CN105182799B - 一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法，包括前置处理，装夹定位好飞机蒙皮后，通过钻铆托架上多个传感器在线对变形蒙皮的特征点进行法向调节和示教采集，将示教特征点的轴数据前置处理成三维空间坐标系坐标值，利用CAD将特征点三维空间坐标点位进行曲线图形拟合；逆向合成，合成出实际变形蒙皮紧固件的形状模型，再结合蒙皮紧固件的工艺模型，匹配提取出各钻铆点的空间坐标系的坐标值及法向角度；后置处理，根据钻铆托架结构几何尺寸,计算出各钻铆点对应自动钻铆机器的轴数据从而得到真实的变形蒙皮自动钻铆加工程序。本发明针对实际变形后的飞机蒙皮进行编程，极大的提高了易变形的飞机薄壁曲面蒙皮装配效果。

Description

一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法

技术领域

本发明涉及到飞机蒙皮自动钻铆技术领域，特别涉及一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法。

背景技术

随着飞机蒙皮自动钻铆装备的迅猛发展，自动钻铆编程技术作为实现自动化加工的核心软件技术，国内外各相关研究制造机构竞相进行技术攻关；自动钻铆编程技术是将蒙皮装配要求编辑成钻铆机器能够识别的加工代码，该技术的难点是，飞机蒙皮自动钻铆是要适应蒙皮曲面的适应性加工，有别于传统数控铣削零件形状的塑造性加工，因此自动钻铆编程技术不仅要解决程序执行是按照变形蒙皮曲面形状进行移动定位，而且要解决程序执行是按照变形蒙皮曲面曲度进行法向调整钻铆姿态。

目前，国内外的自动钻铆编程都是采用离线编程技术进行自动编程。离线编程是在飞机蒙皮理论数模中提取出紧固件的位置信息，进而合成定位移动轨迹，通过处理计算飞机蒙皮理论数模紧固件上钻铆点局部蒙皮曲度，提取出钻铆点在蒙皮上的法向，根据自动钻铆机器结构模型，后置处理出符合定位轨迹及法向姿态要求的机器轴数据代码，结合钻铆参数设置，实现自动钻铆移动定位、法向调姿、钻孔、锪窝、注胶、铆接、钉头高度测量等一系列自动钻铆功能。

随着国内外航空工业的蓬勃发展，对飞机蒙皮钻铆装配的质量要求越来越高。面对当前应用广泛的大型飞机薄壁双曲面蒙皮的钻铆装配，由于蒙皮形状复杂且壁板较薄，所以装夹定位过程中容易受外力影响而产生几何形变，造成蒙皮实际装夹的位置、姿态以及外形轮廓与理论数模相差较大，因此现有的针对理论数模进行编程的离线编程技术，已经很难满足飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆装配的要求。

公开号为CN 102566439A，公开日为2012年07月11日的中国专利文献公开了一种用于数控托架的空间定位计算方法，包括以下步骤：1)各部件的三维数模的处理；2)数模中进行固定机构和运动机构的定义；3)为数控托架的多轴运动设置驱动命令；4)模拟各轴运动是否符合实际情况；5)修正数控托架数模的运动零点；6)自动钻铆机主轴轴线与铆接点法线重合，铆接点与压力脚衬套中心重合；7)进行数模的刷新；8)计算出飞机产品表面任意一点自动钻铆工作条件下的数控托架五轴数据和下铆头的升降位置和旋转角度数据；9)空间定位数据的碰撞验证及批量输出；10)数控编程使自动钻铆机连续进行作业。该方法使数控系统根据此定位数据能自动运行，可以使数控托架上飞机产品在空间上满足自动钻铆机的工作要求。

该专利文献公开的方法存在的缺陷是：适用于飞机薄壁曲面蒙皮装夹后，由于蒙皮形状复杂且壁板较薄，装夹定位过程中容易受外力影响而产生几何形变，造成蒙皮实际装夹的位置、姿态以及外形轮廓与理论数模相差较大，导致装配效果差，难以符合要求。

发明内容

本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法，本发明针对实际变形后的飞机蒙皮进行编程，使蒙皮实际装夹的位置、姿态以及外形轮廓与理论数模一致，与现有的离线编程相比效率更高、质量更好，极大的提高了易变形的飞机薄壁曲面蒙皮装配效果。

本发明通过下述技术方案实现：

一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法，其特征在于依次包括下述步骤：

A、前置处理，是指装夹定位好飞机蒙皮后，通过钻铆托架上多个传感器在线对变形蒙皮的特征点进行法向调节和示教采集，将示教特征点的轴数据X、Y、Z、A、B前置处理成三维空间坐标系x、y、z坐标值，利用CAD将特征点三维空间坐标点位进行曲线图形拟合；

B、逆向合成，是指合成出实际变形蒙皮紧固件的形状模型，再结合蒙皮紧固件的工艺模型，匹配提取出各钻铆点的空间坐标系x、y、z坐标值及法向角度；

C、后置处理，是指根据钻铆托架结构几何尺寸,计算出各钻铆点对应自动钻铆机器的轴数据X、Y、Z、A、B，从而得到真实的变形蒙皮自动钻铆加工程序。

所述前置处理之前设置有在线示教步骤，是指对装夹好的飞机蒙皮，在线示教蒙皮曲面特征点的机器轴数据，并将机器轴数据转换为标准的几何轴数据。

本发明的原理如下：

在线编程是针对实际变形后的飞机蒙皮进行的编程，即蒙皮装夹定位好之后，利用自动钻铆机器上的法向调姿/示教采集功能，在线示教出反映实际蒙皮形状的特征点数据，通过将特征点数据逆向合成得到蒙皮紧固件的实际形状，进而结合蒙皮紧固件的工艺模型，提取出紧固件钻铆点位的位置及法向信息，根据自动钻铆机器结构模型，后置处理出符合定位轨迹及法向姿态要求的机器轴数据代码。

本发明的有益效果主要表现在：

本方法是针对实际装夹变形后的飞机蒙皮进行的编程，它采用在线示教蒙皮曲面特征点数据，逆向拟合出蒙皮紧固件的实际形状，结合蒙皮紧固件的工艺模型进行匹配校验，提取出各钻铆点的位置、法向信息，进而通过后置处理生成飞机蒙皮自动钻铆程序，使蒙皮实际装夹的位置、姿态以及外形轮廓与理论数模一致，与现有的离线编程相比效率更高、质量更好，极大的提高了易变形的飞机薄壁曲面蒙皮的装配精度和装配效果。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明自动钻铆机器几何模型图；

图3是图2中Z1、Z2不同位置时的几何图；

图4是本发明示教特征点位置移动模型图；

图5是本发明逆向合成流程图；

图6是本发明后置处理流程图。

具体实施方式

参见图1-图6，在线示教：图2为自动钻铆机器几何模型图，将蒙皮装夹固定在钻铆机器托架上，利用安装在钻铆头上的激光位移、视觉、法向传感器对蒙皮特征点进行测量，通过移动机床各轴位置完成钻铆头对蒙皮特征点的法向调姿与位置找正，然后经过数控系统读取出该特征点对应的各轴轴数据X、Y、Z1、Z2、A。

如图2所示，钻铆机器由X、Y、Z1、Z2、A五个机器轴组成，它并不是标准的几何轴X、Y、Z、A、B。因为当Z1、Z2同步移动时就形成一个平移轴Z，当Z1、Z2不同步移动时不仅合成了平移轴Z同时形成了旋转轴B，所以首先要将示教特征点的机器轴数据X、Y、Z1、Z2、A，转换为标准的几何轴数据X、Y、Z、A、B。

图3是示教时由一个特征点移动到下一个特征点所对应的Z1、Z2位置，为了区分两特征点的Z1、Z2，此图将Z1标注为Z，将Z2标注为W，因此前一特征点的Z1、Z2位置为Z1、W1，后一特征点的Z1、Z2位置为Z2、W2。由此几何图可知Z1、Z2不同步时形成的平移轴Z值各自的Z1、Z2值，同时可以计算出Z1、Z2不同步时形成的旋转轴B值：

B1=Accos{(Z1-W1) /L}

B2=Acsin{(W2-Z2) /L}- Acsin{(Z1-W1) /L}-B1

这样，就得到了在线示教特征点的标准几何轴数据X、Y、Z、A、B。

前置处理：如图4所示，由前一个示教点移动到下一个示教点时，前一个示教点位置改变，但是当前示教点位置在机床坐标系中始终为一固定位置，即每个当前示教点都在钻铆头下方。因此要将动态的示教轴数据前置处理成三维空间中静态的坐标位置，即X、Y、Z、A、B——x、y、z， 就需要将示教当前点作为蒙皮在三维空间坐标系中的参考点（x0,y0,z0）。

当示教到第2点时第1点的坐标（x0,y0,z0）会随机器轴平移、旋转，此时第2点的坐标为（x0,y0,z0），此过程中第1点先平移了△X2-1、△Y2-1、 △Z2-1，再旋转了△A2-1、△B2-1，通过AutoCAD VBA图形控制技术在CAD软件中将第1点和ZW轴线，由（x,y,z）平移△X2-1、△Y2-1、△Z2-1，再将第1点绕ZW轴线旋转△A2-1、△B2-1，最后通过VBA读取此时第1点的坐标值（x1,y1,z1）。

以此类推，每示教一个特征点，依次得出前面所有示教点的三维空间坐标值，直到示教到最后一个点时，就可以得到所有特征点在三维空间坐标系中的坐标（xn,yn,zn）。

逆向合成：如图5所示，先根据特征点拟合出蒙皮紧固件的形状模型，再利用工艺模型匹配出所有钻铆点位，具体实施方法如下。

1）通过前置处理的各特征点坐标x、y、z，拟合出蒙皮紧固件形状模型。

通过如上前置处理，得到所有示教特征点元素图在三维空间中位置坐标x、y、z，控制Auto CAD对所有特征点元素图进行样条曲线拟合，样条曲线设置与每一点相切且为曲线高/低特征点，然后根据样条曲线在Auto CAD创建蒙皮桁条实体图，这样就得到了实际装夹在托架上的蒙皮紧固件形状模型。

2）采用公约等分置换法，在拟合的桁条数模中分离出所有钻铆点的坐标x、y、z；

工艺人员根据工艺要求设置好的蒙皮工艺模型中，包括了所有钻铆点位的间距及点位号，根据这些理论数据求出能被所有点位间距整除的最大公约数g，再按照最大公约数对理论模型点位进行等分，进而求出各钻铆点位间距被等分的段数：

Dn=各点位间距Jn / 间距公约数g

求出所有等分点数：

d=D1+D2+D3+…+Dn

在拟合出的实际蒙皮紧固件形状模型上，按照求出的等分点数，控制Auto CAD对桁条实体图形进行等分切割，切割好所有等分点后，在控制Auto CAD按照之前求出的各钻铆点位间距被等分的段数Dn，在切割桁条实体图形中分离寻找出各钻铆点，这样就在实际装夹在托架上的蒙皮紧固件形状模型中得到了所有待加工钻铆点的坐标位置xn，yn，zn。

后置处理：如图6所示，将所有待加工钻铆点在三维空间坐标系中的位置坐标x、y、z，转换为加工时钻铆机器各轴移动的轴数据X、Y、Z1、Z2、A，具体实施方法如下：

1）所有待加工钻铆点的坐标x、y、z转换为标准几何轴数据X、Y、Z。

以上前置处理、逆向拟合完成后，在Auto CAD中得到是钻铆起始点时，自动钻铆机器各轴的当前位置姿态，以及其余所有钻铆点相对于钻铆起始点的三维空间位置分布图，此时起始钻铆点处于钻铆头下方机床坐标系（X1，2000,3560）的位置，对应当前的钻铆机器各轴数据位（X1、Y1、Z1）。

先不考虑加工时钻铆机器轴A、B法向调姿，只考虑要想使其余各钻铆点移动到加工时钻铆头下方位置，钻铆机器轴X、Y、Z需要平移的位置值。

根据逆向拟合分离出的各待加工钻铆点三维空间坐标位置xn，yn，zn，计算出由第1各钻铆点移动到其余钻铆点平移量：

△X1-n = X1- Xn

△Y1-n =2000-Yn

△Z1-n=3560-Zn

进而计算出其余钻铆点平移对应的钻铆机器轴数据X、Y、Z；

Xn= X1 - △X1-n

Yn= Y1 - △Y1-n

Zn= Z1 - △Z1-n

2）对几何轴数据X、Y、Z进行法向旋转补偿。

如上一步骤所述，只考虑各钻铆点平移到钻铆头下方位置时托架系统几何轴数据X、Y、Z，这一步就要考虑加工时旋转几何轴A、B法向调姿后，前面得到的几何轴数据X、Y、Z就会发生偏移，使得钻铆点又偏离了钻铆头下方位置，所以计算出偏移量对几何轴数据X、Y、Z进行补偿。

先计算出由第1钻铆点旋转到第2钻铆点的几何轴A、B旋转量：

△A1-2=( A1+A2+…+An) × (第1到第2钻铆点间距 ÷ 所以点位间距之和)

△B1-2=(B1+B2+…+Bn) × (第1到第2钻铆点间距 ÷ 所以点位间距之和)

参照钻铆机器各轴的在第2钻铆点的位置姿态，在Auto CAD三维图形软件后台模拟其余钻铆点，在机床坐标系中绕Z1、Z2轴线旋转△A1-2、△B1-2后，读取第2钻铆点偏移量△x2、△y2、△z2。

以此类推，计算出其余所有待加工钻铆点考虑法向调姿后的位置偏移量△xn、△yn、△zn，最后计算出所有点的几何轴数据Xn、Yn、Zn，从而得到各钻铆点对应的标准几何轴数据Xn、Yn、Zn、An、Bn。

3）将得到的几何轴数据X、Y、Z、A、B转换为托架轴数据X、Y、Z1、Z2、A。

如上前置处理所述，自动钻铆机器结构中轴Z1、Z2非标准几何轴，当Z1、Z2都移动且不同步时它们就形成了含有几何轴Z和B的虚拟轴，因此，需要将得到的标准几何轴数据Z、B转换为机器轴数据Z1、Z2。

如图3所示，图中主标Z为Z1轴、主标W为Z2轴，图中带辅标的Z1、W1为第1钻铆点的轴数据，Z2、W2为第2钻铆点的轴数据。

设Z1 = 标准几何轴数据Z1:

W1 = Z1 – {sin(B1) × L}

Z2 = △标准几何轴数据Z2-1 + Z1

W2 = Z2 – {sin(B2) × L}

以此方法类推，可以计算出所有待加工钻铆点对应的钻铆机器各轴数据（Xn、Yn、Zn、Wn、An）。

Claims (2)

1.一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法，其特征在于依次包括下述步骤：

A、前置处理，是指装夹定位好飞机蒙皮后，通过钻铆托架上多个传感器在线对变形蒙皮的特征点进行法向调节和示教采集，将示教特征点的轴数据X、Y、Z、A、B前置处理成三维空间坐标系x、y、z坐标值，利用CAD将特征点三维空间坐标点位进行曲线图形拟合；

B、逆向合成，是指合成出实际变形蒙皮紧固件的形状模型，再结合蒙皮紧固件的工艺模型，匹配提取出各钻铆点的空间坐标系x、y、z坐标值及法向角度；

C、后置处理，是指根据钻铆托架结构几何尺寸,计算出各钻铆点对应自动钻铆机器的轴数据X、Y、Z、A、B，从而得到真实的变形蒙皮自动钻铆加工程序。

2.根据权利要求1所述的一种飞机薄壁曲面蒙皮自动钻铆的编程方法，其特征在于：所述前置处理之前设置有在线示教步骤，是指对装夹好的飞机蒙皮，在线示教蒙皮曲面特征点的机器轴数据，并将机器轴数据转换为标准的几何轴数据。