機器人鉆鉚系統數控移動平臺的設計與分析

魏 超

（中國航空制造技術研究院， 北京 100024）

引言

隨著現代航空產品裝配技術的不斷發展，自動鉚技術已經被世界各航空制造企業廣泛應用于飛機的實際生產中。然而現階段常用的自動鉆鉚機，由于受到自身結構的限制，還只能用于鉚接結構簡單、開敞性好的零部件，存在著裝配柔性低，適用面窄的問題。因此，目前國內外對于自動鉆鉚技術的研究正在向包含工業機器人的柔性自動化裝配系統方向發展。與傳統的自動鉆鉚方式相比，機器人自動鉆鉚系統可以沿縱向長距離移動，能夠完成對飛機各個部分鉆鉚加工而無需移動工件，這就大大提高了加工精度和效率，為飛機柔性裝配提供了一種選擇，具有重要意義[1]。

1 機器人自動鉆鉚系統概述

機器人自動鉆鉚系統包含工業機器人、移動平臺、壁板及其工裝、末端執行器、自動送釘系統，測量系統和軟件系統等。系統具體組成如圖1所示。

圖1 機器人自動鉆鉚系統組成

整個機器人自動鉆鉚系統工作時，首先利用激光跟蹤儀和數字測量系統建立坐標系，再由機器人控制系統和自動鉆鉚控制系統控制數控移動平臺輔助工裝兩側機器人定位至合適的作業區域。到達指定區域后，兩側機器人協調進行姿態調整，完成各末端執行器的精確定位，完成壓緊、制孔、锪窩和鉚接等工作，最后由數字化測量系統對定位精度進行檢測。這其中各個組成部分的功能如下：

1）工業機器人。兩臺工業機器人作為核心設備，分別對稱布置在工裝兩側，利用其自身具有6自由度的大柔性特點，一側機器人負責制孔末端執行器的定位和調姿，另一側機器人負責鉚接末端執行器的定位和調姿。

2）數控移動平臺。用于擴大機器人工作空間，彌補單個工業機器人可達空間有限的不足，使整個系統能夠滿足不同飛機零部件的鉆鉚需求。

3）工裝。主要用來夾持、定位壁板，保證其理論外形。

4）制孔末端執行器。安裝在一側機器人的末端，由機器人控制系統控制，實現鉆孔、锪窩，送釘等動作。

5）鉚接末端執行器。安裝在與制孔末端執行器對側的機器人末端，具備壓緊、鉚接的功能，與制孔末端執行器配合實現鉚接。

6）自動供釘系統。將鉚釘進行離散、定向排列，并通過柔性輸釘管為制孔末端執行器提供鉚釘。

7）測量系統。主要包括激光跟蹤儀等，用于測量，坐標系的建立和位置標定等。

8）軟件系統。其包括機器人控制系統、機器人鉆鉚控制系統、離線編程與仿真模塊等。

2 數控移動平臺的結構設計

考慮到數控移動平臺用以安裝機器人，并輔助其定位至指定區域，因此整個系統的定位精度，除了受到機器人自身精度的影響外，在很大程度上還與數控移動平臺有關。為了保證數控移動平臺自身具有較高的定位精度和良好的剛度，該型數控移動平臺具有以下兩個方面的特點：

2.1 結構形式

從結構上來看，整個數控移動平臺（如下頁圖2所示），主要包括床身，轉接平臺、座臺、導軌、齒條、減速機座，減速機，伺服電機等。

圖2 數控移動平臺的構成

為了獲得良好的剛度和吸振性，床身和座臺都是采用整體鑄造的形式，避免了因焊接殘余應力帶來的變形等問題，同時因自身較重，還起到了配重的作用，有效地保證了整個系統運動時的平穩，不會發生振動。機器人就安裝在座臺上，座臺通過轉接平臺與床身連接，轉接平臺下部設有導軌導向，為機器人提供一定范圍內工作空間的導向，從而滿足飛機裝配過程中由于零部件尺寸較大，導致機器人自動鉆鉚區域也較大的工作需求。

2.2 傳動方式

受到大行程的影響，數控移動平臺已經不能使用常用的滾珠絲杠傳動，而是選用了更適合于大行程的可拼接式齒輪齒條傳動方式。但是，與滾珠絲杠相比，齒輪齒條傳動在有其獨特優勢的同時，也存在一定不足，主要反映在齒輪存在側隙，反轉時帶來空程，使機構不能準確定位。

目前，消除側隙的方法很多，按原理大致可以分為機械消隙和電控消隙兩種。其中電控消隙常采用雙電機消隙的方法去除齒輪齒條的側隙，與機械消隙相比，避免了因長時間工作引起的齒面磨損帶來的精度損失[2]。現結合本套數控移動平臺將雙電機消隙的原理作如下簡述：

雙電機消隙，驅動采用1號和2號兩套伺服系統，以構成一個聯動的伺服系統，具體原理如圖3所示，兩套伺服電機分別通過各自減速機驅動輸出軸上相應的1號齒輪和2號齒輪，使它們與齒條嚙合，實現運動。當數控移動平臺處于靜止狀態時，兩個齒輪各自貼緊于齒條面，且驅動扭矩大小相等，方向相反，此時并不存在傳動間隙的問題。當數控移動平臺往某一方向運動時，伺服電機驅動相應一側的齒輪轉動，同時克服另一側齒輪的反向扭矩，以此實現這一方向的運動。按照這一原理，即不論數控移動平臺運動的方向如何，一旦運動，就總有一個齒輪和齒條始終保持單面貼合，從而有效消除間隙，保證整個數控移動平臺的高精度運行。

3 數控移動平臺的有限元分析

圖3 雙電機消隙原理示意

結合機器人自動鉆鉚系統的工作特性，可以分析得出數控移動平臺作為整個系統的的關鍵零部件之一，對整個系統的工作性能有著十分重要的影響。為了保證系統具有良好的工作性能，就需要對這一關鍵部件進行靜態結構強度分析，校核當系統處于作業狀態時，數控移動平臺的等效應力，位移變形情況，以此驗證設計的可行性。

3.1 幾何模型簡化

考慮到數控移動平臺的不必要零部件以及多余的螺釘孔，會很大程度地限制有限元分析網格的大小，影響整個結構的網格分布，增加網格的數量、使分析模型過于復雜[3]。因此，在將數控移動平臺模型導入ANSYS Workbench之前，須對模型作簡化處理，以縮短分析時間，簡化后的模型如圖4所示。簡化的原則如下：

1）去除設計模型中不受力或者受力很小的零部件，如伺服電機、減速機、行程開關、墊片等。這些零部件在進行有限元分析時對數控移動平臺的影響很小，可以忽略不計。

2）去除零件中的細微特征。如床身、轉接平臺、座臺、導軌等的螺釘孔，定位銷孔等，這些特征不會影響結果的準確性，但在劃分網格時卻會對網格的精度要求很高，增加計算量，并最終可能導致無法進行分析計算。

圖4 數控移動平臺簡化后模型

3.2 有限元分析

實際工作時，數控移動平臺通過床身底部地腳螺栓與地基相連，實現固定。因此，在進行有限元分析時，對床身底部表面施加固定約束。

載荷的施加則按照整個機器人自動鉆鉚系統在進行鉚接作業時的負載進行。根據對這一工況的分析可知此時數控移動平臺受到的載荷情況為：機器人的自重（包括末端執行器）約3 500 kg；鉆鉚作業時，機器人受到的沿末端執行器軸向載荷約1 000 N所引起的力矩。

將簡化后的數控移動平臺模型導入到ANSYS Workbench，進行有限元分析后，得到的結果如下：

數控移動平臺的最大等效應力為13.306 MPa，發生在遠離工裝一側的床身上部直線導軌與滑塊的連接處。該處直線導軌采用不銹鋼的材料制造而成，屈服強度約為200 MPa左右。因此，最大等效應力遠小于屈服強度，滿足設計強度的要求。具體的等效應力分布情況見圖5。

圖5 數控移動平臺等效應力（MPa）云圖

數控移動平臺的最大位移為0.002 mm，發生在安裝機器人的座臺中部。綜合考慮機器人自動鉆鉚系統的技術指標，該變形也可以滿足使用要求。具體的位移變形情況見圖6。

4 結論

圖6 數控移動平臺位移（MPa）變形云圖

實際投產制造的數控移動平臺作為功能單元，與機器人集成在一起，輔助機器人定位，定位精度0.02 mm，重復定位精度0.01 mm，有效提高了整個系統的精度和效率，這對于后續相關單位的相關研制工作將具有一定的參考意義。