爱华网1.前言 由于近年来机器人技术的迅猛发展, 加之其投资降低、自动化程度高、工作性能稳定、可达性好等优势, 在航空制造过程中正得到越来越多的应用。以B787、A340、A380、F-22、F-35 等为代表的新型飞机, 在其制造过程中大量采用机器人从事自动化装配( 如喷漆、钻铆、焊接等) 以及性能的检测与测试, 从而极大提高了飞机生产的效率和质量的可靠性。据国外统计资料表明, 采用机器人对飞机部件进行钻孔加工, 单台机器人每年可完成100万个紧固件的高质量制孔[1]。采用机器人进行飞机结构件自动化钻铆工艺过程可以提高制孔、铆接质量，从而提高飞机制造装备的柔性和自动化程度，并保证飞机使用寿命，最终提高飞机制造的总体水平[2]。采用机器人进行飞机结构件自动化制孔在我国航空制造领域的应用还很不成熟，特别对于机器人自动制孔应用软件研究及制孔模拟仿真还没有完全掌握。因此，对机器人自动制孔技术，特别是制孔仿真技术的研究至关重要。 2.自动制孔工艺流程设计 机器人制孔工艺流程设计主要是基于DELMIA- FASTIP 机器人制孔方案，机器人制孔软件主要由 DELMIA Robotics V5 (WL2 +OLP)、FasTIP、PIK（BA-OLPS）或相当软件组成；利用DELMIA obotics V5 (WL2机器人模拟+OLP机器人离线编程)软件的主要用途是建立起整个工作单元空间的位置关系，包括机器人自动加工系统，定位工装，产品零件，几何坐标工装，并且可以定义机器人的任务，进行仿真以及碰撞分析。利用FasTIP软件制定钻孔离线编程解决方案。利用PIK (BA-OLPS)离线编程系统用户化软件及机器人单元的 CAD 数模（简化的CGR模型），进行整体的运动过程仿真分析。 基于上述应用软件的功能，在Catia V5 环境下，对机器人建立数字化模型，利用DELMIA 的DPM 建立工艺过程仿真环境，利用DELMIAIGRIP 模块对制孔的过程进行规划、仿真及离线编程。通过零件数模提取点位信息，采用FASTIP 软件自动创建点的加工序列，补充中间点，根据加工要求创建机器人路径信息和加工程序，对机器人路径进行优化后，进行机器人运动仿真。添加机器人约束的信号量和其他信号量，进行干涉及碰撞检查。进行完整加工过程的方案后，生成机器人离线程序并将离线程序转化为机器人格式的代码，进行机器人的离线编程仿真及后置处理。机器人仿真流程如图1 所示。 3.自动制孔工艺过程仿真 基于达索公司开发的全底层共享的3D PLM 解决方案，进行机器人自动制孔过程的模拟。其中CATIA 提供产品的设计解决方案，DELMIA 提供工艺与资源的解决方案。运用以工艺为中心技术，针对关键性工艺实现端到端的解决方案，使用户能够利用数字化产品和资源模型，在产品投入生产之前，完成产品的工艺设计和验证。
仿真环境的创建 装配仿真过程中，主要应用DELMIA 的DPE（数字装配工艺设计过程）及DPM（数字工艺验证与装配过程仿真）模块。前者是产品资源规划应用的平台，利用在产品设计初步阶段产生的数字样机或EBOM数据进行产品分析及工艺流程定义、制定总工艺设计计划、工艺路线制定、工时分析、车间设施布局及物流仿真。DPM 为工艺细节规划和验证应用的环境。二者通过PPR Hub 数据库共享数据。在这里选用DELMIA DPM 模块建立MRP 仿真布局方案，如图2 所示。基于DELMIA 将机器人六轴机械臂、末端执行器等进行整合，形成完整的机器人仿真模型，可在DELMIA 里直接作为任务机器人进行调用。 创建机器人路径点信息 CENIT FASTTIP 模块在铆接和多层制孔等应用场合提供了规划、编程和验证新工件程序的增强功能以及强大的上传模块实现对现有部件程序的逆向工程。在机器人自动制孔工艺过程中，机器人工具点TCP 的路径规划关系到制孔位的准确程度，制孔点位的路径选择规划尤为关键。利用CENIT 软件的FASTIP 模块，通过计算零件表面特征，自动生成路径点的矢量方向，提取工件中点位信息，生成加工路径点。 自动生成加工序列 基于 CENIT FASTIP，根据设定的序列规则将选定的路径点排序，生成加工序列在点序列生成的过程中，根据经验选取若干个典型的点序列规划规则，得到多个点序列规划，通过对比，选择效率最高的一组，根据机器人在空位上的具体的加工需求，指定接近/回撤距离，如图4 所示。 机器人路径点优化 根据CENIT FASTIP 提取的点位，机器人末端执行器TCP 点沿着所规划的路径运动，点位的矢量方向要与机器人工具点TCP 矢量方向吻合。受机器人手臂关节自由度的限制，TCP 在两点之间运动经常会遇到不可到达的问题、或理论上与工件表面发生碰撞干涉现象，或者完成制孔动作后回撤动作。对于这些问题需要调整路径点的矢量方向或增加过度点控制TCP 可达区域如图5，对于机器人路径点优化我们前期已经积累一定的经验，这也是机器人离线调试中的关键技术。 机器人点位信号设置 为了控制机器人运动及防止运动过程中多个设备发生干涉，需设置机器人信号，控制机器人末端执行器TCP 运动的起始及终止条件。根据工件工装布局的复杂情况，在某些点位设置信号如图6，与机器人之间通信，告之点位可达与非可达。来有效控制机器人手臂的运动范围从而避免与工件设备碰撞。 机器人运动过程仿真 通过Delmia 的OLP 模块，进行整体的运动过程仿真，观察机器人在不同工位工作情况如图7-10 所示，由于机器人采用6轴串联的结构，受到关节臂转动范围的影响，在某些空间上相邻点位的运动过程中，机器人手臂将会进行大幅度的转动或摆动，甚至会超过机器人关节转动角度范围。在机器人运动仿真过程中，可通过Simulation Analysis Tool 可以发现这些问题，通过手动修改点序列的顺序，将这些相邻的点，划分到不同的加工路径上，避免在连续路径的点位加工中出现此类现象。 生成机器人离线程序 模拟程序是指在虚拟控制器上运行程序，如同在真实的控制器上运行一样。它是最完整的测试。借助该测试，可以了解机器人如何通过事件和I/O信号与外部设备进行交互。通过定制程序进行机器人离线程序后处理，将标准程序代码转换为符合机器人需求的离线程序。 通过机器人自动制孔流程设计和仿真分析，可以找到机器人制孔的路径分析和碰撞检查的仿真过程中，需要有长期的点位信号设置、和路径优化经验积累才能实现最优结果，而国内机器人自动制孔技术应用还不成熟，只能在实践中逐渐尝试，随着机器人自动制孔技术的逐渐应用和开展，此项技术也必将被国内航空制造业所掌握，大大提升我们的航空制造技术水平。
