機器人激光除漆系統的設計與實現

梁 杰,萬寶元,高建設,高 昆

(1.鄭州大學 機械與動力工程學院,鄭州 450001;2.長沙航空職業技術學院 航空機電設備維修學院,長沙 410124)

在航空維修中,飛機定期就需要脫漆大修一次,便于檢查鋁蒙皮或結構件的缺陷和疲勞裂紋,從而避免飛機在飛行時發生疲勞事故[1]。因此,飛機表面除漆是飛機維修時的一項重要工作。

傳統的飛機除漆工藝主要有機械除漆、化學溶劑除漆和超聲波除漆等[2]。機械除漆[3]是通過手工打磨等機械手段去除工件表面漆層,這種除漆方法勞動強度大、效率低,且易對工件材料的基底造成損傷;化學溶劑除漆[4]是利用以二氯甲烷為主的有機溶劑除漆,不僅對環境造成極大污染,還需要耗費大量溶劑,成本較高。超聲波除漆法是利用超聲波產生的高頻震動效應去除工件表面漆層,雖然除漆效果不錯,但是操作復雜,適應性差。激光除漆技術[5]實質上利用高能量激光脈沖束照射到材料表面,使其表面的漆層發生瞬間蒸發和剝離的激光應用技術,其主要原理為燒蝕效應、振動效應和聲波震碎。激光除漆優點十分明顯,不但很好地解決了上述的環境和經濟問題,而且便于實現對除漆過程的主動控制。

國內飛機激光清洗技術現階段主要針對激光除漆工藝開展[6-10],而對機器人激光除漆裝備及應用的研究則關注較少。國外針對飛機維護的機器人激光除漆技術研究較早[11-12],荷蘭LR Systems公司開發的激光清洗機器人,高15.85 m,臂展25.9 m,采用20 kW的二氧化碳激光器為商用航空公司的全機型除漆;美國Lasertronics公司使用自動激光除漆系統為H-53和H60直升機螺旋槳復合材料葉片除漆;Concurrent Technologies公司和美國國家機器人工程中心聯合開發的機器人激光涂層去除系統(ARLCRS)為美國猶他州空軍基地的F-16戰斗機和C-130運輸機除漆,其中F-16的除漆時間從7 d縮短到3 d,C-130的除漆時間從10 d縮短到5 d。

為解決傳統化學脫漆和機械除漆存在環境污染大、打磨精度差、效率低的問題,本文設計了一套包含全向移動平臺、四自由度機械臂和激光清洗頭等的機器人激光除漆系統,該系統一方面減輕了工人的勞動強度,另一方面也提高了飛機除漆的質量和效率并減少了除漆過程廢棄物的排放。

1 除漆對象描述

飛機在使用一定期限后需要探傷或大修,去除表面的舊漆膜是表面維修的首道工序。飛機的機體結構通常由蒙皮和骨架等組成,蒙皮用來構成機翼、尾翼和機身的外形。以無人偵察機DR-5為除漆對象,DR-5是后掠中單翼正常布局飛機,以鋁合金作為主要的機體結構材料,機長8.972 m,機高2.185 m,機身表面主要由曲率不等的曲面及平面組成,其機身外形如圖1所示。

圖1 DR-5無人偵察機機身模型

2 激光除漆機器人設計

2.1 激光除漆機器人機械本體組成

激光除漆機器人本體由基于麥克納姆輪的全向移動平臺和四自由度機械臂組成,整體結構如圖2所示。全向移動平臺保證了機器人激光除漆系統對機身區域的全覆蓋,四自由度機械臂(3P1R)則提供了激光清洗頭除漆過程位姿調整所需的自由度。

2.2 激光除漆機器人控制系統

激光除漆機器人控制系統硬件架構如圖3所示。全向移動平臺采用4個匯川伺服電機控制麥克納姆輪的轉動,四軸機械臂的X軸和Z軸采用匯川伺服電機控制,Y軸和A軸則采用東方馬達帶絕對定位的閉環步進電機控制,兩個OMRON ZX1-LD100A61激光位移傳感器用于測量激光清洗頭與機身表面的距離。

圖3 控制系統硬件架構

激光除漆機器人控制系統軟件架構如圖4所示。

圖4 控制系統軟件架構

2.3 機器人運動學分析

2.3.1 機器人D-H模型建立

采用改進D-H法建立四軸機械臂的抽象連桿坐標系[13],如圖5所示。

圖5 機器人連桿坐標系

參照圖5機械臂連桿坐標系,根據MDH法中連桿參數的定義,可得DH參數見表1。其中,θi為關節角,di為連桿偏距,ai-1為連桿長度,αi-1為連桿扭轉角[14]。

表1 激光除漆機器人D-H參數

(1)

將表1中的參數代入式(1),可得相鄰兩關節坐標系之間的變換矩陣為:

(2)

(3)

(4)

(5)

設坐標系{0}相對于基坐標系{B}的變換矩陣為

(6)

機器人末端相對于基坐標系的齊次變換矩陣為

(7)

2.3.3 建立逆運動學方程

機器人逆運動學方程求解分為數值解法和解析解法,本文采用解析解法。對笛卡爾坐標系上的點,其對應的變化矩陣為

(8)

由于式(7)、(8)矩陣相等,對應元素相同,列出方程組:

(9)

對方程組的解修正得機械臂的4個關節變量如下:

(10)

即可求得機器人各關節變量的值。因θ4∈(-π,π),根據θ4的兩個表達式,可確定其唯一解。

根據分析除漆機器人的結構特點,建立了相應的運動學方程,為后續機器人激光除漆的軌跡規劃和運動控制提供了理論基礎。

2.3.4 工作空間分析

機器人工作空間代表了機器人的活動范圍,是衡量機器人工作能力的一個重要評價指標[15]。本文用蒙特卡羅法對各個關節在關節范圍內進行隨機取值,借助MATLAB軟件,繪制出可達工作空間點云圖如圖6所示。

圖6 機器人工作空間點云圖

從圖6可知,除漆機器人機械臂可達工作空間是由一個近似的長方體點云構成,工作空間符合實際各關節的尺寸范圍。

3 機器人重復性測試

機器人重復性測試現場如圖7所示。

圖7 機器人重復性測試

3.1 Z軸重復性測試

GB/T 12642—2013《工業機器人性能規范及試驗方法》規定,工業機器人的位置重復性計算公式[16]為:

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

機器人通過一系列線性運動引導末端執行器通過5個點P5、P4、P3、P2、P1,以P1為起點,按順序移至P5、P4、P3、P2、P1,并記錄點激光位移傳感器的數值,重復30次,測試循環如圖8所示。將測出數據代入式(11)～(17),得Z軸5個點P1、P2、P3、P4及P5的位置重復精度分別為0.016、0.011、0.015、0.039和0.038 mm,滿足除漆要求。

圖8 重復性測試循環圖

將所測每組數據求取其均值,并用原始數據減去均值做歸一化處理,以便觀察5組數據的波動范圍,Z軸重復度測量結果如圖9所示。從圖9可得,機器人Z軸重復性測量結果變化比較平穩,具有較好的穩定性,滿足除漆的基本需求。

圖9 Z軸重復度測量

3.2 X、Y軸重復性測試

根據激光除漆機器人的設計要求,其X、Y軸的重復度要求為小于±2.000 mm,采用誤差圓的方法對機器人X、Y軸重復性進行測試,即機器人工具中心點(TCP)運動一段空間軌跡,若TCP點每次都落在半徑2 mm圓內,則滿足X、Y軸重復度要求,如圖7所示。

測試開始時機器人各軸返回工作原點,調整轉臺角度使激光垂直打到水平面,設定機器人X軸運動200 mm,Y軸為100 mm,通過一系列線性運動引導末端執行器完成一條軌跡抵達P點,在P點激光照射處用A4紙畫半徑為2 mm的圓,將其固定,機器人返回原點后,重復這段軌跡運動到P點,并在P點停留5 s,重復5次。結果表明激光照射點均在圓內,且幾乎在圓心。

4 激光除漆實驗

4.1 實驗設備及評價方法

4.1.1 實驗設備

激光清洗系統主要由全固態準連續激光器(IS-0603QCW)、掃描振鏡、冷卻單元、除塵單元等組成,如圖10所示。該激光器激光波長為1 064 nm,最大激光功率為600 W,其脈沖頻率為20～50 kHz,聚焦激光束產生約0.8 mm的光斑。檢驗設備使用德國尼克斯漆膜測厚儀對漆層厚度檢測,其量程為0～3 000 μm,精度為(3%讀數+2 μm);實驗樣品為無人偵察機模型,基材為鋁合金,底漆為黃色環氧聚酰胺,面漆為灰色環氧聚酰胺,激光發射器安裝在機器人末端上對飛機進行除漆。

圖10 激光清洗系統

4.1.2 評價方法

目前國內激光清洗技術的評判標準尚未建立,一般是使用檢測設備觀察激光除漆后的試樣表面形貌,根據除漆后試樣的表面狀況來評判除漆的效果。本文根據激光清洗飛機鋁合金蒙皮表面漆層的特點,考慮到機身體積過大的情況,提出了清洗后檢測機體表面清洗質量宏觀到微觀的評價方法,依此評判激光除漆的效果。

1)表面宏觀形貌。目視除漆后的機體表面形貌,機身底漆為黃色環氧聚酰胺,面漆為灰色環氧聚酰胺,基材表面為金屬本色,因此可以直接用肉眼區分除漆質量,未除干凈的表面為漆料的顏色,除干凈的表面為金屬本色。

2)殘余厚度檢測。使用德國尼克斯漆膜測厚儀對激光除漆后的機身表面進行殘余厚度檢測。

4.2 實驗路徑規劃與參數設置

本文采用機器人示教編程方法進行路徑規劃。首先,使用激光發射器的指示燈作為路徑依據,確定激光發射器到飛機表面的最佳除漆距離(離焦量為0)。其次,根據機身表面的形狀特征,對機身表面逐段插值的方法去完成路徑的規劃,使用人機交互界面操作機器人工具中心點運動到每個插值點,與此同時,利用末端執行器兩端的激光位移傳感器調整激光發射器的姿態;最后,在人機交互界面中記錄每個插值點的機器人工具中心點的位置,將數據輸送到機器人控制器中,完成機器人示教軌跡的復現。

飛機機身基本上是由平面及不規則曲面構成,因此本文選取了機身部分平面及曲面進行除漆驗證。激光以“弓”字形軌跡對試樣進行掃描除漆,激光器振鏡系統控制激光光束沿X方向持續掃描,掃描寬度為a,安裝激光清洗頭的機械臂沿著Z方向運動,如圖11所示。機器人末端沿著紅色箭頭移動,黑色箭頭則是光束運動方向,激光器震鏡運動與機器人末端運動形成了“之”字形清洗區域;機器人末端執行器工具點沿著紅線走弓字形路徑,與震鏡運動形成了連續掃描區域,實現大面積除漆。

圖11 弓字形清洗路徑示意圖

通過工藝實驗確定激光功率、脈沖頻率、及掃描速度等參數的值,見表2。

表2 激光工藝參數

4.3 實驗結果與分析

圖12所示為機器人激光除漆現場圖。

圖12 機器人激光除漆現場

機器人完成清洗后,用除塵器或毛刷清理掉機身表面的粉末,圖13(a)、(b)分別為平面除漆及曲面除漆的前、后對比圖。在清洗后表面每條路徑均勻取5個區域,4條路徑共計20個區域,在每個區域中心附近用漆膜測厚儀檢測3個位置的表面殘余厚度,并取其平均值。圖14、15分別展示了平面不同區域殘余厚度均值和曲面不同區域殘余厚度均值,表3給出了上述不同區域均值的具體值。

表3 除漆后表面殘余厚度

圖13 除漆效果對比

圖14 平面不同區域殘余厚度均值

圖15 曲面不同區域殘余厚度均值

從圖13可以看出機身表面基本清洗干凈,進一步通過表3對照殘余厚度,平面區域各采樣點的漆膜殘余厚度均好于曲面區域,同時平面區域平均殘余厚度為6.5 μm,曲面區域平均殘余厚度為21.3 μm,平面清洗效果優于曲面清洗。存在殘余漆層一是因機身鋁合金表面氧化膜、漆層厚度不均及機身表面的一些凹坑及損傷;二是因為示教的除漆路徑不能夠完美的貼合機身表面的形狀,在除漆過程中存在著離焦的現象。

5 結 論

1)針對飛機維修過程表面除漆自動化的需求,結合某無人偵察機的機身特點,開發了一套機器人激光除漆系統。采用改進D-H法對除漆機械臂進行了運動學分析,利用MATLAB繪制了機械臂工具中心點的工作空間,并對機器人Z向運動進行了重復性測試,其最大值為0.039 mm。

2)以無人偵察機DR-5為驗證對象,針對機身平面區域和曲面區域進行了機器人激光除漆實驗。平面區域漆膜平均殘余厚度為6.5 μm,曲面區域漆膜平均殘余厚度為21.3 μm。結果表明,機身表面基本清洗干凈。