變曲率飛機(jī)壁板鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真

韓 釗， 方江龍， 譚云東， 劉 鋼

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；

2.上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，上海 201111）

變曲率飛機(jī)壁板鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真

韓 釗1， 方江龍1， 譚云東1， 劉 鋼2

（1.上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；

2.上海特種數(shù)控裝備及工藝工程技術(shù)研究中心，上海 201111）

自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由末端執(zhí)行器和多關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂組成.末端執(zhí)行器通過轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)的分度擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同執(zhí)行部件工位的轉(zhuǎn)換.末端執(zhí)行器通過與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械臂的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化加工裝配.用MATLAB軟件仿真得到該機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間軌跡，再通過ADAMS軟件仿真檢驗(yàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間特性，滿足變曲率壁板生產(chǎn)的需要.

自動(dòng)鉆鉚；末端執(zhí)行器；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械臂；MATLAB軟件；ADAMS軟件

自動(dòng)鉆鉚技術(shù)是當(dāng)前航空航天零部件裝配中的核心技術(shù)［1］，尤其在機(jī)身、機(jī)翼壁板組件裝配中使用較多.由于自動(dòng)鉆鉚技術(shù)可一次性完成夾緊、鉆锪孔、送釘及鉚接等工藝［2］，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了具有工位高度集成化、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)的自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人.針對(duì)大型復(fù)雜飛機(jī)曲面壁板曲率變化的特點(diǎn)，自動(dòng)鉆鉚加工前需要找正待鉚點(diǎn)法向才能完成鉆鉚動(dòng)作［3］.傳統(tǒng)的鉚接機(jī)床無法適應(yīng)變曲率壁板工件的鉚接工作，通過改良工裝的方式來實(shí)現(xiàn)曲面法向的調(diào)整，會(huì)使機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，運(yùn)動(dòng)控制和精度都難以保證.為此，本文提出了具有姿態(tài)調(diào)整功能的自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人的設(shè)計(jì)，該機(jī)器人有效地提高了飛機(jī)的裝配效率和裝配質(zhì)量，提高了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)疲勞壽命和整機(jī)性能.

1 自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人的基本組成

自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人由末端執(zhí)行器和多關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.末端執(zhí)行器主要由高速電主軸、頂壓裝置、自動(dòng)點(diǎn)膠設(shè)備、電子伺服壓力驅(qū)動(dòng)器、自動(dòng)送釘裝置等組成.末端執(zhí)行器由端面法蘭與旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂相連，通過特殊設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多工位的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配對(duì)象的鉆孔、锪窩、點(diǎn)膠、鉚接、端頭銑平等不同工序.

圖1 自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Whole structure of the automatic drilling and riveting robot

關(guān)節(jié)機(jī)械臂由2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和基座組成，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)兩端面回轉(zhuǎn)軸線夾角為135°.2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)擁有獨(dú)立的控制單元，通過兩者的協(xié)同調(diào)整，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器末端點(diǎn)位姿的調(diào)整，其位姿調(diào)整如圖2所示.

圖2 不同位姿的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械臂模型Fig.2 Different attitudes of the rotary joint manipulator model

2 自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行單元設(shè)計(jì)

末端執(zhí)行器工位盤上集合安裝了多道工序的執(zhí)行部件，包括4個(gè)高速電主軸和1個(gè)電子伺服壓力驅(qū)動(dòng)器，整體結(jié)構(gòu)如圖3所示.其中，3個(gè)電主軸完成不同孔徑的鉆锪孔加工，1個(gè)電主軸完成端頭銑平的加工，電子伺服壓力驅(qū)動(dòng)器完成壓鉚動(dòng)作.通過轉(zhuǎn)臺(tái)的分度擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同執(zhí)行部件工位的轉(zhuǎn)換，工序的連續(xù)性消除了重復(fù)工裝引起的定位誤差對(duì)鉚接質(zhì)量和精度的影響.

圖3 多工位末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Whole structure of the multi stations end actuator

2.1 制孔單元設(shè)計(jì)

根據(jù)飛機(jī)壁板的裝配工藝要求，制孔單元主要完成對(duì)壁板工件的鉆孔、锪孔、銑孔這3道工序.末端執(zhí)行器采用高速電主軸實(shí)現(xiàn)制孔工序，并使用鉆锪孔復(fù)合刀具，在一次加工過程中，完成鉆孔和锪孔的工藝復(fù)合.配備氣缸驅(qū)動(dòng)的頂壓裝置，頂端與聚氨酯頂套配合，對(duì)蒙皮和桁條施加夾緊力，從而避免夾層間多余物的產(chǎn)生，提高了鉆削質(zhì)量.頂壓裝置的內(nèi)槽集成了點(diǎn)膠裝置，待鉆锪孔動(dòng)作完成后，由氣缸驅(qū)動(dòng)點(diǎn)膠頭至待鉚孔中點(diǎn)膠，進(jìn)一步保證了壁板工件的氣密性要求.

2.2 伺服壓鉚單元設(shè)計(jì)

選用電子伺服壓力驅(qū)動(dòng)器作為鉚接的執(zhí)行元件，驅(qū)動(dòng)器頂桿的頭部配備自動(dòng)送釘裝置，實(shí)現(xiàn)鉚接過程全自動(dòng)化.由真空氣管將鉚釘送至鉚釘夾持部分，由電子伺服壓力驅(qū)動(dòng)器提供壓鉚力，完成飛機(jī)壁板的鉚接工序.驅(qū)動(dòng)器主要由伺服電機(jī)和行星滾柱絲杠組成，伺服電機(jī)提供壓鉚驅(qū)動(dòng)力，行星滾柱絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，完成鉚頭的頂壓動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)高精度的靜壓伺服鉚接.

3 主要運(yùn)動(dòng)自由度

為滿足自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人的自動(dòng)調(diào)整功能，選用5自由度機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu).通過機(jī)器人5個(gè)自由度的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆孔、锪孔、點(diǎn)膠、送釘、壓鉚、銑削這6道工序.自由度包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和2個(gè)移動(dòng)自由度：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械臂通過2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度完成該機(jī)器人姿態(tài)的調(diào)整；末端執(zhí)行器通過2個(gè)移動(dòng)自由度完成頂壓裝置和執(zhí)行元件的直線進(jìn)給動(dòng)作，通過1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度完成自動(dòng)鉆鉚工位的轉(zhuǎn)換動(dòng)作.

4 運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算

旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械臂需要通過2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的同步調(diào)整來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位姿調(diào)整，以找正待加工零件表面的法向位置，實(shí)施加工動(dòng)作.機(jī)器人為2自由度串聯(lián)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，且2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線為非正交軸線，其末端空間運(yùn)動(dòng)軌跡不能采用傳統(tǒng)的D-H坐標(biāo)變換法［4］（該方法要求機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸線在空間滿足正交或平行關(guān)系）計(jì)算，因此，采用齊次坐標(biāo)變換法來計(jì)算該執(zhí)行機(jī)器人末端的空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài).

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，將各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系固定在下關(guān)節(jié)處，且依次編號(hào)為0，1，2，3，4.其中，坐標(biāo)系1中O1（O0）為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1下端面圓心（基座坐標(biāo)原點(diǎn)），坐標(biāo)系2中O2為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2下端面圓心，坐標(biāo)系3中O3為機(jī)械臂安裝面圓心，坐標(biāo)系4的O4為末端執(zhí)行器的執(zhí)行加工位置點(diǎn)，利用齊次坐標(biāo)變換的方法計(jì)算O4的空間位置矢量.

建立初始位置坐標(biāo)系如圖4所示，關(guān)節(jié)兩端面軸線交點(diǎn)到端面的距離均為a，機(jī)械臂安裝面與鉚接軸線間的距離為b，工位轉(zhuǎn)換回轉(zhuǎn)軸線與鉚接末端位置點(diǎn)距離為c；θ1為關(guān)節(jié)1的轉(zhuǎn)角，θ2為關(guān)節(jié)2的轉(zhuǎn)角，α為坐標(biāo)系1的Z向與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2的旋轉(zhuǎn)軸之間的夾角，β為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2的旋轉(zhuǎn)軸與坐標(biāo)系3的Z向的夾角.

已知：0°≤θ1≤360°，0°≤θ2≤360°，α=β=45°，a=52 mm，b=440 mm，c=750 mm.令sinθ1=s1，sinθ2=s2，cosθ1=c1，cosθ2=c2，e=sin 45°= cos 45°.

圖4 基礎(chǔ)坐標(biāo)系Fig.4 Base coordinate system

a.O1到O2的坐標(biāo)變換：先繞X1軸順時(shí)針轉(zhuǎn)α=45°，再平移h，最后繞Z1軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)θ1.

b.O2到O3的坐標(biāo)變換：先繞繞X2軸順時(shí)針轉(zhuǎn)β=45°，再平移h，最后Z2軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)θ2.

c.O3到O4的坐標(biāo)變換：先繞X3軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°，再平移h1.

d.O1到O4的坐標(biāo)變換

其中

利用MATLAB軟件仿真［5］，得出O1到O4的坐標(biāo)變換空間軌跡圖，結(jié)果如圖5所示，運(yùn)動(dòng)空間在XY平面和XZ平面上的投影如圖6所示.

圖5 運(yùn)動(dòng)空間仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of motion space

從以上仿真結(jié)果可知，通過2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械臂的同步調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器如仿真空間位置的運(yùn)動(dòng)路徑，其空間運(yùn)動(dòng)軌跡類似倒置的碗狀結(jié)構(gòu)，在XY平面上的投影為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在XZ平面上的投影為類似梯形結(jié)構(gòu)，該梯形兩腰邊為曲率變化的弧線.仿真的結(jié)構(gòu)圖說明了該自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(nèi)的變曲率飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚工作.

5 基于ADAMS軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析

利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真［6］，校驗(yàn)自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人在MATLAB軟件中的仿真結(jié)果，在ADAMS中建立的簡化模型如圖7所示.

定義旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的速度分別為1°／s和360°／s，運(yùn)動(dòng)時(shí)間設(shè)置為360 s，仿真完畢后即可得到該機(jī)器人末端在空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示.

圖7 ADAMS簡化模型Fig.7 Simplified model in ADAMS

圖8 ADAMS仿真結(jié)果圖Fig.8 Simulation results in ADAMS

圖9 ADAMS中運(yùn)動(dòng)空間在XY平面和XZ平面的投影Fig.9 Projection of space motion in XY plane and XZ plane in ADAMS

由仿真結(jié)果可以看出，ADAMS仿真結(jié)果顯示的末端運(yùn)動(dòng)空間軌跡基本和MATLAB仿真結(jié)果一致，證明了該自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間計(jì)算的正確性，也進(jìn)一步驗(yàn)證了該自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(nèi)的變曲率飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚工作.

6 結(jié)束語

以多工位自動(dòng)鉆鉚末端執(zhí)行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，介紹了該機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)動(dòng)組成，利用齊次坐標(biāo)變換的方法計(jì)算了其關(guān)節(jié)機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)軌跡，并用MATLAB仿真出空間運(yùn)動(dòng)軌跡結(jié)果，基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了其空間運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算的正確性，驗(yàn)證了該自動(dòng)鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)在一定范圍內(nèi)的變曲率飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚工作.結(jié)果表明，該多工位自動(dòng)鉆鉚末端執(zhí)行器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)完全滿足預(yù)期設(shè)計(jì).

由于鉆鉚執(zhí)行器采用了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其剛性和強(qiáng)度以及空間結(jié)構(gòu)還需要后續(xù)進(jìn)一步的優(yōu)化研究.基于機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)需要雙機(jī)器人協(xié)同動(dòng)作才能完成高質(zhì)量和高精度的鉚接工作，本文只研究了鉆鉚執(zhí)行機(jī)器人，其對(duì)應(yīng)的頂壓執(zhí)行機(jī)器人還需要進(jìn)一步的研究.

［1］ 王黎明，馮潼能.數(shù)字化自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在飛機(jī)制造中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2008（11）：42-45.

［2］ 李菡，余德忠.一種基于雙機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚終端器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，29（10）：1297-1301.

［3］ 應(yīng)高明，王仲奇，康永剛，等.飛機(jī)壁板自動(dòng)鉆鉚法向量測(cè)量方法研究［J］.機(jī)床與液壓，2010，38（23）：1-4.

［4］ 蔡自興.機(jī)器人學(xué)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［5］ 蘇金明，阮沈勇.MATLAB 6.1實(shí)用指南［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

［6］ 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

（編輯：石 瑛）

Design and Simulation of a Robot for Drilling and Riveting Variable Curvature Panels

HANZhao1， FAN Jiang-long1， TAN Yun-dong1， LIUGang2
（1.School of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；
2.Shanghai Special CNCEquipment and Process Engineering Technology Research Center，Shanghai 201111，China）

An automatic drilling and riveting robot was designed，consisting of end actuators and a multi-joint rotary robotic arm.The end-effector achieves the operation substitution between different executions unit stations through swinging a conversion table by virtue of its indexing swinging structure.The end-effector works together with the rotary joints of the manipulator to achieve the flexible automation of processing and assembling.The MATLAB simulation was adopted to obtatin the arm motion trajectory，and then the characteristics of the motion space of rotary mechanical arm were tested by using ADMAS simulation.The motion trajectory of the arm can meet the needs of variable curvature panel production.

automatic drilling and riveting robot；end-effector；rotary joint manipulator；MATLAB software；ADAMS software

TP 242.3

A

2013-08-07

上海市航天基金資助項(xiàng)目（HTJ10-20）；上海市科委資助項(xiàng)目（12DZ2250500）

韓 釗（1988-），男，碩士研究生.研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化.E-mail：13917657357＠139.com

1007-6735（2014）04-0375-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.014