一種制孔末端執(zhí)行器的設(shè)計與仿真驗證

王 帥 劉 春

（沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136）

自20世紀(jì)50年代以來，歐美學(xué)者致力于飛機自動化裝配技術(shù)的研究。到目前為止，美國、德國、意大利和法國等均對此項技術(shù)進(jìn)行了研制與試驗，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)[1]。美國EI公司與英國空客公司針對波音F/A-18E/F機翼后緣襟翼的制孔和锪窩工作，聯(lián)合研發(fā)制造了一款基于6軸機械手的自動鉆削系統(tǒng)（ONe-sided Cell End effector，ONCE）[2]。德國寶捷（Brotje-Automation GmbH）針對單通道飛機艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)安裝實心鉚釘?shù)男枰O(shè)計了一款機器人鉆鉚末端執(zhí)行器[3-4]。近年來，國內(nèi)學(xué)者也開始致力于多功能末端執(zhí)行器的研究。西北工業(yè)大學(xué)齊振超等人聯(lián)合成飛研制出一款采用激光距離傳感器結(jié)合法向找正和標(biāo)定算法的制孔末端執(zhí)行器，實現(xiàn)了對制孔過程法向精度的控制[5]。浙江大學(xué)柯映林教授團隊研制的自動鉆鉚末端執(zhí)行器可實現(xiàn)智能識別、檢測定位、自動更換鉆頭與鉚釘?shù)裙δ埽軌蛲ㄟ^回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)完成制孔、锪窩、除塵、插釘以及銑平沉頭等工序[6]。

機器人柔性裝配系統(tǒng)將工業(yè)機器人和多功能末端執(zhí)行器集成為一體，能夠完成不同產(chǎn)品及其改型產(chǎn)品的制造和裝配任務(wù)，提高了飛機生產(chǎn)的裝配效率與質(zhì)量[7-8]。因此，研究機器人柔性裝配系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實和長遠(yuǎn)意義。末端執(zhí)行器作為柔性裝配系統(tǒng)的核心部件之一，主要負(fù)責(zé)加工任務(wù)，其重量、結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性等直接影響加工質(zhì)量[9]。本文針對飛機部/組合件裝配制孔工作的需求，提出了一種制孔末端執(zhí)行器的設(shè)計方案，并利用DELMIA對該末端執(zhí)行器進(jìn)行了仿真驗證。

1 末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)航空制造業(yè)的實際需要，末端執(zhí)行器需滿足：重量約100kg；可加工孔的范圍4～8mm；加工材料以鈦合金、鋁合金和復(fù)合材料為主；最大加工厚度為15mm。

根據(jù)制孔的技術(shù)要求，末端執(zhí)行器需具備以下功能。第一，具備法向測量功能。制孔時，配合機械手將鉆頭的軸線方向與制孔部位法向偏角控制在±0.5°。第二，具備锪窩深度補償功能。制孔時，將锪窩深度控制在±0.05mm。第三，為了消除疊層間隙，保證制孔的穩(wěn)定性，制孔時需要具備壓緊結(jié)構(gòu)，以提高制孔的精度。第四，具備制孔锪窩一次完成的功能，提高制孔的效率。第五，具備主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)、進(jìn)給力和進(jìn)給速度可調(diào)以及冷卻潤滑等其他輔助功能。因此，在設(shè)計過程中采用模塊化設(shè)計理念，將末端執(zhí)行器按照功能結(jié)構(gòu)劃分為主軸單元、進(jìn)給單元、框架單元、壓緊單元、連接單元和法向檢測單元，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 制孔末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

末端執(zhí)行器通過法蘭盤與6軸機械手固定。系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先輸入的孔位信息數(shù)據(jù)，控制機械手調(diào)整末端執(zhí)行器的初始位姿，使末端執(zhí)行器的鉆頭與理論孔位法向同向，然后控制機械手在移動平臺上移動，使末端執(zhí)行器移動到孔位上方并對準(zhǔn)孔位。激光跟蹤儀測量實際孔位與理論孔位的誤差，并根據(jù)測量值調(diào)整末端執(zhí)行器位置，使鉆頭位置與給定位置一致。孔位找正完成后，激光位移傳感器測量法向偏差，并根據(jù)測量值調(diào)整末端執(zhí)行器位置使鉆頭法向與給定法向一致。法向調(diào)平結(jié)束后，機械手帶動末端執(zhí)行器壓緊工件，然后啟動電主軸，控制氣缸推動電主軸進(jìn)給，完成制孔锪窩。PLC通過控制電磁閥使氣缸反向運動，實現(xiàn)主軸和氣缸的復(fù)位。末端執(zhí)行器移動到下一制孔點，循環(huán)上述制孔流程。所有制孔工作完成后，末端執(zhí)行器設(shè)備關(guān)閉，機械手回零。工作流程如圖2所示。

圖2 末端執(zhí)行器工作流程圖

2 末端執(zhí)行器設(shè)計

2.1 主軸單元設(shè)計

主軸單元主要由高速電主軸、刀具、HSK刀柄以及窩深控制裝置組成。電主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)，可適用于不同孔徑、孔深的鉆孔作業(yè)。锪窩一體化鉆頭通過HSK刀柄與主軸固定，可實現(xiàn)制孔锪窩一次性完成。窩深控制裝置與壓腳頭內(nèi)的窩深控制面配合，實現(xiàn)對锪窩深度的控制。

2.2 進(jìn)給單元設(shè)計

進(jìn)給單元主要由復(fù)動型氣缸、氣缸支架、位移傳感器以及各種閥類零件組成。本文提出了一種采用氣缸來控制主軸進(jìn)給力的方式。制孔時，根據(jù)不同材料的制孔工作，通過調(diào)整電氣比例閥可以控制進(jìn)給力的大小，且在整個制孔過程中能夠保證軸向進(jìn)給力的穩(wěn)定性，大大提高了制孔的質(zhì)量。

2.3 框架單元設(shè)計

框架單元由支撐框架、滑塊、前后蓋板和后蓋組成，主要負(fù)責(zé)支撐和固定末端執(zhí)行器的各組成部分。它將各組成部分集合為一體，有利于制孔時各單元相互配合，通過合理的布局減小末端執(zhí)行器的體積，提高制孔的靈活性和穩(wěn)定性。

2.4 壓緊單元設(shè)計

壓緊單元主要由壓腳（包括壓腳頭、壓腳板及支撐臂）、排屑和冷卻裝置組成。本文將壓腳固定在支撐框架上，由機械手搭載末端執(zhí)行器直接進(jìn)行壓緊工作。采用非獨立進(jìn)給運動形式，主軸單元的行程等于鉆孔行程，簡化了末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，減輕了制孔末端執(zhí)行器的質(zhì)量。運動形式如圖3所示。

圖3 不同運動形式比較

壓腳頭內(nèi)有窩深控制面，與電主軸上的窩深控制裝置相互配合，從機械方面實現(xiàn)對锪窩深度的控制。窩深機械控制原理如圖4所示。

2.5 連接單元設(shè)計

連接單元主要由法蘭盤組成。機械手與末端執(zhí)行器的連接方式大致可分為同軸式和懸掛式兩種，如圖5所示。

同軸式連接限制了末端執(zhí)行器進(jìn)給方向的長度，其工作反力主要作用于機械手的第二軸和第三軸，提高了制孔的精度，但靈活性差，不利于大空間作業(yè)。懸掛式連接具有較好的可達(dá)性，運動靈活，便于對機械手的軌跡進(jìn)行規(guī)劃，有利于實現(xiàn)飛機的大曲面裝配。但是，懸掛式連接由于壓緊力的作用，使機械手的第五軸與第三軸承受了較大的被動力矩，不利于提高制孔的精度。

圖5 末端執(zhí)行器連接方式

通過上述分析可知，兩種安裝方式各有利弊。根據(jù)實際航空制造業(yè)的需要和應(yīng)用情況，本文采取懸掛式安裝方式，有利于飛機的大曲面裝配作業(yè)，提高了制孔的穩(wěn)定性。

2.6 法向檢測單元設(shè)計

法向檢測單元主要由激光位移傳感器來實現(xiàn)法向偏角的測量，檢測方法如圖6所示。由于傳感器光束平行照射所形成的平面較大，導(dǎo)致誤差太大。因此，在安裝激光位移傳感器時，采用與刀具軸線約成45°夾角進(jìn)行安裝，使打到工件表面的光束在不交叉的前提下盡可能收攏，激光點形成的表面區(qū)域盡可能小，減小測量的法向誤差，提高法向精度。

圖6 法向檢測方法

3 DELMIA仿真驗證

3.1 末端執(zhí)行器制孔流程仿真

在DELMIA軟件中，設(shè)置制孔平臺區(qū)域的布局、產(chǎn)品和資源的構(gòu)建以及機械手參數(shù)，搭建整個制孔仿真的環(huán)境。此處只表述制第一個孔的流程，其他制孔流程等同，具體制孔流程仿真如下。首先，通過羅盤將準(zhǔn)備好的資源及產(chǎn)品等根據(jù)區(qū)域布局移動到指定位置，并調(diào)整末端執(zhí)行器、機械手以及移動平臺的初始位置和姿態(tài)，點擊Simulation中的Save Initial State命令，保存此時的初始狀態(tài)。其次，建立Process Library文件，制定相應(yīng)的工藝流程文件。整個制孔流程分為5個部分，每個部分對應(yīng)建立一個活動文件并生成總的工藝文件，并將制定好的工藝文件導(dǎo)入Process中。再次，在Process結(jié)構(gòu)樹中創(chuàng)建activity，根據(jù)坐標(biāo)羅盤設(shè)置相應(yīng)的運動方式和運動流程。此時，軟件中會將運動軌跡以白色線條顯示，如圖7所示。最后，將各活動下的所有動作設(shè)置完成后，即得到制第一個孔的運動軌跡。重復(fù)上述過程，完成所有制孔仿真活動，最后使末端執(zhí)行器、機械手及移動平臺返回初始位置，仿真完成。

圖7 仿真過程運動軌跡

3.2 工藝驗證

DELMIA軟件有靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查兩種干涉檢查方法。在進(jìn)行動態(tài)干涉檢查之前，先對末端執(zhí)行器的自身進(jìn)行靜態(tài)干涉分析，檢測結(jié)果如圖8所示。可見，末端執(zhí)行器本身不存在靜態(tài)干涉，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖8 靜態(tài)干涉檢查結(jié)果

當(dāng)靜態(tài)干涉檢測完成后，對整個制孔流程進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，檢測結(jié)果如圖9所示。在整個制孔過程中，各設(shè)備之間不存在干涉情況且制孔路徑合理。

圖9 動態(tài)干涉檢查結(jié)果

4 結(jié)語

針對航空制造業(yè)的實際需求，本文提出了一種制孔末端執(zhí)行器的設(shè)計方案，通過對各單元進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了锪窩深度控制、法向測量以及制孔锪窩一體化等功能，提高了制孔精度，并利用DELMIA驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和制孔路徑的可行性，達(dá)到了設(shè)計要求，可為其他制孔末端執(zhí)行器的設(shè)計提供參考，具有一定的推廣價值。