基于機(jī)械手的飛機(jī)部件鉚接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙俊英 余豐闖 哈 博 鄧聯(lián)喜

（1.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 汽車與軌道交通學(xué)院，天津 300350；2.珠海市技師學(xué)院 智能控制系，珠海 519000）

航天航空裝備制造業(yè)是影響國民生活、經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)。裝配過程是影響其生產(chǎn)周期的因素之一[1]。飛機(jī)的裝配過程以螺紋鉚接為主體，因此飛機(jī)鉚接質(zhì)量對飛機(jī)壽命影響很大[2]。

傳統(tǒng)人工鉚接的工作流程包括制孔、擴(kuò)孔、注膠以及鉚接等步驟[3]。航空制造業(yè)的發(fā)展對飛機(jī)的裝配要求越來越高，而人工鉚接在加工精度、效率、質(zhì)量以及準(zhǔn)確性方面均存在不足[4]，使得自動鉚接技術(shù)在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用越來越廣泛。例如，在波音公司旗下，B-747裝配過程中自動鉚接占總加工量的73%[5]?？梢?，基于機(jī)械手的自動鉚接技術(shù)是一個重要的發(fā)展方向[6]。對機(jī)身大面積表面和機(jī)身機(jī)翼結(jié)合處的空間進(jìn)行操作時，由于裝配要求高，空間狹小，導(dǎo)致人工操作困難。運(yùn)用機(jī)械手自動鉚接可解決這一問題，提高鉚接飛機(jī)部件的自動化鉚接程度。

基于以上背景，文章設(shè)計(jì)并搭建了基于機(jī)械手的飛機(jī)部件鉚接系統(tǒng)，并對控制方案進(jìn)行了分析探究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用三菱FX2N可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為總體控制器，利用三菱RV-2SQ機(jī)械手和頂鐵單元，通過輸送單元自動傳送至飛機(jī)蒙皮下，配合完成自動鉚接過程[7]。

1.2 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器的主要作用是制孔、送釘、與頂鐵配合完成壓鉚。根據(jù)制孔需要，機(jī)械手制孔系統(tǒng)主要由法向檢測系統(tǒng)、壓緊系統(tǒng)、打孔系統(tǒng)、送釘系統(tǒng)及鉚接系統(tǒng)組成。壓緊機(jī)構(gòu)主要由氣缸、壓力傳感器及支架組成。整個壓緊機(jī)構(gòu)由一個氣缸向前推動，通過調(diào)節(jié)閥來控制氣缸的活動范圍、速度以及力的大小。鉆孔機(jī)構(gòu)主要包括兩個電機(jī)、絲杠滑臺和刀具，采用伺服電機(jī)作為進(jìn)給電機(jī)，采用直流電機(jī)作為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，作動力輸。送釘機(jī)構(gòu)主要由送釘裝置氣缸、輸釘管以及套筒構(gòu)成。由于鉚釘體積小、質(zhì)量輕，故套筒選用鋁合金材質(zhì)。

末端執(zhí)行器通過法蘭與機(jī)械手連接。完成打孔工作后，機(jī)械手只需要上下移動一定距離，便可以開始送釘工作。

1.3 機(jī)械手移動裝置

機(jī)械手的運(yùn)動范圍有限，為了完成對飛機(jī)蒙皮的制孔任務(wù)，設(shè)計(jì)傳輸導(dǎo)軌來達(dá)到擴(kuò)大其運(yùn)動范圍的目的。運(yùn)行時，將機(jī)械手與移動滑臺連接，由伺服電機(jī)驅(qū)動同步導(dǎo)軌使滑臺移動，由導(dǎo)軌兩端的限位傳感器限制滑塊的移動范圍。

移動滑臺會根據(jù)指令位置移動到蒙皮制孔區(qū)域，以達(dá)到對機(jī)械手進(jìn)行輔助定位的目的。該機(jī)械手輸送單元的運(yùn)動具有以下特點(diǎn)[8]。第一，行程長。由于該型號機(jī)械手的運(yùn)動范圍只有500～1 000 mm，而飛機(jī)蒙皮的尺寸較大，制孔區(qū)域較廣，為了能夠滿足加工要求，將導(dǎo)軌的長度設(shè)計(jì)為2 m。第二，精度高。機(jī)械手自動鉆孔系統(tǒng)對加工孔的定位精度不僅受機(jī)械手自身的定位精度影響，而且傳輸單元的運(yùn)動精度同樣是決定制孔精度的關(guān)鍵。第三，快速穩(wěn)定。在保證移動滑臺運(yùn)動平穩(wěn)的情況下，應(yīng)盡可能提高傳送速度，保證機(jī)械手自動鉆孔的效率。

1.4 頂鐵移動裝置

頂鐵移動裝置是由電機(jī)帶動絲杠完成水平、豎直方向移動，以滿足兩個自由度的工作要求。機(jī)械手工作時，通過舵機(jī)控制它上方的傾斜器旋轉(zhuǎn)方向和角度來帶動連接關(guān)節(jié)的運(yùn)動，從而滿足控制機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)。本文鉚接裝置上安裝兩部舵機(jī)控制機(jī)械手左右擺動和上下擺動，可滿足旋轉(zhuǎn)方向兩個自由度。

1.5 待加工件夾具

對于飛機(jī)蒙皮等薄壁類部件，在加工環(huán)節(jié)容易發(fā)生塑性形變。因此，設(shè)計(jì)時應(yīng)保證夾具對飛機(jī)蒙皮在制孔過程中的剛度，同時需易于拆卸，不應(yīng)在操作上存在太大的難度。當(dāng)夾具對蒙皮夾緊時，飛機(jī)蒙皮的定位不可被破壞，因此要選擇最佳的著力點(diǎn)和夾緊力方向。同時，蒙皮夾緊后的形變及受壓表面的影響程度要保證不超過允許的范圍。綜上所述，設(shè)計(jì)了如圖1中所示的飛機(jī)蒙皮夾具。

2 運(yùn)行方案

機(jī)械手自動鉚接時受到移動范圍限制，但是飛機(jī)蒙皮的尺寸大且需要鉚接點(diǎn)眾多?；诖饲闆r，如果通過移動單元頻繁改變機(jī)械手的位置，會降低效率，造成能源浪費(fèi)。在保證制孔精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，為提高工作效率，進(jìn)行了機(jī)械手運(yùn)動路徑優(yōu)化。

例如，對于如圖1所示的飛機(jī)蒙皮部分，在鉚接方案中將其分為3塊區(qū)域，如圖2所示。首先，將機(jī)械手移動到第一位置點(diǎn)，對P1-P4、P31-P34點(diǎn)進(jìn)行制孔。其次，移動到第二制孔區(qū)域，分別對P5-P8、P27-P30、P56-P60、P46-P50、P51-P55、P61-P65點(diǎn)進(jìn)行制孔。最后，機(jī)械手將會移動到第三位置點(diǎn)，對P9-P12、P23-P26、P13-P22、P35-P45點(diǎn)進(jìn)行制孔。由于在同一孔排位置進(jìn)行制孔時，機(jī)械手的姿態(tài)不會發(fā)生改變，因此在程序編輯中主要以托盤碼垛的指令方法進(jìn)行制孔，提高制孔效率。

圖3為鉚接系統(tǒng)工作流程圖。系統(tǒng)上電并啟動后，機(jī)械手和頂鐵移動裝置開始運(yùn)動，同步進(jìn)行制孔位置定位。定位準(zhǔn)確后，機(jī)械手末端執(zhí)行器壓緊氣缸伸出，實(shí)現(xiàn)工件壓緊；完成工件壓緊后，直流電機(jī)帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)通過絲杠使鉆頭前進(jìn)完成打孔；打孔結(jié)束后，直流電機(jī)和伺服電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)退刀功能；退刀結(jié)束后，壓緊單元?dú)飧卓s回，機(jī)械手整體上移，送釘氣缸工作進(jìn)行送釘；接著末端執(zhí)行器變位到壓鉚姿態(tài)，同時頂鐵調(diào)整至與該點(diǎn)中法線垂直姿態(tài)，并沿中法線方向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)壓鉚[9]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選取尺寸為1 200 mm×600 mm的飛機(jī)蒙皮進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。一方面，進(jìn)行手動運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)點(diǎn)的位置判斷機(jī)械手的運(yùn)動范圍和動作順序，判斷是否對周圍部件發(fā)生干涉等錯誤現(xiàn)象。另一方面，進(jìn)行自動運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，記錄并測試自動鉚接系統(tǒng)完成工作的完整性、穩(wěn)定性、精度和效率等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合飛機(jī)部件鉚接需求[10-11]。

4 結(jié)語

針對飛機(jī)上的部件形狀材料復(fù)雜、加工難度高、形位精度要求嚴(yán)格等特性，設(shè)計(jì)并搭建了基于機(jī)械手的飛機(jī)部件自動鉚接系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了末端執(zhí)行器、機(jī)械手移動裝置、頂鐵移動裝置以及待加工件夾具等，分析并探究了保障制孔精度的控制方案。利用該系統(tǒng)對某飛機(jī)蒙皮模型進(jìn)行自動鉚接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該系統(tǒng)達(dá)到了精度要求，具有一定的穩(wěn)定性，同時提高了鉚接效率。