飞机蒙皮自动制孔工艺设计研究

2017-04-27刘顺涛陈雪梅郭喜锋韩志仁周叔阳

制造业自动化 2017年4期

刘顺涛，陈雪梅，郭喜锋，韩志仁，周叔阳

（1.成都飞机工业集团有限责任公司，成都 610073；2.航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136；3.沈阳航空航天大学航空宇航工程学部，沈阳 110136）

飞机蒙皮自动制孔工艺设计研究

刘顺涛1，陈雪梅1，郭喜锋1，韩志仁2,3，周叔阳3

基于MBD的飞机蒙皮自动制孔工艺设计是飞机数字化制造工艺关键技术之一，根据飞机装配过程中自动制孔工艺设计的特点和要求，将制孔信息分为基准孔、夹紧孔、自动制孔三类，对制孔需要的点位、法矢、连接件材料、材料顺序、夹层厚度、夹层厚度顺序、标准件信息等提取的关键技术进行了研究，通过CATIA/CAA平台，开发了飞机自动制孔工艺设计软件，实现了制孔信息的分类、提取、规范存储等，有效地解决了飞机蒙皮自动制孔工艺设计难题，提高了工艺设计效率和飞机数字化制造水平。

工艺；制孔；蒙皮

0 引言

飞机装配过程中蒙皮制孔是飞机制造的关键环节。由于飞机结构的特殊性，飞机装配需要在型架的协助下完成部件装配，装配环节包括零件定位、加紧、制孔、连接等步骤，传统的手工制孔方法不仅制孔位置精度低，而且存在制孔质量不稳定、制孔效率低等问题。现在，飞机设计均采用基于MBD规范的数字化设计，设计交付物为飞机三维综合信息模型，零件连接关系采用点位和法矢进行描述[1]，连接孔的位置和尺寸没有直接标出，属于隐性信息，如果人工制孔，需要从数模中获得制孔依据，这个过程占用制孔总时间一半以上，严重妨碍数字化制造优势的发挥。

随着飞机数字化制造技术和智能制造技术的发展，飞机蒙皮自动制孔技术发展迅速[2～8]，在自动制孔设备的研制[3,5]、制孔法矢的自动找正[2]、自动离线编程技术[4]等方面，已经取得较大进展，研制的各种自动制孔设备在飞机蒙皮壁板装配、飞机部件装配中开始应用。在自动制孔设备应用的过程中工装和自动制孔工艺设计是必不可少的环节。如何依据飞机的全三维数字化综合模型进行部件自动制孔工艺设计是飞机数字化制造的关键问题之一。

1 飞机蒙皮自动制孔工艺设计关键技术

自动制孔工艺设计是自动制孔的重要部分，包括制孔基准设计、加紧孔设计、自动制孔设计，在这些设计中不仅指定孔的位置，而且给出制孔的夹层厚度和顺序、材料顺序、加紧孔的布局等信息等，这些信息存在于飞机三维综合信息模型中，需要采用软件工具整理筛选并添加工艺人员的设计思想，形成自动制孔工艺，提供给自动制孔设备用于进行制孔工艺参数选择和离线编程。

1.1 蒙皮制孔的分类与筛选技术

飞机部件装配的连接方式主要有铆钉连接、螺栓和有耳托板螺母连接、螺栓和无耳托板螺母连接，另外也少量使用焊接、胶接等连接方式。部件蒙皮开敞性好，适合采用自动制孔设备。连接定义中点位和法矢用几何图形集分区定义，对于螺栓和有耳托板螺母连接，将螺栓和连接有耳托板螺母铆接的点位和法矢放在同一个几何图形集中，有耳托板螺母铆接铆钉一般不连接蒙皮，也有个别与蒙皮连接，自动制孔工艺设计的制孔范围不包括有耳托板螺母不连接蒙皮铆钉孔，因此需要将这些有耳托板螺母不连接蒙皮铆钉孔从蒙皮连接的几何图形集中去除，筛选出与蒙皮有关的连接孔信息。蒙皮制孔信息筛选流程如图1所示，图2、图3分别为筛选前、后的点位和法矢高亮图。

1.2 面向制孔工艺的制孔信息提取技术

飞机装配过程中蒙皮自动制孔采用工业机器人、专用自动制孔设备等自动数控制孔设备完成蒙皮自动制孔，在蒙皮制孔前需要首先将蒙皮在装配的部件上定位和夹紧，以便满足蒙皮位置正确和制孔过程中的稳定性要求，需要在工艺设计中设计定位基准和夹紧位置，其他的蒙皮连接孔由自动制孔设备完成制孔。因此，蒙皮制孔分为基准孔、夹紧孔和自动制孔三类。由于现代飞机设计的需要，采用铝合金、钛合金和复合材料等不同的材料，在制孔过程中制孔对象涉及不同的材料，不同的材料制孔对制孔刀具的参数和加工参数有不同的要求，因此制孔设备选择刀具时需要依据制孔材料和夹层厚度等信息，同时需要制孔的位置等信息。

图2 筛选前的孔位信息

图3 筛选后的孔位信息

飞机MBD综合信息模型中包含的信息分为显性信息和隐性信息两类，自动制孔工艺设计中材料信息、制孔点位和法矢属于显性信息，这些信息可以直接从零件的属性中提取。连接夹层厚度、连接标准件尺寸信息等属于隐性信息，在数模中没有直接可以提取的信息。在蒙皮制孔工艺设计中制孔区域的选择依据蒙皮，在一个部件中选择一块蒙皮作为一个独立的自动制孔区域，提取该区域制孔信息，设计制孔工艺。为了适应无纸化数字化制造的需要，将自动制孔信息附加在部件的后部，既实现了飞机设计与工艺的高度融合，又保证了飞机设计依据的独立性。

1.2.1 连接制孔件材料提取及顺序

自动制孔工艺设计区域以选定的蒙皮为单位，在不同位置与蒙皮连接的零件材料可能不同，需要对所有连接位置逐一查找被连接件，采用一种遍历整个数模方法，自动获取各连接件材料牌号。根据连接关系找到被连接件，进而从属性中获取被连接件的材料牌号。同时通过点位与被连接件的距离决定材料牌号输出次序，存储于结构树新工艺节点上。连接制孔件材料和顺序按连接点位逐一获取，单独存储，流程如图4所示。

图4 连接制孔件材料和顺序流程图

1.2.2 点位法矢匹配

在飞机MBD综合信息模型中连接关系采用点位、法矢和标准件牌号表示，其中点位和法矢分别放在点几何图形集和线的几何图形集中，其顺序有可能被篡改或设计时顺序不对，为保证点位和法矢正确的对应关系，采用一种遍历整个数模方法，提取各个A数模的点位和法矢一一进行匹配，存储于结构树新工艺节点上。点位和法矢匹配流程如图5所示。

图5 点位和法矢匹配流程图

1.2.3 夹层厚度提取及顺序

每个连接处的被连接件的厚度（夹层厚度）是制孔的重要参数，是选择刀具尺寸的重要依据，需要得到每个连接位置处的加层厚度和顺序。采用一种遍历整个数模方法，根据法矢及各零部件的相交关系，采用几何运算方法得到连接法矢与被连接件相交时的线段长度，每个被连接零件的相交线段长度就是其夹层厚度，并通过位置关系判断夹层厚度的顺序，按照装配制孔先后次序得到夹层厚度的顺序输出，存储于结构树新工艺节点上。加层厚度提取及顺序流程图如图6所示。

图6 加层厚度提取及顺序流程图

1.2.4 标准件信息提取

飞机MBD综合信息模型中，连接描述给出标准件的牌号，具体的尺寸没有给出，属于隐性信息，需要建立标准件信息数据表（如表1所示），以便在自动制孔工艺设计中自动获取标准件信息。制孔工艺设计过程中根据标准件牌号查询标准件信息表，自动获取需要的硬化前孔径、终径等。

表1 标准件信息数据表

2 飞机蒙皮自动制孔工艺设计软件开发

蒙皮自动制孔工艺设计主要采用软件自动协助完成，针对涉及的关键技术开发了相应的模块，设计人员的工作比较简单，打开设计界面（如图7所示），选择设计的蒙皮作为自动制孔区域，选择基准孔和夹紧孔，然后软件自动对蒙皮相关的制孔进行分类和筛选，自动获取点位信息、法矢信息、材料信息、材料排序、夹层尺寸、夹层排序等需要的信息，基准孔、夹紧孔、自动制孔三大类信息按规范的格式添加到部件数模指定的位置，设计结果如图8所示。

图7 自动制孔工艺设计界面

图8 自动制孔工艺设计结果

3 结论

通过飞机蒙皮自动制孔工艺设计技术研究，以CAA/CATIA为平台，开发了自动制孔工艺设计软件，工艺设计结果规范，并保存在部件PRODUCT中，适应无纸化制造，工艺设计结果容易与各种自动制孔设备实现顺利对接，并且有利于区分工艺设计与制孔过程的责任。提高了自动制孔工艺设计效率，减少工艺人员不必要的工作，降低人为出错率，提高了飞机数字化制造的水平和智能制造水平，为飞机装配工艺设计数字化奠定一定的基础。

参考文献：

[1] 韩志仁,贾东海,高红,秦月,郭喜锋.基于MBD的装配工艺辅助模型快速生成技术研究[J].航空制造技术,2015(20):60-62.

[2] 王增翠,秦现生,白晶,王文龙.飞机壁板自动制孔法向测量算法研究[J].机械设计与制造,2014 (6):160-163.

[3] 姚艳彬,毕树生,员俊峰,梁杰.飞机部件机器人自动制孔控制系统设计与分析[J].中国机械工程,2016,21(17):2021-2024.

[4] 梁雪梅,侯志霞,孙丽宏,潘青.飞机装配自动制孔过程仿真数据生成方法及应用[J].航空制造技术,2015(21):59-61.

[5] 黄大兴,王珉,陈文亮,陈磊,余路.飞机装配自主移动式自动制孔系统机构设计[J].南京航空航天大学学报,2014,44(s):23-26.

[6] 刘军.机器人自动制孔技术在飞机装配中的应用[J].航空制造技术,2014(17):104-107.

[7] 张辉,郭洪杰,等.机器人自动制孔系统钻削工艺参数优化,航空制造技术,2015(21):100-102.

[8] 席志成,杨宏安,夏常凯,张杰,田青山.基于机器人的飞机部件自动制孔设备控制系统设计研究[J].机械制造,2013,52(595):61-64.

Research on the process of automatic holing for airplane skin

LIU Shun-tao1, CHEN Xue-mei1, GUO Xi-feng1, HAN Zhi-ren2,3, ZHOU Shu-yang3

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