搜索基于CATIA V5 的自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形研究
2013-05-22 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
王黎明 來(lái)源:dschina
關(guān)鍵字:自動(dòng)鉆鉚機(jī) 托架變形 CATIA V5
本文探討了大型自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架系統(tǒng)的變形機(jī)理及其影響。研發(fā)了基于CATIA V5 的托架變形補(bǔ)償技術(shù)及變形模擬系統(tǒng),可對(duì)變形量在加工過(guò)程實(shí)施實(shí)時(shí)修補(bǔ),有效的解決了自動(dòng)鉆鉚機(jī)大型托架的變形問(wèn)題并已成功應(yīng)用于ARJ21 的機(jī)翼壁板的生產(chǎn)。
在飛機(jī)制造中,裝配連接質(zhì)量直接影響飛機(jī)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(jìn)的連接技術(shù)。現(xiàn)代飛機(jī)的安全使用壽命要求日益增長(zhǎng),軍機(jī)壽命、干線飛機(jī)壽命分別要求達(dá)到8000、50000 飛行小時(shí)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(dòng)鉆鉚技術(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高質(zhì)量連接。
為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆鉚技術(shù)必須解決托架系統(tǒng)的變形問(wèn)題,才能使鉚頭準(zhǔn)確、自動(dòng)的定位完成鉚接動(dòng)作。本文分析了自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架系統(tǒng)的變形機(jī)理及其影響,利用CATIA V5 的CAA二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了基于CATIA V5 的托架變形補(bǔ)償技術(shù)及變形模擬系統(tǒng),可在CATIA V5下對(duì)托架變形進(jìn)行模擬,實(shí)現(xiàn)了在加工過(guò)程中對(duì)NC 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修補(bǔ),有效的解決了自動(dòng)鉆鉚機(jī)大型托架的變形問(wèn)題并成功應(yīng)用于ARJ21 的機(jī)翼壁板的生產(chǎn)。
1 自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形原理、影響分析及模型建立
要進(jìn)行數(shù)字控制鉆鉚機(jī)自動(dòng)鉆鉚,計(jì)算機(jī)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(dòng)對(duì)變形的影響,對(duì)理論坐標(biāo)造成的偏移等因素必須有所考慮。對(duì)變形及坐標(biāo)偏移,需進(jìn)行實(shí)時(shí)修正補(bǔ)償,使得計(jì)算機(jī)理論模型和工裝夾具及鉚接工件在機(jī)床加工坐標(biāo)系內(nèi)保持一致。研究采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究工作。
1.1 自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形的幾個(gè)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(yùn)動(dòng)慣性大,運(yùn)動(dòng)顫動(dòng)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(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證,會(huì)造成在Z 向的較大的變形。
--托架可按 A、B 角轉(zhuǎn)動(dòng),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(duì)Z 向,X 向,Y 向的影響也發(fā)生變化。
--A 、B 角轉(zhuǎn)動(dòng)中心的安裝精度;B 角轉(zhuǎn)動(dòng)中心線及其滑動(dòng)支撐面的平面度對(duì)變形的補(bǔ)償計(jì)算也有影響。可通過(guò)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(biāo)。
--裝夾方法、基準(zhǔn)等其它影響因素。
1.2 變形模型的建立
為達(dá)到工程化應(yīng)用的目的必須對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)其主要的影響因素進(jìn)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(duì)實(shí)際模型進(jìn)行修正補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)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(cè)量分析,得出托架長(zhǎng)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(duì)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(shí)加以考慮。變形模型如下圖所示。
對(duì)一個(gè)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(shí)際測(cè)量或采用計(jì)算機(jī)輔助工程分析軟件計(jì)算拖架垂直方向的變形曲線:如下圖所示:
根據(jù)需要,進(jìn)行了多種載荷試驗(yàn)和分析。并對(duì)托架進(jìn)行了進(jìn)一步加固。使得托架A 角、B 角變化對(duì)托架橫向和縱向的變形影響會(huì)進(jìn)一步的減少,可以忽略。根據(jù)上述分析,如果認(rèn)定托架的變形是彈性變形,則只需在托架水平狀態(tài)實(shí)際測(cè)量?jī)蓚€(gè)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(duì)曲面插補(bǔ)(在CATIA V5)下給出簡(jiǎn)化以后的托架變形分布曲面。如下圖:
上述變形是基于工件及其工裝柔性附著于托架,實(shí)際情況可能介于柔性附著和剛性附著的中間情況,使得問(wèn)題變的更為復(fù)雜。必須根據(jù)裝夾的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析,結(jié)合具體測(cè)量建立半理論模型,才能建立較能準(zhǔn)確描述鉚接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jìn)行更進(jìn)一步的簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)控制映像
--坐標(biāo)關(guān)系確立,確定定位基準(zhǔn)
工件模型坐標(biāo)系統(tǒng)及裝夾定位為O-X-Y-Z,如下圖:
用機(jī)床定位系統(tǒng),對(duì)準(zhǔn)Q 位置,以建立機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)和模型坐標(biāo)系統(tǒng)的聯(lián)系,建立這種聯(lián)系以后,模型坐標(biāo)和機(jī)床坐標(biāo)在理論上就是相同的坐標(biāo)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(jī)床坐標(biāo)運(yùn)動(dòng),坐標(biāo)系統(tǒng)。
B: A 和B 角的正負(fù)方向。
C: 工裝安裝位置的水平調(diào)平。
D: 定位后,鉚頭對(duì)基準(zhǔn)定位的相對(duì)位置,這些尺寸用于精確移動(dòng)鉆鉚位置。
E: 裝夾基準(zhǔn)和A 角轉(zhuǎn)動(dòng)中心線的距離D。用激光測(cè)量裝置,測(cè)量距離D
F: 裝夾基準(zhǔn)和B 角轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)的相對(duì)位置尺寸,用激光測(cè)量裝置,實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)中心線,并給出轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置相對(duì)于定位基準(zhǔn)的位置尺寸
G: 裝夾X 向基準(zhǔn)線應(yīng)和機(jī)床向保持平行,若有夾角,應(yīng)給出角度值,這是對(duì)托架安裝時(shí)的要求,若不平行,應(yīng)給出夾角。
--方法
假定理論坐標(biāo)位置矢量為P,法向?yàn)閂,圍板裝夾基準(zhǔn)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(jī)運(yùn)動(dòng),并達(dá)到要求位置和姿態(tài)的計(jì)算方法:實(shí)測(cè)Q 值記憶,計(jì)算A 角
a. 對(duì)位置坐標(biāo)P 旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)A 角后的蒙皮理論法向平行于XZ 平面
b. 計(jì)算B 角
c. 在轉(zhuǎn)動(dòng)A 角的基礎(chǔ)上,再次對(duì)位置坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)(B 角,轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)相對(duì)位置)。經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)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(bǔ)償變形因素,消除隨a、b 角度變化的載荷對(duì)位置坐標(biāo)及法向矢量的影響。(在這里已經(jīng)認(rèn)定變形對(duì)法向的影響不超過(guò)0.5 度用調(diào)平裝置效驗(yàn))
e. 在進(jìn)入高度范圍內(nèi)控制A、B 角到位,鉆鉚機(jī)不能和工件工裝發(fā)生干涉(W)
f. 精確移動(dòng)鉚接位置坐標(biāo)到鉚接頭(H,X,Y)在實(shí)施算法的過(guò)程中,必須對(duì)每一步的計(jì)算結(jié)果,和實(shí)際運(yùn)動(dòng)控制結(jié)果進(jìn)行比較,對(duì)偏差進(jìn)行估量,找出這種偏差的原因,改進(jìn)變形模型或機(jī)床精度原因,及早對(duì)之進(jìn)行調(diào)整。逐步達(dá)到理想數(shù)字控制的目標(biāo)。
2 自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形處理程序的實(shí)現(xiàn)
2.1 CATIA 二次開發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)介:
CATIA V5 是法國(guó)達(dá)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(gè)體系結(jié)構(gòu)雖然十分龐大,但結(jié)構(gòu)清晰、合理。維護(hù)、開發(fā)、擴(kuò)展方便。有著相當(dāng)優(yōu)良的擴(kuò)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(duì)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(lái)單純的繪圖、建模工具向?qū)Ｓ迷O(shè)計(jì)、制造、知識(shí)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(méi)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(shì)必造成結(jié)構(gòu)混亂,難以擴(kuò)展。這也是上一代CAD/CAM 體系結(jié)構(gòu)存在的主要問(wèn)題。
CATIA V5 在開發(fā)之初就遵循面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)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(hù)、管理、擴(kuò)展的困難,并大量使用了最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)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(yǔ)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(diǎn):數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)單一,各個(gè)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(qiáng)大的專業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展能力。
2.2 基于CATIA V5 的自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形處理程序的設(shè)計(jì)
自動(dòng)鉆鉚機(jī)的主要數(shù)據(jù)處理流程處理框架如下圖所示:
自動(dòng)鉆鉚機(jī)的主要數(shù)據(jù)處理流程都是基于CATIA V5 平臺(tái)之上。變形處理模塊的主要功能是結(jié)合數(shù)模和測(cè)試數(shù)據(jù),根據(jù)算法實(shí)時(shí)構(gòu)建托架的變形曲面,再計(jì)算出鉚點(diǎn)的變形量和法矢變化量實(shí)時(shí)修正NC 程序進(jìn)行鉚接作業(yè)。以實(shí)現(xiàn)在CATIA V5 平臺(tái)上數(shù)字化鉚釘工藝編制部署,加工編程,自動(dòng)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(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形處理程序用于實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)。
自動(dòng)鉆鉚機(jī)托架變形處理的主要設(shè)計(jì)思路與工作過(guò)程:
--變形曲面的建立:
根據(jù)實(shí)際測(cè)量或理論計(jì)算數(shù)據(jù)在CATIA V5 下建立變形模型。如下圖所示:
--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(dāng)前工作模型,并“變形曲面模型\負(fù)載變形曲面模型\”中,根據(jù)負(fù)載變形測(cè)量表依次將負(fù)載變形測(cè)量點(diǎn)的z 值改為負(fù)載后的變形值。完成模型合并和預(yù)處理。如下圖所示:
--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(jìn)行變形處理。
--處理結(jié)果:
處理前原始APT 文件
變形處理后APT 文件
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(jì)了符合托架變形的數(shù)學(xué)模型需要的數(shù)據(jù)處理軟件下邊是部分程序代碼:
//鉚點(diǎn)變形處理
op:= hybridShapeFactory1. AddNewPointCoord(x,y,z);
op.name:=0 點(diǎn);
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(diǎn)變形處理
//法矢修正
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