飛機(jī)整機(jī)自動噴涂系統(tǒng)初探

張 波，劉 晨，趙宏劍，盧 野，朱鵬濤

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120；2.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，沈陽 110000）

0 引言

據(jù)資料表明美國軍用飛機(jī)廣泛采用機(jī)器人自動噴涂裝備，如B-2轟炸機(jī)采用機(jī)器人噴涂系統(tǒng)噴涂其特種涂料涂層。該系統(tǒng)包含的4臺機(jī)器人。每臺獨(dú)立控制的機(jī)器人被安排用來噴涂B-2的某一部分，其余部分由人工補(bǔ)噴。

F-22戰(zhàn)斗機(jī)整機(jī)也是采用機(jī)器人噴涂方式，采用6 軸機(jī)器人安裝在3 自由度直角坐標(biāo)變位機(jī)上，噴槍水平活動范圍可達(dá)8.4m，高度可達(dá)7.8m。飛機(jī)安裝在移動承載臺車上，在噴漆室內(nèi)進(jìn)行定位，采用iGPS進(jìn)行飛機(jī)位姿檢測，在噴涂過程中還可以將飛機(jī)舉升到一定高度，方便機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)下表面噴涂。F-35也采用類似的噴涂設(shè)備[1]。

在飛機(jī)大部件噴涂方面，國內(nèi)也有研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。2011年由沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司承擔(dān)的科技重大專項“飛機(jī)進(jìn)氣道及尾翼自動噴涂裝備”課題項目，研制出飛機(jī)進(jìn)氣道和尾翼自動噴涂裝備[2～4]。

然而，我國飛機(jī)整機(jī)表面?zhèn)鹘y(tǒng)涂層的噴涂作業(yè)還完全依賴人工，存在施工環(huán)境差、作業(yè)難度大、涂層精度低等缺點(diǎn)，同時人工作業(yè)過程無法實現(xiàn)對噴涂姿態(tài)、油漆流量、噴槍霧化效果和噴涂軌跡等的控制，以致無法滿足涂層的一致性和均勻性要求。另外，特種涂料涂層厚度厚，工藝施工需多遍噴涂，人工作業(yè)的施工效率也無法滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求，因此，自動化涂裝是飛機(jī)涂裝技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，自動噴涂設(shè)備是當(dāng)前飛機(jī)涂料噴涂的必要裝備。而該裝備國內(nèi)還沒有成熟的噴涂設(shè)備可供使用。

本文對飛機(jī)整機(jī)自動噴涂系統(tǒng)進(jìn)行初步的分析。系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、供漆系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。

本文介紹機(jī)械系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的設(shè)計。

1 機(jī)械系統(tǒng)

飛機(jī)噴涂范圍大，表面復(fù)雜。以沈飛公司生產(chǎn)的J11B飛機(jī)為例，飛機(jī)外形尺寸為機(jī)長22米，機(jī)高5.935米，翼展14.948米，噴涂區(qū)域可分為機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、平尾等部位，需要進(jìn)行水平、傾斜、垂直表面和復(fù)雜曲面噴涂。即使將飛機(jī)表面分成不同區(qū)域，采用多臺機(jī)器人同時作業(yè)，噴涂機(jī)器人的工作空間也無法滿足要求。因此需要設(shè)計不同形式和布局的多自由度，大行程，高負(fù)載的機(jī)器人變位機(jī)，擴(kuò)大機(jī)器人可達(dá)工作范圍。

變位機(jī)系統(tǒng)包括一套飛機(jī)整機(jī)上表面自動噴涂的3自由度變位機(jī)和兩套飛機(jī)整機(jī)下表面噴涂的2自由度變位機(jī)，下表面變位機(jī)分置在飛機(jī)兩側(cè)，分別實現(xiàn)飛機(jī)下表面左右半?yún)^(qū)的噴涂，系統(tǒng)布置如圖1所示。

上表面噴涂系統(tǒng)變位機(jī)包括：1套沿機(jī)身縱向運(yùn)動的X軸、1套沿飛機(jī)橫向運(yùn)動的Y軸和1套沿飛機(jī)高度運(yùn)動的Z軸和用于維修和檢測的走臺等附屬設(shè)施。

圖1 自動噴涂系統(tǒng)布置圖

圖2 上表面噴涂系統(tǒng)變位機(jī)

X軸安放在在噴涂車間側(cè)面牛腿的2根工字梁上，包括大車、驅(qū)動裝置，車輪、走臺等部分。大車由端梁和縱梁組成，在縱梁上設(shè)有工字梁和導(dǎo)向梁，用于Y軸的導(dǎo)向。由兩側(cè)伺服電機(jī)同步驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動，在牛腿的工字梁上運(yùn)動。

Y軸包括小車、驅(qū)動裝置、導(dǎo)輪、齒輪齒條副、車輪等。齒條固定在X軸的縱梁上，交流伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪回轉(zhuǎn)，帶動小車在X軸縱梁軌道上運(yùn)動。導(dǎo)輪用于防止小車在噴涂時發(fā)生晃動。

Z軸包括驅(qū)動電機(jī)、螺旋升降器、4根直線導(dǎo)向副、纜線拖鏈、機(jī)器人安裝平臺，驅(qū)動伺服電機(jī)等部分，電機(jī)、螺旋升降器固定在Y軸小車車體上。由螺旋升降器絲桿帶動機(jī)器人平臺上下運(yùn)動。噴涂機(jī)器人安放在機(jī)器人平臺上。

下表面噴涂系統(tǒng)變位機(jī)包括沿機(jī)身縱向運(yùn)動的X軸和沿飛機(jī)橫向運(yùn)動的Y軸。

X軸由交流伺服電機(jī)及減速機(jī)組、滑板、直線導(dǎo)軌副、齒輪齒條副、導(dǎo)軌基座、防塵裝置、輔助支撐鋼軌等部分組成。鋼軌和防塵裝置支撐平面與地面平行，便于其他裝備通行。

Y運(yùn)動軸由箱體、交流伺服電機(jī)及減速機(jī)組、滑板、直線導(dǎo)軌副、滾珠絲杠副，輔助支撐車輪等部分組成。電機(jī)驅(qū)動絲杠回轉(zhuǎn)，帶動螺母和滑板運(yùn)動。機(jī)器人安放在滑板上。

圖3 下表面噴涂系統(tǒng)變位機(jī)

2 定位檢測系統(tǒng)

目前飛機(jī)進(jìn)出噴漆廠房采用牽引車拖曳的方式。飛機(jī)體積巨大、移動困難，無法在噴房內(nèi)實現(xiàn)精確定位，因此需要開發(fā)飛機(jī)位姿數(shù)字化檢測及噴涂軌跡糾偏技術(shù)，測量飛機(jī)噴涂位置和示教位置之間的偏差值，用以補(bǔ)償飛機(jī)整機(jī)噴涂時機(jī)器人運(yùn)行軌跡偏差，以達(dá)到預(yù)期的噴涂效果。

目前常用的定位系統(tǒng)有激光跟蹤儀和IGPS。和標(biāo)準(zhǔn)全球定位系統(tǒng)類似，IGPS同樣是基于三角定位法的測量技術(shù)。與激光跟蹤儀相比，IGPS可以同時測量多個目標(biāo)點(diǎn)位置，且可以在車間內(nèi)進(jìn)行全局測量，測量點(diǎn)位置選擇更加靈活。測量準(zhǔn)備時間也更短，與此同時精度與激光跟蹤儀相差無幾。

IGPS系統(tǒng)包括多套激光發(fā)射器、標(biāo)準(zhǔn)桿、手持式探針、若干套動態(tài)跟蹤器，以及控制系統(tǒng)組成。布置方式如圖4所示。動態(tài)跟蹤器安放在飛機(jī)特定的標(biāo)記點(diǎn)上。

圖4 IGPS工作示意圖

3 結(jié)論

研究飛機(jī)整機(jī)自動噴涂裝備，可以解決噴涂作業(yè)周期過長和涂層質(zhì)量難以控制等問題，實現(xiàn)飛機(jī)制造從傳統(tǒng)的手工噴涂作業(yè)向高效、智能、精確的自動化噴涂作業(yè)的跨越，滿足飛機(jī)整機(jī)性能指標(biāo)，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增強(qiáng)新一代飛機(jī)快速研制生產(chǎn)能力，提高航空工業(yè)核心競爭力。在國內(nèi)大力發(fā)展航空工業(yè)和國防工業(yè)的背景環(huán)境下，具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

[1]Seegmiller N A.Precision robotic coating application and thickness control optimization for F-35 final finishes[J].SAE Journal,2010(3).

[2]趙宏劍,王崇,張波,王剛.桶形工件內(nèi)表面自動涂裝解決方案[J].制造業(yè)自動化,34(12)：74-77.

[3]林青,沙春鵬,張波,徐磊,孫德奎,劉晨,趙宏劍,王崇.飛機(jī)進(jìn)氣道自動噴涂設(shè)備研制[J].制造業(yè)自動化,35(1)：92-93.

[4]趙宏劍,王剛,張波,沙春鵬,李慧,劉晨.飛機(jī)尾翼自動噴涂系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化,35(1)：153-156.