飛機(jī)自動(dòng)噴涂碰撞防護(hù)方法

劉 晨，張 波，賈 沛

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

0 引言

為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自動(dòng)噴涂，在國(guó)家重大專項(xiàng)資金的資助下，本課題研制了尾翼自動(dòng)噴涂裝備[1]，用于飛機(jī)尾翼，包括平尾和垂尾外表面的噴涂。

裝備是在現(xiàn)有人工噴涂廠房?jī)?nèi)改造完成，根據(jù)需要在整機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行噴涂。飛機(jī)采用牽引車牽引就位后不再進(jìn)行調(diào)整。為了保證飛機(jī)定位的一致性。在地面施畫了輪胎引導(dǎo)線和前輪停止線，以便每次飛機(jī)停放在大致相同的位置。但由于飛機(jī)體型的巨大，微小的偏差都會(huì)帶來(lái)機(jī)翼末端位置的嚴(yán)重偏差。同時(shí)由于每臺(tái)飛機(jī)的狀態(tài)均不相同，包括航油重量、發(fā)動(dòng)機(jī)是否安裝、輪胎氣壓等都會(huì)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)造成影響。

上述偏差都會(huì)對(duì)噴涂效果產(chǎn)生重大影響，甚至造成飛機(jī)與噴涂裝備發(fā)生碰撞。因此必須采取措施解決。

本文介紹噴涂裝備的結(jié)構(gòu)和工作方式，以及由此帶來(lái)的安全性問題。并提出針對(duì)此類問題的解決方案。

1 裝備描述

1.1 噴涂系統(tǒng)

噴涂系統(tǒng)包括6自由度噴涂機(jī)器人、3自由度變位機(jī)、帶雙噴槍的延長(zhǎng)桿，以及相關(guān)的輸供漆、控制等系統(tǒng)。

3自由度變位機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿飛機(jī)寬度方向（X軸）、沿飛機(jī)前后方向（Y軸）和垂直方向（Z軸）的運(yùn)動(dòng)。其作用是擴(kuò)大機(jī)器人可達(dá)范圍，滿足飛機(jī)水平尾翼和垂直尾翼空間分布距離遠(yuǎn)，表面形狀復(fù)雜的噴涂需求。機(jī)器人安放在Z軸平臺(tái)上。

機(jī)械系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 飛機(jī)尾翼自動(dòng)噴涂系統(tǒng)

延長(zhǎng)桿加裝在機(jī)器人手腕部，延長(zhǎng)桿末端安裝扇面相互垂直的兩把噴槍，以增加編程便利性。噴槍安裝方式如圖2所示。

圖2 雙噴槍系統(tǒng)

1.2 位置檢測(cè)系統(tǒng)

為解決引言中提出是飛機(jī)定位問題，目前采用的方法有兩種，一種是應(yīng)用調(diào)整裝置調(diào)整飛機(jī)位姿，使飛機(jī)與噴涂裝備處于相對(duì)固定的位置。F-35整機(jī)噴涂即采用移動(dòng)臺(tái)車（Paint Cell Dolly）進(jìn)行飛機(jī)水平和高度的調(diào)整[2]；另一種方法是測(cè)量飛機(jī)的位姿[3]，調(diào)整噴涂裝備來(lái)適應(yīng)偏差。課題采用的是第二種方式。

課題采用激光跟蹤儀作為檢測(cè)儀器，在機(jī)器人示教過(guò)程中確定模型飛機(jī)與噴涂裝備之間的位置關(guān)系，設(shè)定飛機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系重合，在飛機(jī)坐標(biāo)系下進(jìn)行編程。該方法在課題研制的進(jìn)氣道噴涂系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用[4]。

2 工作方式

本課題采用的補(bǔ)償方式為：飛機(jī)定位后首先檢測(cè)實(shí)際飛機(jī)坐標(biāo)系與示教飛機(jī)坐標(biāo)系，即機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系，確定飛機(jī)偏移量，由機(jī)器人更改末端位姿來(lái)完成偏移量補(bǔ)償。而3自由度外部軸仍然運(yùn)動(dòng)到原來(lái)設(shè)定位置。

由圖1中噴涂照片可以看出，雖然增加了變位機(jī)和延長(zhǎng)桿，噴涂時(shí)裝備與飛機(jī)的距離仍然很近，特別是使用二號(hào)噴槍時(shí)。如直接進(jìn)行噴涂作業(yè)，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人和變位機(jī)與飛機(jī)碰撞的危險(xiǎn)。因此需要在正式噴涂前手動(dòng)低速模擬噴涂過(guò)程，檢驗(yàn)偏移補(bǔ)償?shù)挠行院蛧娡孔鳂I(yè)的安全性。

即便如此，由于人工操作存在不確定性，在進(jìn)行模擬操作時(shí)仍有發(fā)生碰撞的可能性，因此需要在技術(shù)上采取措施。

3 解決方案

從根本上解決問題的方法是在機(jī)器人和變位機(jī)上安裝傳感器，在裝備與飛機(jī)碰撞前報(bào)警。目前通用機(jī)器人尚未集成碰撞檢測(cè)傳感器。一方面原因是機(jī)器人屬于多自由度機(jī)構(gòu)，工作范圍大，很難預(yù)測(cè)哪些部位會(huì)發(fā)生碰撞；同時(shí)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)目前發(fā)展非常成熟，公開報(bào)道的機(jī)器人事故通常發(fā)生在示教或者檢測(cè)、檢修時(shí)，安裝傳感器的必要性不大。

特殊應(yīng)用場(chǎng)合，如AGV等，采用加裝傳感器的方式進(jìn)行距離檢測(cè)，常用的傳感器有非接觸式測(cè)距和接觸式兩類。非接觸式測(cè)距通常采用激光、超聲波、紅外等測(cè)距，接觸式傳感器則多利用機(jī)械觸碰微動(dòng)開關(guān)原理。

在噴涂環(huán)境下，由于漆霧中含有復(fù)雜金屬成分，激光和超聲波等傳感器無(wú)法正常工作，而一些接觸式傳感器普遍無(wú)法在爆炸環(huán)境應(yīng)用。同時(shí)在裝備進(jìn)行噴涂時(shí)，為防止漆霧落在機(jī)器人上，需要為機(jī)器人穿上防護(hù)罩，這也影響到傳感器的正常工作。

綜上所屬，在噴涂作業(yè)中很難進(jìn)行飛機(jī)與裝備之間的位置檢測(cè)，比較可行的辦法是在模擬過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)。

4 傳感器應(yīng)用

本課題采用了工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，用激光傳感器進(jìn)行測(cè)距。實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)的非接觸采集、集中處理和無(wú)線傳輸三種功能。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊采用了美國(guó)邦納的無(wú)線模塊，模塊主要包括DX80網(wǎng)關(guān)、DX80節(jié)點(diǎn)、FlexPower和DX81 FlexPower 電池模塊。模塊組成和系統(tǒng)框圖如圖3、4所示。其中測(cè)距傳感器與節(jié)點(diǎn)聯(lián)接，與節(jié)點(diǎn)、電源模塊共同組成移動(dòng)單元，設(shè)備通過(guò)磁性安裝附件安裝在機(jī)械臂和變位機(jī)上。網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)線與主控PLC聯(lián)接。

圖3 無(wú)線模塊組成

移動(dòng)測(cè)量模塊在進(jìn)行模擬噴涂時(shí)安裝，噴涂時(shí)移除。

圖4 系統(tǒng)框圖

采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是：

1）噴涂時(shí)可方便的移除移動(dòng)模塊，不影響噴涂系統(tǒng)正常工作。

2）不需要額外的布線，方便操作，也降低了安裝及調(diào)試成本。

3）可靈活布置傳感器位置，以適應(yīng)飛機(jī)位置偏差。

5 結(jié)論

通過(guò)安裝無(wú)線測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，可以極大的避免噴涂裝備與飛機(jī)方式碰撞的危險(xiǎn)性，在目前的技術(shù)條件下不失為一種可行的辦法。

[1] 趙宏劍,王剛,張波,等.飛機(jī)尾翼自動(dòng)噴涂系統(tǒng),制造業(yè)自動(dòng)化,第35卷,第1期(下),pp153-156.

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

[3] 石聞.F-22 戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)器人表面噴涂,航空工程與維修,1997年08,pp22,38.

[4] 王崇,張波,趙宏劍,季旭東.激光跟蹤儀在飛機(jī)噴涂中的應(yīng)用,制造業(yè)自動(dòng)化,第35卷,第9期(下),pp78-79.