離線編程環境下的典型自動制孔工藝設計優化

樊虎 楊靖雯 袁文 劉家豪

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

關鍵詞：數字化裝配;自動制孔;基準孔測量;路徑規劃

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

0? 引言

近年來，隨著自動化、數字化和智能化技術的迅猛發展，自動制孔加工技術已在裝配制造業得到了廣泛應用，尤其是在航空航天、汽車裝配制造等領域。自動制孔技術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，該階段的制孔數量約占整機制孔總數的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，所以制孔質量也是決定整機裝配質量的關鍵[5-7]。自動制孔工藝方法決定著產品制孔質量和制孔效率，因為工藝設計和工藝路徑規劃直接決定了制孔設備在運動過程中是否存在與產品、工裝發生干涉、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計還未有一套標準的流程規范和方法，從目前設備的加工應用情況來看，設備在加工過程中存在基準孔重復測量和過程無效往返等問題，導致設備加工效率不高，制約現場生產進度，影響產品質量。本文以典型的翼盒自動制孔過程中的基準孔測量及自動制孔加工兩個方面的工藝設計優化開展研究。

1? 自動制孔離線編程工藝設計優化

自動制孔離線編程設計是指通過對產品的數學模型分析，獲取所需的加工孔位置及連接件信息，從而規劃制孔設備的運行軌跡，并根據連接件位置及參數生成相應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計、產品加工仿真和后置處理三個階段。編程工藝設計階段是核心，該階段主要完成工藝參數的處理及管理、制孔設備與工裝相對位置關系的建立、制孔及找正執行動作的編輯和其他輔助功能設計。該階段的核心任務是完成制孔區域的規劃及管理、制孔流程規劃和刀具軌跡計算與輸出。產品加工仿真階段主要完成程序加工可行性判斷、碰撞檢測的設置與分析，制孔過程仿真等。通過執行離線編程生成的運動軌跡數據，驗證制孔設備的運行軌跡規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性及可靠性。后置處理階段是根據設備及刀具的運行軌跡數據并讀取的離線編程的工藝參數文件，生成制孔設備能夠直接裝載執行的加工程序文件。后置處理主要是將刀具的位置數據拆解成制孔設備各個運動軸在設備坐標系中的運行數據分量，最終生成設備可讀的格式信息。它是將基于產品坐標系表達的運行軌跡數據結合制孔過程中的輔助功能指令，轉換處理并輸出適用于給定數控系統的加工程序代碼。

飛機在裝配過程中自動制孔的絕對定位精度相對較低，通常會選用基準孔作為加工孔的制孔參考基準。因此，基準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加工過程中制孔設備的多次無效往返，影響加工效率;同時，該情況也會導致制孔設備在重復移動過程中帶來重復定位誤差，最終影響加工孔的位置精度。因此，在離線編程設計及工藝路徑規劃階段就要對基準孔的照相測量方式及制孔路徑進行最優化設計，避免基準孔的多次測量和減少設備的無效運動，保證加工孔的精度及制孔效率。

1.1 翼梁區基準孔照相測量及制孔路徑優化設計

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的連接孔，在離線編程設計時一般會依據孔徑及加工工藝參數進行制孔程序段的劃分。大多數機翼在前后梁的制孔區域都具有孔位集中、多種孔徑及不同加工工藝參數孔交錯分布的特點。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進行加工程序的設計，就會出現不同加工程序段共用基準孔的情況，這樣就產生了同一個基準孔的重復測量問題，既影響產品加工效率，又會帶來重復測量誤差，影響整個加工孔的位置精度。為解決這個問題，在離線程序的設計及編制階段，就應該考慮將整個翼梁加工區基準孔的照相測量程序進行單獨輸出，基準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的基準孔一次性照相測量，測量完成后，再按孔徑及不同加工工藝參數執行該區域的加工孔制孔程序，該方法可以有效的解決基準孔重復測量帶來的加工孔孔位偏差問題，也能減少重復測量過程中的無效運動行程。

1.2 翼肋區基準孔照相測量及制孔路徑優化設計

對于翼肋與壁板的連接孔，產品的設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，該區域具有孔位分布不集中，相鄰加工區域跨度大的特點。因此，在對該區域孔位進行離線程序設計及工藝路徑規劃時，為避免基準孔照相測量和制孔加工分別運行一遍全行程，產生過多的無效行程，在離線程序設計時應該考慮將程序段按肋位進行劃分，同時將每條翼肋的基準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孔測量路徑進行反向規劃設計，即完成一條翼肋的基準孔測量后直接沿著基準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同種孔徑及相同加工參數的原則進行最小運行路徑規劃，一般采用 “弓”字形加工路徑設計。（圖3）

2? 結論

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

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