行分析。根據物流需求、機器人的可達性等確定產品的制孔站位并對機器人與工裝之間的理論相對位置進行匹配。

仿真環境建立在device task definition 模塊中，該模塊包含離線編程所需的工藝信息、產品數據、設備數據及工裝數據等信息，在Program 模塊下實現程序的編制。

4 工藝數模的處理

由于離線編程規則以及不同產品三維模型結構建立方式的不同，需要對設計數模進行轉化，形成可編程的數模。工藝數模的處理主要包括標準件、疊層材料、制孔工藝參數的提取，設備夾緊面的設置。

設備夾緊面是所有緊固件制孔的起點，也是機器人末端執行器制孔過程中鼻尖壓緊的表面，設備夾緊面確定了設備的制孔區域。通過對產品分析，確定設備制孔過程中與產品的貼合面，將所有的貼合面統一為整體的夾緊面。標簽為Delmia 自有的一種類似坐標系具有XYZ 三個方向的幾何元素，同時標簽具有屬性信息[4]。而產品數模中的臨時緊固釘采用點或者線的形式體現，僅有名稱屬性。利用標簽的這種既有方向又有屬性的特征，通過二次開發的宏程序，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。離線編程過程中可以通過調整標簽的方向對制孔末端執行器的姿態進行調整。

5 機器人路點技術

機器人自動制孔設備相對于自動鉆鉚設備自由度更高，機器人進行不同制孔站位轉換過程中，機器人人姿態變化較大，運動過程難以控制，因此提出采用路點技術對機器人移動路徑進行控制。

機器人移動路徑通過運用路點運動的技術實現。路點是指空間中可通過程序指定的點。每個路點都有其父路點，或者有其同級路點，也可移動X 軸床身。路點結構樹如圖1所示，同級路點是指有同樣父點的點，如E，F，G。如果設置允許同級移動，他們可以互相移動至點位而不需要通過C 點。然而，如果命令從E 點移動至D 點，移動路徑為E—C—A—B—D。通過有層次的路點移動，可以更好地控制機器人的運動過程及姿態，提高機器人運動效率避免機器人的干涉。

圖 1 路點結構樹

離線編程中路點移動可以通過線性移動和關節移動兩種方式移動。關節移動是通過分別調整機器人各軸的旋轉角度，實現對機器人姿態的控制。線性移動以機器人末端執行器刀尖點為基準，通過移動刀尖點的位置，利用機器人自身的運動學關系，帶動各軸聯動，形成機器人路徑，該方法可以快速地使機器人達到指定區域而無需對各軸姿態進行設置。

6 離線編程流程

程序編制主要包含機器人任務創建、工裝找正、路點、換刀、找正、制孔以及其他輔助功能的設置等。

6.1 機器人任務創建

通過選擇加工對象及產品放置站位完成機器人任務的創建，創建完成的機器人任務具有名稱、ID、站位、版本、制孔類型等信息，這些都將用于生成程序代碼中。

6.2 工裝找正

工裝找正通過對工裝上找正點進行找正進行工裝偏移的校正。

6.3 路點創建

根據產品結構特點及制孔區域對機器人路點進行規劃并進行創建，路點以單獨任務進行編輯，在機器人任務程序編制過程中引用路點調整機器人姿態，進而保證路點可重復使用。通過父子級路點設置保證路點結構。

6.4 循環創建

循環是程序的主體部分，設備采用固定封閉式循環，在一個循環中包括多個進程（制孔、锪窩、檢測孔徑等）。多個類似的循環組成完整的產品制孔主程序。循環包含找正循環、制孔循環。找正循環即對找正目標進行找正程序的編制，制孔循環針對需要制孔的緊固件孔位進行程序編制。同時可以設置在循環前/后機器人向壁板位置或者遠離壁板位置的額外移動，即回縮距離。在循環過程中可以根據機器人與產品的位置調整機器人姿態以及末端執行器回縮距離以更有效率地制孔或者避免機器人與產品或者工裝的干涉。

6.5 輔助功能程序

輔助功能包含孔探頻率設置、夾緊速率設置、文本提示信息設置以及程序的更新、部分仿真、仿真等功能。

7 仿真及碰撞干涉分析

利用Delmia 的仿真功能，可以根據前期編制的各種機器人動作對機器人的路徑、姿態進行分析，并通過設置碰撞進行干涉分析，對仿真過程中的干涉以及不合理路徑進行調整和優化。仿真分析主要有3 種模式：產品內部的碰撞干涉分析、兩組產品之間的碰撞干涉分析、所有產品之間的碰撞干涉分析。對于機器人與工裝產品采用第2 種模式，以機器人為一組對象、工裝和產品為一組對象進行干涉分析。

8 后置處理

后置處理是數控編程技術的關鍵技術之一，CAD/CAM與機械制造系連接的紐帶。通過后置處理功能讀取離線編程換件下生成的設備姿態及刀尖點路徑文件，提取相關的加工信息，并依據設備加工的程序格式進行分析、處理，最終生成設備可識別的NC 程序，進而驅動設備的運行。

機器人系統采用了二次開發的西門子840D 控制系統，針對設備對程序格式的需求，在完成程序的編制后，通過后置處理程序生成設備可讀的程序，包括路點程序及自動制孔程序。同時根據在創建機器人任務時設備的站位及偏置量，可以同時生成2個站位的制孔程序，以提高設備制孔的靈活性。

9 結語

論文針對飛機自動制孔提出了一套離線編程的方法和流程，該方案具備良好的通用性，能滿足不同型號飛機產品的為自動制孔程序編制需求，且數據提取準確高效，具有良好的工程應用價值。