基于機器人鉚接的鉚接試驗平臺的力學測試與研究

周 珂 ，范云飛 ，劉 鋼 ，周 波

（1.南京工程學院 機械工程學院，江蘇 南京211167；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240；3.上海拓璞數控科技股份有限公司，上海201111；4.上海工程技術大學機械工程學院，上海200093）

自動鉆鉚技術的發展對航空航天工業的發展有著重要的意義[1]。而在各種自動鉆鉚技術中，機器人自動鉆鉚系統由于其良好的靈活性和適應性，成為當前自動鉆鉚技術發展的一大趨勢[2]。機器人自動鉆鉚應用廣泛，但在對無人機油箱等狹小殼體的機器人鉚接系統進行設計時，頂鐵端機器人由于存在尺寸要求與剛度需求之間的矛盾，設計難度大。

Cherng等人[3]對鉚槍以及頂桿進行了優化設計，引入彈簧、阻尼這些單元，大大抑制了錘鉚過程中鉚槍的振動；Kadam[4]和Bloxsom[5]對典型的氣動沖擊工具，如鉚槍、沖錘等建立理論模型，模擬其工作原理并試驗研究其性能。以上研究主要是針對氣動鉚槍，對于錘鉚工藝本身并未做深入的研究。

Li等人[6]針對機器人鉚接系統，建立了錘鉚過程的動力學模型，分析了鉚釘塑性變形，并通過實驗驗證了其合理性。曲巍威等人[7]提出了一種對錘鉚過程進行仿真分析的方法，建立了錘鉚的運動學模型，并對錘鉚過程進行了有限元仿真，獲得了鉚接時間以及鉚接件的殘余應力分布。之后通過鉚接試驗驗證了仿真方法的有效性，指出鉚槍輸入氣壓以及鉚接時間是影響錘鉚的關鍵因素。

本文以此為背景，探究通過調整鉚接參數來減小鉚接沖擊力的方法，搭建一個帶有測力系統的鉚接試驗臺，通過理論分析得到影響傳感器受力的主要鉚接參數后，展開正交試驗，探究這些參數對于傳感器受力和鉚接效率的影響。

1 氣動錘鉚原理與實驗臺介紹

1.1 氣動鉚槍工作原理

氣動鉚槍的構造如圖1所示，通入壓縮空氣后，在換向閥的作用下，壓縮空氣會從鉚槍內腔或外腔進入，最終從排氣孔排出。因而活塞兩端會出現交替變化的壓力差，推動活塞往復運動，并撞擊鉚錘，受撞擊后的鉚錘獲得速度，沖擊鉚釘。盡管單獨一次沖擊產生的變形量不大，但是沖擊積累到一定次數后可使鉚釘變形達到規定的要求。鉚錘的沖擊速度直接影響到鉚釘變形，鉚槍的輸入氣壓不同，鉚錘的沖擊速度以及沖擊頻率也會發生變化[8]。

圖1 氣動鉚槍結構

1.2 氣動錘鉚工藝

氣動錘鉚分為正鉚法和反鉚法兩種。正鉚法即用頂鐵頂住鉚釘頭，氣鉚槍鉚錘的錘擊力直接作用在釘桿上形成鐓頭，如圖2（a）所示；反鉚法則是氣鉚槍鉚錘頂住鉚釘頭，鉚錘直接在鉚釘頭那側錘擊，頂鐵頂住釘桿的另一側形成鐓頭，如圖2（b）所示。目前航空鉚接裝配中，多采用反鉚法，本研究亦采用反鉚法。

圖3 氣動錘鉚的正反鉚法

1.3 實驗設備與條件

（1）整體測力實驗臺由鉚槍部分、試件裝夾部分、頂鐵部分以及測力部分組成，如下圖3所示。氣動鉚槍為臺灣貝斯特AT-2204型直柄氣動鉚槍，其工作氣壓0～0.6 MPa；頂鐵部分的內頂桿采用壓縮彈簧進行減震，適用彈簧型號有12.348 N/mm、24.206 N/mm、59.192 N/mm.試件選用兩塊尺寸150 mm×40 mm，厚度為2 mm，牌號為7A09-T6鋁合金板；鉚釘選用Φ4 mm×9 mm的普通半圓頭鋁合金鉚釘。

圖3 鉚接測力實驗平臺實物

（2）測力部分包括環形測力傳感器、放大器、數據采集器以及計算機，環形測力傳感器與數據采集模塊，如圖4、圖5所示。

圖4 LFC-120環形測力傳感器

圖5 OM-DAQ-USB-2401數據采集器

1.4 動力學模型分析

參考單自由度彈簧質量阻尼系統建立內頂桿振動的動力學模型，如圖6所示。m為內頂桿質量，k為彈簧剛度，c表示阻尼系數，x為內頂桿位移，f為鉚釘對內頂桿的沖擊力，通過該模型可以研究內頂桿在振動過程中對傳感器的作用力。

圖6 內頂桿振動的動力學模型

理想狀態下單獨一次沖擊可等效為脈沖力，設一次沖擊時作用在內頂桿上的沖量為I，則利用單位脈沖函數δ函數的性質，得到在時間t=a時作用的脈沖力f如式（1）所示。

則傳感器受到來自內頂桿的最大作用力推導如式（2）所示。

由上式可知，當系統的固有頻率越大時，傳感器受到的作用力越大。由于系統阻尼很小，若忽略阻尼的影響，則由式（2）可得公式（3）。

由式（3）可知，F0、k、I和 m 這四個參數對于傳感器的受力有著重要的影響，F0即為彈簧的預緊力，k為彈簧的剛度，m為內頂桿的質量、I為鉚釘對內頂桿的沖量，其大小主要受鉚槍輸入氣壓的影響。

2 鉚接測力實驗與數據分析

2.1 鉚接正交試驗設計

在保證鉚接質量的前提下，選擇鉚槍的輸入氣壓、支撐彈簧的剛度、支撐彈簧的預緊力這三個因子進行正交試驗研究不同鉚接參數對力傳感器受力和鉚接效率的影響。試驗指標即為傳感器在鉚接過程中受力的最大值和鉚接時間，通過數據采集器將鉚接過程中的力信號傳入計算機中，對力數據進行處理，找出鉚接過程中力的最大值，綜合考慮試驗的目的和難度，使用正交表L9（34），3因素3水平安排表見表1.

表1 三因素三水平安排表

2.2 試驗結果的獲取與處理

2.2.1 測試處理

圖7為一次鉚接過程收集到的電壓信號曲線，把圖中自由狀態時間段的電壓平均值X作為本次鉚接的零點電壓，用整體電壓信號和零點電壓的差值δ與傳感器的靈敏度G相乘，即得鉚接過程的力F，如公式（5）.對力曲線進行處理，求出鉚接過程中力的最大值，如圖8所示。

圖7 一次鉚接過程中采集的電壓信號

圖8 一次鉚接過程中采集的力信號

對圖7中3.8 s至4.2 s的力曲線進一步放大后如圖9所示。

圖9 力曲線局部放大

鐓頭正交試驗結果見表2.

表2 正交試驗表

2.2.2 極差分析

極差R反映了因子對實驗結果影響的大小，極差越大表明該因素對試驗結果的影響越大，通過極差R可以判斷因素對考核指標的影響主次順序。

對正交實驗的結果進行極差分析，得到表4和表5，由表3可知，影響力指標的主次順序為：B＞C＞A，即：彈簧剛度＞彈簧預緊力＞鉚槍氣壓。由表4可知，鉚槍氣壓是影響鉚接時間的主要因素，且主次關系為：鉚槍氣壓＞彈簧預緊力＞彈簧剛度。

表3 力指標的極差分析表

表4 時間指標的極差分析表

在極差分析的基礎上繪制三個因子的影響趨勢圖，如圖10與圖11所示。

圖10 對力指標的影響趨勢圖

圖11 對時間指標的影響趨勢圖

2.3 試驗的結論及參數優化

（1）彈簧剛度和彈簧預緊力的改變對于鉚接沖擊力的大小有著很顯著的影響，三個鉚接參數對傳感器受力的影響均呈正相關的關系。而對于鉚接時間即鉚接效率而言，鉚槍氣壓的作用顯著，并與鉚接時間呈負相關，而彈簧剛度和彈簧預緊力對于鉚接效率的影響均不顯著。

綜合考慮鉚接沖擊力和鉚接效率，選取最終設計參考工藝參數為：鉚槍氣壓0.5 MPa、彈簧剛度24.206 N/mm、彈簧預緊力250 N.作為，以此參數進行試驗，試片結果如圖12所示，試驗結果為：鐓頭平均高度2.01 mm，且全部合格，鉚接時間為3.2 s，平均最大鉚接沖擊力為489.5 N.

圖12 最終參數鉚接試驗

3 結論

（1）搭建鉚接測力試驗平臺，實現了對鉚接時頂鐵端所受沖擊力的在線測量，并借助力曲線求得鉚接過程中的最大沖擊力值。

（2）建立了內頂桿振動的動力學模型，得出鉚槍氣壓、彈簧剛度、彈簧預緊力是影響頂鐵端沖擊力重要因素的結論。

（3）通過正交試驗，研究了鉚槍氣壓、彈簧剛度、彈簧預緊力這三個參數對頂鐵端沖擊力和鉚接效率的影響，得出彈簧剛度和彈簧預緊力對頂鐵端沖擊力的影響要大于鉚槍氣壓，鉚槍氣壓是影響鉚接效率的顯著因素的結論。并綜合鉚接效率和鉚接沖擊力，選出一組參數，作為頂鐵端機器人設計的參考。