引言：近年來，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，加之其投資降低、自動(dòng)化程度高、工作性能穩(wěn)定、可達(dá)性好等優(yōu)勢，在航空制造過程中正得到越來越多的應(yīng)用。
1.前言
由于近年來機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，加之其投資降低、自動(dòng)化程度高、工作性能穩(wěn)定、可達(dá)性好等優(yōu)勢，在航空制造過程中正得到越來越多的應(yīng)用。以B787、A340、A380、F-22、F-35等為代表的新型飛機(jī)，在其制造過程中大量采用機(jī)器人從事自動(dòng)化裝配(如噴漆、鉆鉚、焊接等)以及性能的檢測與測試，從而極大提高了飛機(jī)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量的可靠性。據(jù)國外統(tǒng)計(jì)資料表明，采用機(jī)器人對飛機(jī)部件進(jìn)行鉆孔加工，單臺機(jī)器人每年可完成100萬個(gè)緊固件的高質(zhì)量制孔[1]。采用機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化鉆鉚工藝過程可以提高制孔、鉚接質(zhì)量，從而提高飛機(jī)制造裝備的柔性和自動(dòng)化程度，并保證飛機(jī)使用壽命，最終提高飛機(jī)制造的總體水平。
采用機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件自動(dòng)化制孔在我國航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用還很不成熟，特別對于機(jī)器人自動(dòng)制孔應(yīng)用軟件研究及制孔模擬仿真還沒有完全掌握。因此，對機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)，特別是制孔仿真技術(shù)的研究至關(guān)重要。
2.自動(dòng)制孔工藝流程設(shè)計(jì)
機(jī)器人制孔工藝流程設(shè)計(jì)主要是基于DELMIA-FASTIP機(jī)器人制孔方案，機(jī)器人制孔軟件主要由DELMIARoboticsV5(WL2+OLP)、FasTIP、PIK(BA-OLPS)或相當(dāng)軟件組成;利用DELMIAoboticsV5(WL2機(jī)器人模擬+OLP機(jī)器人離線編程)軟件的主要用途是建立起整個(gè)工作單元空間的位置關(guān)系，包括機(jī)器人自動(dòng)加工系統(tǒng)，定位工裝，產(chǎn)品零件，幾何坐標(biāo)工裝，并且可以定義機(jī)器人的任務(wù)，進(jìn)行仿真以及碰撞分析。利用FasTIP軟件制定鉆孔離線編程解決方案。利用PIK(BA-OLPS)離線編程系統(tǒng)用戶化軟件及機(jī)器人單元的CAD數(shù)模(簡化的CGR模型)，進(jìn)行整體的運(yùn)動(dòng)過程仿真分析。
基于上述應(yīng)用軟件的功能，在CatiaV5環(huán)境下，對機(jī)器人建立數(shù)字化模型，利用DELMIA的DPM建立工藝過程仿真環(huán)境，利用DELMIAIGRIP模塊對制孔的過程進(jìn)行規(guī)劃、仿真及離線編程。通過零件數(shù)模提取點(diǎn)位信息，采用FASTIP軟件自動(dòng)創(chuàng)建點(diǎn)的加工序列，補(bǔ)充中間點(diǎn)，根據(jù)加工要求創(chuàng)建機(jī)器人路徑信息和加工程序，對機(jī)器人路徑進(jìn)行優(yōu)化后，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真。添加機(jī)器人約束的信號量和其他信號量，進(jìn)行干涉及碰撞檢查。進(jìn)行完整加工過程的方案后，生成機(jī)器人離線程序并將離線程序轉(zhuǎn)化為機(jī)器人格式的代碼，進(jìn)行機(jī)器人的離線編程仿真及后置處理。機(jī)器人仿真流程如圖1所示。
3.自動(dòng)制孔工藝過程仿真
基于達(dá)索公司開發(fā)的全底層共享的3DPLM解決方案，進(jìn)行機(jī)器人自動(dòng)制孔過程的模擬。其中CATIA提供產(chǎn)品的設(shè)計(jì)解決方案，DELMIA提供工藝與資源的解決方案。運(yùn)用以工藝為中心技術(shù)，針對關(guān)鍵性工藝實(shí)現(xiàn)端到端的解決方案，使用戶能夠利用數(shù)字化產(chǎn)品和資源模型，在產(chǎn)品投入生產(chǎn)之前，完成產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。
仿真環(huán)境的創(chuàng)建
裝配仿真過程中，主要應(yīng)用DELMIA的DPE(數(shù)字裝配工藝設(shè)計(jì)過程)及DPM(數(shù)字工藝驗(yàn)證與裝配過程仿真)模塊。前者是產(chǎn)品資源規(guī)劃應(yīng)用的平臺，利用在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初步階段產(chǎn)生的數(shù)字樣機(jī)或EBOM數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品分析及工藝流程定義、制定總工藝設(shè)計(jì)計(jì)劃、工藝路線制定、工時(shí)分析、車間設(shè)施布局及物流仿真。DPM為工藝細(xì)節(jié)規(guī)劃和驗(yàn)證應(yīng)用的環(huán)境。二者通過PPRHub數(shù)據(jù)庫共享數(shù)據(jù)。在這里選用DELMIADPM模塊建立MRP仿真布局方案，如圖2所示。基于DELMIA將機(jī)器人六軸機(jī)械臂、末端執(zhí)行器等進(jìn)行整合，形成完整的機(jī)器人仿真模型，可在DELMIA里直接作為任務(wù)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)用。
創(chuàng)建機(jī)器人路徑點(diǎn)信息
CENITFASTTIP模塊在鉚接和多層制孔等應(yīng)用場合提供了規(guī)劃、編程和驗(yàn)證新工件程序的增強(qiáng)功能以及強(qiáng)大的上傳模塊實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有部件程序的逆向工程。在機(jī)器人自動(dòng)制孔工藝過程中，機(jī)器人工具點(diǎn)TCP的路徑規(guī)劃關(guān)系到制孔位的準(zhǔn)確程度，制孔點(diǎn)位的路徑選擇規(guī)劃尤為關(guān)鍵。利用CENIT軟件的FASTIP模塊，通過計(jì)算零件表面特征，自動(dòng)生成路徑點(diǎn)的矢量方向，提取工件中點(diǎn)位信息，生成加工路徑點(diǎn)。
自動(dòng)生成加工序列
基于CENITFASTIP，根據(jù)設(shè)定的序列規(guī)則將選定的路徑點(diǎn)排序，生成加工序列在點(diǎn)序列生成的過程中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取若干個(gè)典型的點(diǎn)序列規(guī)劃規(guī)則，得到多個(gè)點(diǎn)序列規(guī)劃，通過對比，選擇效率最高的一組，根據(jù)機(jī)器人在空位上的具體的加工需求，指定接近/回撤距離，如圖4所示。
機(jī)器人路徑點(diǎn)優(yōu)化
根據(jù)CENITFASTIP提取的點(diǎn)位，機(jī)器人末端執(zhí)行器TCP點(diǎn)沿著所規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)位的矢量方向要與機(jī)器人工具點(diǎn)TCP矢量方向吻合。受機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)自由度的限制，TCP在兩點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)經(jīng)常會遇到不可到達(dá)的問題、或理論上與工件表面發(fā)生碰撞干涉現(xiàn)象，或者完成制孔動(dòng)作后回撤動(dòng)作。對于這些問題需要調(diào)整路徑點(diǎn)的矢量方向或增加過度點(diǎn)控制TCP可達(dá)區(qū)域如圖5，對于機(jī)器人路徑點(diǎn)優(yōu)化我們前期已經(jīng)積累一定的經(jīng)驗(yàn)，這也是機(jī)器人離線調(diào)試中的關(guān)鍵技術(shù)。
機(jī)器人點(diǎn)位信號設(shè)置
為了控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及防止運(yùn)動(dòng)過程中多個(gè)設(shè)備發(fā)生干涉，需設(shè)置機(jī)器人信號，控制機(jī)器人末端執(zhí)行器TCP運(yùn)動(dòng)的起始及終止條件。根據(jù)工件工裝布局的復(fù)雜情況，在某些點(diǎn)位設(shè)置信號如圖6，與機(jī)器人之間通信，告之點(diǎn)位可達(dá)與非可達(dá)。來有效控制機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)范圍從而避免與工件設(shè)備碰撞。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程仿真
通過Delmia的OLP模塊，進(jìn)行整體的運(yùn)動(dòng)過程仿真，觀察機(jī)器人在不同工位工作情況如圖7-10所示，由于機(jī)器人采用6軸串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，受到關(guān)節(jié)臂轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的影響，在某些空間上相鄰點(diǎn)位的運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)器人手臂將會進(jìn)行大幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)或擺動(dòng)，甚至?xí)^機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真過程中，可通過SimulationAnalysisTool可以發(fā)現(xiàn)這些問題，通過手動(dòng)修改點(diǎn)序列的順序，將這些相鄰的點(diǎn)，劃分到不同的加工路徑上，避免在連續(xù)路徑的點(diǎn)位加工中出現(xiàn)此類現(xiàn)象。
生成機(jī)器人離線程序
模擬程序是指在虛擬控制器上運(yùn)行程序，如同在真實(shí)的控制器上運(yùn)行一樣。它是最完整的測試。借助該測試，可以了解機(jī)器人如何通過事件和I/O信號與外部設(shè)備進(jìn)行交互。通過定制程序進(jìn)行機(jī)器人離線程序后處理，將標(biāo)準(zhǔn)程序代碼轉(zhuǎn)換為符合機(jī)器人需求的離線程序。
通過工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)制孔流程設(shè)計(jì)和仿真分析，可以找到機(jī)器人制孔的路徑分析和碰撞檢查的仿真過程中，需要有長期的點(diǎn)位信號設(shè)置、和路徑優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)積累才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)結(jié)果，而國內(nèi)機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)應(yīng)用還不成熟，只能在實(shí)踐中逐漸嘗試，隨著機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)的逐漸應(yīng)用和開展，此項(xiàng)技術(shù)也必將被國內(nèi)航空制造業(yè)所掌握，大大提升我們的航空制造技術(shù)水平。
（轉(zhuǎn)載）
