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摘要：本文探讨了大型自动钻铆机托架系统的变形机理及其影响。研发了基于CATIA V5 的托架变形补偿技术及变形模拟系统，可对变形量在加工过程实施实时修补，有效的解决了自动钻铆机大型托架的变形问题并已成功应用于ARJ21 的机翼壁板的生产。
关键词：自动钻铆机、托架变形、CATIA V5、CAA
在飞机制造中，装配连接质量直接影响飞机结构抗疲劳性能与可靠性，高性能航空器连接结构必须采用先进的连接技术。现代飞机的安全使用寿命要求日益增长，军机寿命、干线飞机寿命分别要求达到8000、50000 飞行小时以上，而手工铆接难以保证寿命要求。西飞承制的按现代设计标准设计的ARJ21 新支线壁板的抗疲劳与可靠性要求更高，必须应用自动钻铆技术实现稳定的高质量连接。
为实现自动钻铆技术必须解决托架系统的变形问题，才能使铆头准确、自动的定位完成铆接动作。本文分析了自动钻铆机托架系统的变形机理及其影响，利用CATIA V5 的CAA二次开发技术实现了基于CATIA V5 的托架变形补偿技术及变形模拟系统，可在CATIA V5下对托架变形进行模拟，实现了在加工过程中对NC 数据实时修补，有效的解决了自动钻铆机大型托架的变形问题并成功应用于ARJ21 的机翼壁板的生产。
1 自动钻铆机托架变形原理、影响分析及模型建立
要进行数字控制钻铆机自动钻铆，计算机理论模型和工装夹具及铆接工件之间必须建立精确映像。为了建立这种精确映像，托架自重及载荷变形、A 角及B 角转动对变形的影响，对理论坐标造成的偏移等因素必须有所考虑。对变形及坐标偏移，需进行实时修正补偿，使得计算机理论模型和工装夹具及铆接工件在机床加工坐标系内保持一致。
研究采用试验和数值模拟方法进行研究工作。
1．1 自动钻铆机托架变形的几个主要因素及其影响分析：
· 托架结构采用的是口管型钢梁，自重大，运动惯性大，运动颤动大，加上工装及工件的重量，根据拖架的结构形状及以前加工试验的结果验证，会造成在Z 向的较大的变形。
· 托架可按 A、B 角转动，使得加载到托架垂直方向的载荷发生变化，拖架的变形，随A、B 角的变化发生几何变化，对Z 向，X 向，Y 向的影响也发生变化。
· A 、B 角转动中心的安装精度；B 角转动中心线及其滑动支撑面的平面度对变形的补偿计算也有影响。可通过提高加工精度保证。
· 壁板在工装围板上放置的柔性与刚性指标。
· 装夹方法、基准等其它影响因素。
1．2 变形模型的建立
为达到工程化应用的目的必须对模型进行简化，对其主要的影响因素进行分析研究，建立可用于工程应用的变形模型，再利用变形模型对实际模型进行修正补偿。通过对托架的结构分析，以及不同载荷，不同的A、B 角度状态的测量分析，得出托架长度向的变形偏移影响不大，可以忽略；而托架垂直方向变形影响最大，可以作为变形最主要的因素；托架水平横向的变形对加工也有影响，可以作为次要因素(局部增加表面封装钢板后可忽略)；在建立变形模型时加以考虑。变形模型如下图所示。 （图片）
图1对一个加载于托架的工件及其工装，不同的A 角及B 角，在拖架垂直方向上的载荷随之发生变化，实际测量或采用计算机辅助工程分析软件计算拖架垂直方向的变形曲线：如下图所示：（图片） 根据需要，进行了多种载荷试验和分析。并对托架进行了进一步加固。使得托架A 角、B 角变化对托架横向和纵向的变形影响会进一步的减少，可以忽略。根据上述分析，如果认定托架的变形是弹性变形，则只需在托架水平状态实际测量两个载荷（最大工件载荷及最小工件载荷）的变形曲线就可以通对曲面插补（在CATIA V5）下给出简化以后的托架变形分布曲面。如下图：（图片） 上述变形是基于工件及其工装柔性附着于托架，实际情况可能介于柔性附着和刚性附着的中间情况，使得问题变的更为复杂。必须根据装夹的实际情况进行具体分析，结合具体测量建立半理论模型，才能建立较能准确描述铆接机构运动与理论模型匹配的方法。如果工装是整体刚性，则变形模型可以进行更进一步的简化。
1．3 在考虑变形的因素情况下，建立理论模型与工装夹具、工件的运动控制映像
· 坐标关系确立，确定定位基准
工件模型坐标系统及装夹定位为O-X-Y-Z,如下图：（图片） 用机床定位系统，对准Q 位置，以建立机床坐标系统和模型坐标系统的联系，建立这种联系以后，模型坐标和机床坐标在理论上就是相同的坐标值。
· 在建立映像前，必须明确下述状态或数据
A： 清楚机床坐标运动，坐标系统。
B： A 和B 角的正负方向。
C： 工装安装位置的水平调平。
D： 定位后，铆头对基准定位的相对位置，这些尺寸用于精确移动钻铆位置。
E： 装夹基准和A 角转动中心线的距离D。用激光测量装置，测量距离D
F： 装夹基准和B 角转动中心点的相对位置尺寸，用激光测量装置，实测转动中心线，并给出转动中心位置相对于定位基准的位置尺寸
G： 装夹X 向基准线应和机床向保持平行，若有夹角，应给出角度值，这是对托架安装时的要求，若不平行，应给出夹角。
· 方法
假定理论坐标位置矢量为P，法向为V，围板装夹基准和拖架水平线偏移变换为Ω，A角变换为X，B 角 变换为ε，系统指令转换φ, P"为P 的最终控制映像结果，则最终处理变换为：
P"=φ（x（Ω（（P，V））））
以理论数值控制钻铆机运动，并达到要求位置和姿态的计算方法：
实测Q 值记忆，计算A 角
a. 对位置坐标P 旋转。经过转动A 角后的蒙皮理论法向平行于XZ 平面
b. 计算B 角
c. 在转动A 角的基础上，再次对位置坐标旋转（B 角，转动中心点相对位置）。经转动B 角后的蒙皮理论法向平行于Z 轴，使得工件铆接位置处于近似水平状态，即工件调平。
d. 根据变形模型，修正补偿变形因素，消除随a、b 角度变化的载荷对位置坐标及法向矢量的影响。（在这里已经认定变形对法向的影响不超过0.5 度用调平装置效验）
e. 在进入高度范围内控制A、B 角到位，钻铆机不能和工件工装发生干涉（W）
f. 精确移动铆接位置坐标到铆接头（H，X，Y）
在实施算法的过程中，必须对每一步的计算结果，和实际运动控制结果进行比较，对偏差进行估量，找出这种偏差的原因，改进变形模型或机床精度原因，及早对之进行调整。逐步达到理想数字控制的目标。
2 自动钻铆机托架变形处理程序的实现
2．1 CATIA 二次开发技术简介：
CATIA V5 是法国达索公司与IBM 公司开发的新一代CAD/CAM 产品。不同于老一代CAD/CAM 产品，它采用了全新的、基于组件的开放式体系结构(Open Architecture Products)。
应用了许多现代软件工程思想，整个体系结构虽然十分庞大，但结构清晰、合理。维护、开发、扩展方便。有着相当优良的扩展性能。它开放的组件应用架构允许更多的第三方针对用户的需要特别定制的应用解决方案。
现代CAD/CAM 产品已由原来单纯的绘图、建模工具向专用设计、制造、知识管理工具以及产品生命周期管理延伸。体系日趋庞大，且新生的需求不断涌现。如果没有合理的体系结构和软件工程技术，随着功能的不断增加，势必造成结构混乱，难以扩展。这也是上一代CAD/CAM 体系结构存在的主要问题。
CATIA V5 在开发之初就遵循面向对象的设计思想（OO），构建了完全基于组件的体系结构（PPR: Products, Process, Resource），有效地解决了维护、管理、扩展的困难，并大量使用了最新的计算机技术和标准以及软件工程技术，其中包括基于组件架构思想的JAVABEAN 、COM/OLE、CORBA 技术和Web 技术、C++语言、Visual Basic Journaling 、STEP-SDAI、XML、OpenGL 等，这使CATIA V5 具有与众不同的鲜明的特点：数据结构单一，各个模块全相关，某些模块之间还是双向相关；端到端的集成系统，拥有强大的专业应用扩展能力。
2．2 基于CATIA V5 的自动钻铆机托架变形处理程序的设计
自动钻铆机的主要数据处理流程处理框架如下图所示：（图片） 自动钻铆机的主要数据处理流程都是基于CATIA V5 平台之上。变形处理模块的主要功能是结合数模和测试数据，根据算法实时构建托架的变形曲面，再计算出铆点的变形量和法矢变化量实时修正NC 程序进行铆接作业。以实现在CATIA V5 平台上数字化铆钉工艺编制部署，加工编程，自动数控铆接。
为此，我们采用V5 的CAA 二次开发技术、VBSCRIPT、DEPHI、MACRO 等编程开发工具开发了自动钻铆机托架变形处理程序用于实际生产作业。
自动钻铆机托架变形处理的主要设计思路与工作过程：
· 变形曲面的建立：
根据实际测量或理论计算数据在CATIA V5 下建立变形模型。如下图所示：（图片） ·合并变形模型
将 “变形曲面模型”拷贝到产品模型中，并重新命名为产品模型名使其成为当前工作模型，并“变形曲面模型\负载变形曲面模型\”中，根据负载变形测量表依次将负载变形测量点的z 值改为负载后的变形值。完成模型合并和预处理。如下图所示：（图片） · 变形处理程序的使用
打开变形处理程序，选择要处理的选择要处理的.APTSOURCE 文件。进行变形处理。（图片） · 处理结果：
处理前原始APT 文件（图片） 变形处理后APT 文件（图片） 本程序是在CATIA V5 环境下，采用CATIA V5 的CAA 二次开发技术、VB、VBSCRIPT，DEPHI，MACRO 等编程开发工具，设计了符合托架变形的数学模型需要的数据处理软件下边是部分程序代码：
op:= hybridShapeFactory1. AddNewPointCoord(x,y,z);
op.name:='0 点';
hybridBody1.AppendHybridShape(op);
part1.UpdateObject( hybridBody1);
op_ref_b:=part1.CreateReferenceFromObject(op) ;
zp:= FloatToStr(strtoFloat(z)-10000);
op_e:=hybridShapeFactory1. AddNewPointCoord(x,y,zp) ;
op_ref_e:=part1.CreateReferenceFromObject(op_e) ;
l1:=hybridShapeFactory1.AddNewLinePtPt(op_ref_b, op_ref_e);
//hybridBody1.AppendHybridShape(l1);
//part1.UpdateObject( hybridBody1);
bxjd:=hybridShapeFactory1.AddNewIntersection(l1,bxm);
hybridBody1.AppendHybridShape( bxjd);
bxjd_f:=hybridShapeFactory1.AddNewIntersection(l1,bxm_f);
hybridBody1.AppendHybridShape(bxjd_f);
part1.UpdateObject( hybridBody1);
PointCoord1:=hybridShapeFactory1.AddNewPointCoord(0.000000, 0.000000, 0.000000);
refpoint1:=part1.CreateReferenceFromObject(bxjd);
PointCoord1.PtRef:= refpoint1;
hybridBody1.AppendHybridShape( PointCoord1);
PointCoord1_f:=hybridShapeFactory1.AddNewPointCoord(0.000000, 0.000000, 0.000000);
refpoint1_f:=part1.CreateReferenceFromObject(bxjd_f);
PointCoord1_f.PtRef:= refpoint1_f;
hybridBody1.AppendHybridShape( PointCoord1_f);
//铆点变形处理
//法矢修正
fx:=strtoFloat(x)+strtoFloat(dx)*l;
fy:=strtoFloat(y)+strtoFloat(dy)*l;
fz:=strtoFloat(z)+strtoFloat(dz)*l;
fs_pb:=hybridShapeFactory1. AddNewPointCoord(fx,fy,fz);
// hybridBody1.AppendHybridShape(fs_pb);
//part1.UpdateObject( hybridBody1);
fs_pb_ref:=part1.CreateReferenceFromObject(fs_pb) ;
fze:= fz-10000;
fs_pe:=hybridShapeFactory1. AddNewPointCoord(fx,fy,fze) ;
fs_pe_ref:=part1.CreateReferenceFromObject(fs_pe) ;
fs_bx_line:=hybridShapeFactory1.AddNewLinePtPt(fs_pb_ref, fs_pe_ref);
fs_bxjd:=hybridShapeFactory1.AddNewIntersection(fs_bx_line,bxm);
hybridBody1.AppendHybridShape( fs_bxjd);
part1.UpdateObject( hybridBody1);
PointCoord2:=hybridShapeFactory1.AddNewPointCoord(0.000000, 0.000000, 0.000000);
refpoint2:=part1.CreateReferenceFromObject(fs_bxjd);
PointCoord2.PtRef:= refpoint2;
hybridBody1.AppendHybridShape( PointCoord2);
//法矢修正
具体应用实例：
运用数字化制造技术，运用G4026SXX-120 全自动钻铆系统，直接在CATIA V5 系统上建立工件数模，进行铆钉工艺分布，加工编程，已经达到全自动数控铆接的目标，其位置精度及法向精度满足ARJ 飞机机翼壁板产品（最大产品上后壁板长度接近13 米，是双曲曲率最大工件）的精度要求。
3．结束语：
飞机大型壁板自动钻铆技术的应用在国内还没有成功的先例，可借鉴的资料和经验很少。再加上世界上专业从事自动钻铆技术的公司并不多，对外技术封锁比较严密，因此可以利用的技术资源有限，许多关键技术必须自行研制。课题主要解决了以下难点：
· 托架变形及转动对理论模型的影响。
· 托架变形模型的简化与计算。
· 托架、工装、钻铆机坐标系统的统一。
· 跨学科多种技术的融合与协调。
课题已成功用于ARJ 飞机的机翼壁板的生产。填补了我国大型自动铆接技术的空白，为我国发展自动铆接技术提供了有利的技术保障。特别是多部门多种技术的协调与融合的经验为研制大型复杂技术产品提供了宝贵的经验。
作者：西北工业大学机电学院 王黎明
西安飞机工业（集团）有限责任公司 孙太山 冯潼能
4/22/2008
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