變曲率飛機壁板鉆鉚執行機器人的設計與仿真

韓 釗， 方江龍， 譚云東， 劉 鋼

（1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；

2.上海特種數控裝備及工藝工程技術研究中心，上海 201111）

變曲率飛機壁板鉆鉚執行機器人的設計與仿真

韓 釗1， 方江龍1， 譚云東1， 劉 鋼2

（1.上海理工大學機械工程學院，上海 200093；

2.上海特種數控裝備及工藝工程技術研究中心，上海 201111）

自動鉆鉚執行機器人設計結構由末端執行器和多關節旋轉機械臂組成.末端執行器通過轉臺結構的分度擺動實現不同執行部件工位的轉換.末端執行器通過與旋轉關節機械臂的協同作用，實現柔性自動化加工裝配.用MATLAB軟件仿真得到該機械臂的運動空間軌跡，再通過ADAMS軟件仿真檢驗旋轉機械臂的運動空間特性，滿足變曲率壁板生產的需要.

自動鉆鉚；末端執行器；旋轉關節機械臂；MATLAB軟件；ADAMS軟件

自動鉆鉚技術是當前航空航天零部件裝配中的核心技術［1］，尤其在機身、機翼壁板組件裝配中使用較多.由于自動鉆鉚技術可一次性完成夾緊、鉆锪孔、送釘及鉚接等工藝［2］，本文設計開發了具有工位高度集成化、結構緊湊等特點的自動鉆鉚執行機器人.針對大型復雜飛機曲面壁板曲率變化的特點，自動鉆鉚加工前需要找正待鉚點法向才能完成鉆鉚動作［3］.傳統的鉚接機床無法適應變曲率壁板工件的鉚接工作，通過改良工裝的方式來實現曲面法向的調整，會使機床結構復雜、體積龐大，運動控制和精度都難以保證.為此，本文提出了具有姿態調整功能的自動鉆鉚執行機器人的設計，該機器人有效地提高了飛機的裝配效率和裝配質量，提高了飛機的結構疲勞壽命和整機性能.

1 自動鉆鉚執行機器人的基本組成

自動鉆鉚執行機器人由末端執行器和多關節旋轉機械臂組成，其整體結構如圖1所示.末端執行器主要由高速電主軸、頂壓裝置、自動點膠設備、電子伺服壓力驅動器、自動送釘裝置等組成.末端執行器由端面法蘭與旋轉機械臂相連，通過特殊設計的轉臺結構實現多工位的轉換，從而實現了對裝配對象的鉆孔、锪窩、點膠、鉚接、端頭銑平等不同工序.

圖1 自動鉆鉚執行機器人的整體結構圖Fig.1 Whole structure of the automatic drilling and riveting robot

關節機械臂由2個旋轉關節和基座組成，旋轉關節兩端面回轉軸線夾角為135°.2個旋轉關節擁有獨立的控制單元，通過兩者的協同調整，實現末端執行器末端點位姿的調整，其位姿調整如圖2所示.

圖2 不同位姿的旋轉關節機械臂模型Fig.2 Different attitudes of the rotary joint manipulator model

2 自動鉆鉚執行單元設計

末端執行器工位盤上集合安裝了多道工序的執行部件，包括4個高速電主軸和1個電子伺服壓力驅動器，整體結構如圖3所示.其中，3個電主軸完成不同孔徑的鉆锪孔加工，1個電主軸完成端頭銑平的加工，電子伺服壓力驅動器完成壓鉚動作.通過轉臺的分度擺動實現不同執行部件工位的轉換，工序的連續性消除了重復工裝引起的定位誤差對鉚接質量和精度的影響.

圖3 多工位末端執行器的整體結構Fig.3 Whole structure of the multi stations end actuator

2.1 制孔單元設計

根據飛機壁板的裝配工藝要求，制孔單元主要完成對壁板工件的鉆孔、锪孔、銑孔這3道工序.末端執行器采用高速電主軸實現制孔工序，并使用鉆锪孔復合刀具，在一次加工過程中，完成鉆孔和锪孔的工藝復合.配備氣缸驅動的頂壓裝置，頂端與聚氨酯頂套配合，對蒙皮和桁條施加夾緊力，從而避免夾層間多余物的產生，提高了鉆削質量.頂壓裝置的內槽集成了點膠裝置，待鉆锪孔動作完成后，由氣缸驅動點膠頭至待鉚孔中點膠，進一步保證了壁板工件的氣密性要求.

2.2 伺服壓鉚單元設計

選用電子伺服壓力驅動器作為鉚接的執行元件，驅動器頂桿的頭部配備自動送釘裝置，實現鉚接過程全自動化.由真空氣管將鉚釘送至鉚釘夾持部分，由電子伺服壓力驅動器提供壓鉚力，完成飛機壁板的鉚接工序.驅動器主要由伺服電機和行星滾柱絲杠組成，伺服電機提供壓鉚驅動力，行星滾柱絲杠將旋轉運動轉換為直線運動，完成鉚頭的頂壓動作，實現高精度的靜壓伺服鉚接.

3 主要運動自由度

為滿足自動鉆鉚執行機器人的自動調整功能，選用5自由度機械運動結構.通過機器人5個自由度的協同運動，實現自動鉆孔、锪孔、點膠、送釘、壓鉚、銑削這6道工序.自由度包括3個旋轉自由度和2個移動自由度：旋轉關節機械臂通過2個旋轉自由度完成該機器人姿態的調整；末端執行器通過2個移動自由度完成頂壓裝置和執行元件的直線進給動作，通過1個轉動自由度完成自動鉆鉚工位的轉換動作.

4 運動學方程的計算

旋轉關節機械臂需要通過2個旋轉關節的同步調整來實現實時位姿調整，以找正待加工零件表面的法向位置，實施加工動作.機器人為2自由度串聯機械臂結構，且2個旋轉關節軸線為非正交軸線，其末端空間運動軌跡不能采用傳統的D-H坐標變換法［4］（該方法要求機器人關節運動軸線在空間滿足正交或平行關系）計算，因此，采用齊次坐標變換法來計算該執行機器人末端的空間運動姿態.

在進行運動學分析時，將各個關節的坐標系固定在下關節處，且依次編號為0，1，2，3，4.其中，坐標系1中O1（O0）為旋轉關節1下端面圓心（基座坐標原點），坐標系2中O2為旋轉關節2下端面圓心，坐標系3中O3為機械臂安裝面圓心，坐標系4的O4為末端執行器的執行加工位置點，利用齊次坐標變換的方法計算O4的空間位置矢量.

建立初始位置坐標系如圖4所示，關節兩端面軸線交點到端面的距離均為a，機械臂安裝面與鉚接軸線間的距離為b，工位轉換回轉軸線與鉚接末端位置點距離為c；θ1為關節1的轉角，θ2為關節2的轉角，α為坐標系1的Z向與旋轉關節2的旋轉軸之間的夾角，β為旋轉關節2的旋轉軸與坐標系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 基礎坐標系Fig.4 Base coordinate system

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

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

c.O3到O4的坐標變換：先繞X3軸逆時針轉90°，再平移h1.

d.O1到O4的坐標變換

其中

利用MATLAB軟件仿真［5］，得出O1到O4的坐標變換空間軌跡圖，結果如圖5所示，運動空間在XY平面和XZ平面上的投影如圖6所示.

圖5 運動空間仿真結果Fig.5 Simulation results of motion space

從以上仿真結果可知，通過2個旋轉關節機械臂的同步調整，可以實現末端執行器如仿真空間位置的運動路徑，其空間運動軌跡類似倒置的碗狀結構，在XY平面上的投影為環狀結構，在XZ平面上的投影為類似梯形結構，該梯形兩腰邊為曲率變化的弧線.仿真的結構圖說明了該自動鉆鉚執行機器人能夠實現在一定范圍內的變曲率飛機壁板自動鉆鉚工作.

5 基于ADAMS軟件的運動學仿真與分析

利用ADAMS軟件進行運動學仿真［6］，校驗自動鉆鉚執行機器人在MATLAB軟件中的仿真結果，在ADAMS中建立的簡化模型如圖7所示.

定義旋轉關節1和關節2的速度分別為1°／s和360°／s，運動時間設置為360 s，仿真完畢后即可得到該機器人末端在空間內的運動軌跡，仿真結果如圖8和圖9所示.

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

圖8 ADAMS仿真結果圖Fig.8 Simulation results in ADAMS

圖9 ADAMS中運動空間在XY平面和XZ平面的投影Fig.9 Projection of space motion in XY plane and XZ plane in ADAMS

由仿真結果可以看出，ADAMS仿真結果顯示的末端運動空間軌跡基本和MATLAB仿真結果一致，證明了該自動鉆鉚執行機器人運動空間計算的正確性，也進一步驗證了該自動鉆鉚執行機器人能夠實現在一定范圍內的變曲率飛機壁板自動鉆鉚工作.

6 結束語

以多工位自動鉆鉚末端執行機器人的結構設計為基礎，介紹了該機器人的基本結構形式、運動組成，利用齊次坐標變換的方法計算了其關節機械臂的空間運動軌跡，并用MATLAB仿真出空間運動軌跡結果，基于ADAMS的運動學仿真進一步驗證了其空間運動軌跡計算的正確性，驗證了該自動鉆鉚執行機器人能夠實現在一定范圍內的變曲率飛機壁板自動鉆鉚工作.結果表明，該多工位自動鉆鉚末端執行器人結構和運動設計完全滿足預期設計.

由于鉆鉚執行器采用了機器人的結構，其剛性和強度以及空間結構還需要后續進一步的優化研究.基于機器人的自動鉆鉚技術需要雙機器人協同動作才能完成高質量和高精度的鉚接工作，本文只研究了鉆鉚執行機器人，其對應的頂壓執行機器人還需要進一步的研究.

［1］ 王黎明，馮潼能.數字化自動鉆鉚技術在飛機制造中的應用［J］.航空制造技術，2008（11）：42-45.

［2］ 李菡，余德忠.一種基于雙機器人的自動鉆鉚終端器設計［J］.機械科學與技術，2010，29（10）：1297-1301.

［3］ 應高明，王仲奇，康永剛，等.飛機壁板自動鉆鉚法向量測量方法研究［J］.機床與液壓，2010，38（23）：1-4.

［4］ 蔡自興.機器人學［M］.北京：清華大學出版社，2000.

［5］ 蘇金明，阮沈勇.MATLAB 6.1實用指南［M］.北京：電子工業出版社，2002.

［6］ 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術入門與提高［M］.北京：機械工業出版社，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目（HTJ10-20）；上海市科委資助項目（12DZ2250500）

韓 釗（1988-），男，碩士研究生.研究方向：機械設計制造及其自動化.E-mail：13917657357＠139.com

1007-6735（2014）04-0375-05

10.13255／j.cnki.jusst.2014.04.014