基于機械手的飛機部件鉚接系統設計

趙俊英 余豐闖 哈 博 鄧聯喜

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

航天航空裝備制造業是影響國民生活、經濟的重要產業。裝配過程是影響其生產周期的因素之一[1]。飛機的裝配過程以螺紋鉚接為主體，因此飛機鉚接質量對飛機壽命影響很大[2]。

傳統人工鉚接的工作流程包括制孔、擴孔、注膠以及鉚接等步驟[3]。航空制造業的發展對飛機的裝配要求越來越高，而人工鉚接在加工精度、效率、質量以及準確性方面均存在不足[4]，使得自動鉚接技術在飛機裝配中的應用越來越廣泛。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]。可見，基于機械手的自動鉚接技術是一個重要的發展方向[6]。對機身大面積表面和機身機翼結合處的空間進行操作時，由于裝配要求高，空間狹小，導致人工操作困難。運用機械手自動鉚接可解決這一問題，提高鉚接飛機部件的自動化鉚接程度。

基于以上背景，文章設計并搭建了基于機械手的飛機部件鉚接系統，并對控制方案進行了分析探究與實驗驗證。

1 系統組成

1.1 系統整體架構

系統整體架構如圖1所示。系統采用三菱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機械手和頂鐵單元，通過輸送單元自動傳送至飛機蒙皮下，配合完成自動鉚接過程[7]。

1.2 末端執行器

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

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

1.3 機械手移動裝置

機械手的運動范圍有限，為了完成對飛機蒙皮的制孔任務，設計傳輸導軌來達到擴大其運動范圍的目的。運行時，將機械手與移動滑臺連接，由伺服電機驅動同步導軌使滑臺移動，由導軌兩端的限位傳感器限制滑塊的移動范圍。

移動滑臺會根據指令位置移動到蒙皮制孔區域，以達到對機械手進行輔助定位的目的。該機械手輸送單元的運動具有以下特點[8]。第一，行程長。由于該型號機械手的運動范圍只有500～1 000 mm，而飛機蒙皮的尺寸較大，制孔區域較廣，為了能夠滿足加工要求，將導軌的長度設計為2 m。第二，精度高。機械手自動鉆孔系統對加工孔的定位精度不僅受機械手自身的定位精度影響，而且傳輸單元的運動精度同樣是決定制孔精度的關鍵。第三，快速穩定。在保證移動滑臺運動平穩的情況下，應盡可能提高傳送速度，保證機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。機械手工作時，通過舵機控制它上方的傾斜器旋轉方向和角度來帶動連接關節的運動，從而滿足控制機械手的旋轉。本文鉚接裝置上安裝兩部舵機控制機械手左右擺動和上下擺動，可滿足旋轉方向兩個自由度。

1.5 待加工件夾具

對于飛機蒙皮等薄壁類部件，在加工環節容易發生塑性形變。因此，設計時應保證夾具對飛機蒙皮在制孔過程中的剛度，同時需易于拆卸，不應在操作上存在太大的難度。當夾具對蒙皮夾緊時，飛機蒙皮的定位不可被破壞，因此要選擇最佳的著力點和夾緊力方向。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，設計了如圖1中所示的飛機蒙皮夾具。

2 運行方案

機械手自動鉚接時受到移動范圍限制，但是飛機蒙皮的尺寸大且需要鉚接點眾多。基于此情況，如果通過移動單元頻繁改變機械手的位置，會降低效率，造成能源浪費。在保證制孔精度和系統穩定性的前提下，為提高工作效率，進行了機械手運動路徑優化。

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

圖3為鉚接系統工作流程圖。系統上電并啟動后，機械手和頂鐵移動裝置開始運動，同步進行制孔位置定位。定位準確后，機械手末端執行器壓緊氣缸伸出，實現工件壓緊；完成工件壓緊后，直流電機帶動鉆頭旋轉，伺服電機通過絲杠使鉆頭前進完成打孔；打孔結束后，直流電機和伺服電機開始反轉，實現退刀功能；退刀結束后，壓緊單元氣缸縮回，機械手整體上移，送釘氣缸工作進行送釘；接著末端執行器變位到壓鉚姿態，同時頂鐵調整至與該點中法線垂直姿態，并沿中法線方向進給實現壓鉚[9]。

3 實驗驗證

選取尺寸為1 200 mm×600 mm的飛機蒙皮進行驗證實驗。一方面，進行手動運行實驗，根據點的位置判斷機械手的運動范圍和動作順序，判斷是否對周圍部件發生干涉等錯誤現象。另一方面，進行自動運行實驗，記錄并測試自動鉚接系統完成工作的完整性、穩定性、精度和效率等。實驗結果表明，該系統符合飛機部件鉚接需求[10-11]。

4 結語

針對飛機上的部件形狀材料復雜、加工難度高、形位精度要求嚴格等特性，設計并搭建了基于機械手的飛機部件自動鉚接系統，并設計了末端執行器、機械手移動裝置、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。利用該系統對某飛機蒙皮模型進行自動鉚接實驗驗證，結果表明該系統達到了精度要求，具有一定的穩定性，同時提高了鉚接效率。