基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究

2013-05-22 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

王黎明來源:dschina
關(guān)鍵字:自動鉆鉚機托架變形 CATIA V5

本文探討了大型自動鉆鉚機托架系統(tǒng)的變形機理及其影響。研發(fā)了基于CATIA V5 的托架變形補償技術(shù)及變形模擬系統(tǒng),可對變形量在加工過程實施實時修補,有效的解決了自動鉆鉚機大型托架的變形問題并已成功應(yīng)用于ARJ21 的機翼壁板的生產(chǎn)。

   在飛機制造中,裝配連接質(zhì)量直接影響飛機結(jié)構(gòu)抗疲勞性能與可靠性,高性能航空器連接結(jié)構(gòu)必須采用先進的連接技術(shù)?，F(xiàn)代飛機的安全使用壽命要求日益增長,軍機壽命、干線飛機壽命分別要求達到8000、50000 飛行小時以上,而手工鉚接難以保證壽命要求。西飛承制的按現(xiàn)代設(shè)計標準設(shè)計的ARJ21 新支線壁板的抗疲勞與可靠性要求更高,必須應(yīng)用自動鉆鉚技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量連接。

為實現(xiàn)自動鉆鉚技術(shù)必須解決托架系統(tǒng)的變形問題,才能使鉚頭準確、自動的定位完成鉚接動作。本文分析了自動鉆鉚機托架系統(tǒng)的變形機理及其影響,利用CATIA V5 的CAA二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)了基于CATIA V5 的托架變形補償技術(shù)及變形模擬系統(tǒng),可在CATIA V5下對托架變形進行模擬,實現(xiàn)了在加工過程中對NC 數(shù)據(jù)實時修補,有效的解決了自動鉆鉚機大型托架的變形問題并成功應(yīng)用于ARJ21 的機翼壁板的生產(chǎn)。

    1 自動鉆鉚機托架變形原理、影響分析及模型建立

要進行數(shù)字控制鉆鉚機自動鉆鉚,計算機理論模型和工裝夾具及鉚接工件之間必須建立精確映像。為了建立這種精確映像,托架自重及載荷變形、A 角及B 角轉(zhuǎn)動對變形的影響,對理論坐標造成的偏移等因素必須有所考慮。對變形及坐標偏移,需進行實時修正補償,使得計算機理論模型和工裝夾具及鉚接工件在機床加工坐標系內(nèi)保持一致。研究采用試驗和數(shù)值模擬方法進行研究工作。

    1.1 自動鉆鉚機托架變形的幾個主要因素及其影響分析:

    --托架結(jié)構(gòu)采用的是口管型鋼梁,自重大,運動慣性大,運動顫動大,加上工裝及工件的重量,根據(jù)拖架的結(jié)構(gòu)形狀及以前加工試驗的結(jié)果驗證,會造成在Z 向的較大的變形。

    --托架可按 A、B 角轉(zhuǎn)動,使得加載到托架垂直方向的載荷發(fā)生變化,拖架的變形,隨A、B 角的變化發(fā)生幾何變化,對Z 向,X 向,Y 向的影響也發(fā)生變化。

    --A 、B 角轉(zhuǎn)動中心的安裝精度;B 角轉(zhuǎn)動中心線及其滑動支撐面的平面度對變形的補償計算也有影響?？赏ㄟ^提高加工精度保證。

    --壁板在工裝圍板上放置的柔性與剛性指標。

    --裝夾方法、基準等其它影響因素。

    1.2 變形模型的建立

為達到工程化應(yīng)用的目的必須對模型進行簡化,對其主要的影響因素進行分析研究,建立可用于工程應(yīng)用的變形模型,再利用變形模型對實際模型進行修正補償。通過對托架的結(jié)構(gòu)分析,以及不同載荷,不同的A、B 角度狀態(tài)的測量分析,得出托架長度向的變形偏移影響不大,可以忽略;而托架垂直方向變形影響最大,可以作為變形最主要的因素;托架水平橫向的變形對加工也有影響,可以作為次要因素(局部增加表面封裝鋼板后可忽略);在建立變形模型時加以考慮。變形模型如下圖所示。

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad資料圖片1

對一個加載于托架的工件及其工裝,不同的A 角及B 角,在拖架垂直方向上的載荷隨之發(fā)生變化,實際測量或采用計算機輔助工程分析軟件計算拖架垂直方向的變形曲線:如下圖所示:

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad資料圖片2

根據(jù)需要,進行了多種載荷試驗和分析。并對托架進行了進一步加固。使得托架A 角、B 角變化對托架橫向和縱向的變形影響會進一步的減少,可以忽略。根據(jù)上述分析,如果認定托架的變形是彈性變形,則只需在托架水平狀態(tài)實際測量兩個載荷(最大工件載荷及最小工件載荷)的變形曲線就可以通對曲面插補(在CATIA V5)下給出簡化以后的托架變形分布曲面。如下圖:

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad資料圖片3

上述變形是基于工件及其工裝柔性附著于托架,實際情況可能介于柔性附著和剛性附著的中間情況,使得問題變的更為復雜。必須根據(jù)裝夾的實際情況進行具體分析,結(jié)合具體測量建立半理論模型,才能建立較能準確描述鉚接機構(gòu)運動與理論模型匹配的方法。如果工裝是整體剛性,則變形模型可以進行更進一步的簡化。

    1.3 在考慮變形的因素情況下,建立理論模型與工裝夾具、工件的運動控制映像

    --坐標關(guān)系確立,確定定位基準

工件模型坐標系統(tǒng)及裝夾定位為O-X-Y-Z,如下圖:

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad design圖片4

用機床定位系統(tǒng),對準Q 位置,以建立機床坐標系統(tǒng)和模型坐標系統(tǒng)的聯(lián)系,建立這種聯(lián)系以后,模型坐標和機床坐標在理論上就是相同的坐標值。

    --在建立映像前,必須明確下述狀態(tài)或數(shù)據(jù)

    A: 清楚機床坐標運動,坐標系統(tǒng)。

    B: A 和B 角的正負方向。

    C: 工裝安裝位置的水平調(diào)平。

    D: 定位后,鉚頭對基準定位的相對位置,這些尺寸用于精確移動鉆鉚位置。

    E: 裝夾基準和A 角轉(zhuǎn)動中心線的距離D。用激光測量裝置,測量距離D

    F: 裝夾基準和B 角轉(zhuǎn)動中心點的相對位置尺寸,用激光測量裝置,實測轉(zhuǎn)動中心線,并給出轉(zhuǎn)動中心位置相對于定位基準的位置尺寸

    G: 裝夾X 向基準線應(yīng)和機床向保持平行,若有夾角,應(yīng)給出角度值,這是對托架安裝時的要求,若不平行,應(yīng)給出夾角。
    --方法

假定理論坐標位置矢量為P,法向為V,圍板裝夾基準和拖架水平線偏移變換為O,A角變換為x,B 角變換為c,系統(tǒng)指令轉(zhuǎn)換Q, P"為P 的最終控制映像結(jié)果,則:最終處理變換為:

    P"=Q(C(X(O(P,V))))

以理論數(shù)值控制鉆鉚機運動,并達到要求位置和姿態(tài)的計算方法:實測Q 值記憶,計算A 角

    a. 對位置坐標P 旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過轉(zhuǎn)動A 角后的蒙皮理論法向平行于XZ 平面

    b. 計算B 角

    c. 在轉(zhuǎn)動A 角的基礎(chǔ)上,再次對位置坐標旋轉(zhuǎn)(B 角,轉(zhuǎn)動中心點相對位置)。經(jīng)轉(zhuǎn)動B 角后的蒙皮理論法向平行于Z 軸,使得工件鉚接位置處于近似水平狀態(tài),即工件調(diào)平。

    d. 根據(jù)變形模型,修正補償變形因素,消除隨a、b 角度變化的載荷對位置坐標及法向矢量的影響。(在這里已經(jīng)認定變形對法向的影響不超過0.5 度用調(diào)平裝置效驗)

    e. 在進入高度范圍內(nèi)控制A、B 角到位,鉆鉚機不能和工件工裝發(fā)生干涉(W)

    f. 精確移動鉚接位置坐標到鉚接頭(H,X,Y)在實施算法的過程中,必須對每一步的計算結(jié)果,和實際運動控制結(jié)果進行比較,對偏差進行估量,找出這種偏差的原因,改進變形模型或機床精度原因,及早對之進行調(diào)整。逐步達到理想數(shù)字控制的目標。

    2 自動鉆鉚機托架變形處理程序的實現(xiàn)

    2.1 CATIA 二次開發(fā)技術(shù)簡介:

CATIA V5 是法國達索公司與IBM 公司開發(fā)的新一代CAD/CAM 產(chǎn)品。不同于老一代CAD/CAM 產(chǎn)品,它采用了全新的、基于組件的開放式體系結(jié)構(gòu)(Open Architecture Products)。應(yīng)用了許多現(xiàn)代軟件工程思想,整個體系結(jié)構(gòu)雖然十分龐大,但結(jié)構(gòu)清晰、合理。維護、開發(fā)、擴展方便。有著相當優(yōu)良的擴展性能。它開放的組件應(yīng)用架構(gòu)允許更多的第三方針對用戶的需要特別定制的應(yīng)用解決方案。

現(xiàn)代CAD/CAM 產(chǎn)品已由原來單純的繪圖、建模工具向?qū)Ｓ迷O(shè)計、制造、知識管理工具以及產(chǎn)品生命周期管理延伸。體系日趨龐大,且新生的需求不斷涌現(xiàn)。如果沒有合理的體系結(jié)構(gòu)和軟件工程技術(shù),隨著功能的不斷增加,勢必造成結(jié)構(gòu)混亂,難以擴展。這也是上一代CAD/CAM 體系結(jié)構(gòu)存在的主要問題。

CATIA V5 在開發(fā)之初就遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想(OO),構(gòu)建了完全基于組件的體系結(jié)構(gòu)(PPR: Products,Process,Resource),有效地解決了維護、管理、擴展的困難,并大量使用了最新的計算機技術(shù)和標準以及軟件工程技術(shù),其中包括基于組件架構(gòu)思想的JAVABEAN 、COM/OLE、CORBA 技術(shù)和Web 技術(shù)、C++語言、Visual Basic Journaling 、STEP-SDAI、XML、OpenGL 等,這使CATIA V5 具有與眾不同的鮮明的特點:數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單一,各個模塊全相關(guān),某些模塊之間還是雙向相關(guān);端到端的集成系統(tǒng),擁有強大的專業(yè)應(yīng)用擴展能力。

    2.2 基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形處理程序的設(shè)計

自動鉆鉚機的主要數(shù)據(jù)處理流程處理框架如下圖所示:

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad design圖片5

自動鉆鉚機的主要數(shù)據(jù)處理流程都是基于CATIA V5 平臺之上。變形處理模塊的主要功能是結(jié)合數(shù)模和測試數(shù)據(jù),根據(jù)算法實時構(gòu)建托架的變形曲面,再計算出鉚點的變形量和法矢變化量實時修正NC 程序進行鉚接作業(yè)。以實現(xiàn)在CATIA V5 平臺上數(shù)字化鉚釘工藝編制部署,加工編程,自動數(shù)控鉚接。

為此,我們采用V5 的CAA 二次開發(fā)技術(shù)、VBSCRIPT、DEPHI、MACRO 等編程開發(fā)工具開發(fā)了自動鉆鉚機托架變形處理程序用于實際生產(chǎn)作業(yè)。

自動鉆鉚機托架變形處理的主要設(shè)計思路與工作過程:

    --變形曲面的建立:

根據(jù)實際測量或理論計算數(shù)據(jù)在CATIA V5 下建立變形模型。如下圖所示:

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad design圖片6

    --合并變形模型

將 “變形曲面模型”拷貝到產(chǎn)品模型中,并重新命名為產(chǎn)品模型名使其成為當前工作模型,并“變形曲面模型\負載變形曲面模型\”中,根據(jù)負載變形測量表依次將負載變形測量點的z 值改為負載后的變形值。完成模型合并和預(yù)處理。如下圖所示:

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad design圖片7

   --變形處理程序的使用

    打開變形處理程序,選擇要處理的選擇要處理的.APTSOURCE 文件。進行變形處理。

    --處理結(jié)果:

    處理前原始APT 文件

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad design圖片8

變形處理后APT 文件

基于CATIA V5 的自動鉆鉚機托架變形研究autocad design圖片9

本程序是在CATIA V5 環(huán)境下,采用CATIA V5 的CAA 二次開發(fā)技術(shù)、VB、VBSCRIPT,DEPHI,MACRO 等編程開發(fā)工具,設(shè)計了符合托架變形的數(shù)學模型需要的數(shù)據(jù)處理軟件下邊是部分程序代碼:

    //鉚點變形處理

    op:= hybridShapeFactory1. AddNewPointCoord(x,y,z);

    op.name:=0 點;

    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);

    //鉚點變形處理

    //法矢修正