民用大飛機整機外表面自動涂裝解決方案

中圖分類號：V260.6 文獻標志碼：A 文章編號:2095-2945(2025)14-0006-04

Abstract:Inthelarge-areaautomaticspraying technologyofcivillargeaircraftsurfaces，inviewofthefactthatthesurface areatobesprayedoftheaireraftisverylargeandtherepeatedpositioningacuracyoftheaireraftsparkingpositionisnot high，basedon3Dmeasurementandpositioningtechnologymarkpointsarecalibratedatspecificpostionsofthelargeaireat.， measureheaireraftofset，adjusttherobotsprayingtrajectoryacordingtotheofset，andzonetheaircraft，thereycopleting theautomaticzoningpaintingoftheoutersufaceofthelargeaircraft.Thispaperfocusesonintroducingthemechanical structure ofthesprayingsystem，3Dmeasurementandpositioning method，thecompositionoftherobotsprayingsystemandtherealization method of the control system，and verifies them with experimental data.

KeyWords: painting; large aircraft spraying; 3D measurement and positioning; robot spraying; ofline programming

自動化涂裝技術已廣泛應用于汽車、機械、建筑等行業，但是大飛機外表面的自動化涂裝技術目前尚未推廣。據了解以國際目前的科技水平，國外的空客公司和CTI采用機器人涂裝技術，其他國內外飛機制造企業均采用人工噴涂方式，噴涂效率低，穩定性差，噴涂成本高。

某大型客機是我國按照國際通行適航標準自行研制、具有自主知識產權的噴氣式干線客機，從大飛機整機噴涂工藝流程看，一個噴涂作業循環可以大致分為前處理、自動噴涂和后處理3個主要過程，包括諸多主要環節，而一個完整的涂裝需要若干個自動噴涂作業循環。這其中涉及到了諸多技術含量高，難度系數大的工藝，期間采用的材料甚多，此前該客機表面噴涂需要由經驗豐厚的技術人員站在機庫的懸掛升降平臺上，人工對飛機進行分區，操控懸掛升降平臺至相應位置，分區完成對整機的噴涂。

基于此需求，我公司研發了一套基于3D視覺定位技術，采用機器人自動噴涂工藝，自動完成對大飛機外表面的自動噴涂系統。該自動噴涂系統主要應用于飛機大面積的噴漆作業，包含全機底漆、全機底色漆、全機清漆。局部的圖案或彩帶暫不包含在本系統規劃之內。

1 系統構成

本系統為實現機器人對飛機整機外表面的自動定點噴漆，系統主要包含懸掛升降平臺系統、機器人安裝平臺、3D測量定位系統、噴漆機器人系統、噴漆系統、防碰撞系統、總體控制系統。圖1為系統整體布局圖。

大飛機以中軸線為界分成對稱的兩大面，每一面由一臺安裝于懸掛升降平臺的噴涂機器人完成外表面噴涂，機器人安裝平臺、3D測量定位系統、噴漆機器人系統、噴漆系統、防碰撞系統和分站控制柜均安裝于懸掛升降平臺，通過總線通信由位于控制室的主

控單元統一協調控制。

1.1懸掛升降平臺系統

為保證機器人對飛機外表面噴漆的可達性，采用大行程三坐標搬運形式移動噴漆機器人，以滿足噴涂范圍覆蓋到整體機身，飛機左右兩側各設置一組懸掛升降平臺，分別完成單側的噴涂任務。

每組懸掛升降平臺由1套機器人升降工作平臺、1套平臺小車、1臺3支點雙梁懸掛起重機、1套卷筒式起升系統、1套伸縮套筒機構、1套工作平臺及1套起重機軌道等構成。

1.1.1 起重機軌道

X 方向平移行程較長，對載重要求高，因此3條起重機軌道采用專業起重型材焊接，等間距鋪設于噴房主體結構中，剛性好，滿足承重要求的同時保證整體運行的平穩，軌道長度貫穿整個飛機機身。

1.1.23支點雙梁懸掛起重機

起重機以3條起重機軌道為支點，采用雙梁形式，通過軌道小車在 X 方向實現長距離移動，從保證噴漆機器人噴涂點位準確無誤和防碰撞安全因素考慮，驅動形式為伺服電機加編碼器信息全閉環反饋，可調間隙的齒輪齒條傳動，滿足 X 向的運行精度。

1.1.3 Y方向平臺小車

Y 方向平臺小車，同樣采用伺服電機驅動，齒輪齒條傳動，帶動伸縮套筒及機器人工作平臺在雙梁之間移動，橫向行程可覆蓋機翼最邊緣。

1.1.4卷筒式提升系統

由于室體凈高有限，飛機外表面不規則，高度方向起伏大，升降行程大，為避免升降系統結構過大造成與飛機機身的十涉， Z 方向提升系統采用卷筒鋼絲繩結構，與伸縮套筒結合完成機器人工作臺的升降。通過變頻電機加編碼器驅動，帶動卷筒旋轉，卷筒卷繞鋼絲繩提升工作平臺，提升裝置主要結構包括變頻電機、減速器、卷筒、鋼絲繩和滑輪組等部件，這種結構的優勢為輸出，電機啟動經減速器減速后，帶動卷筒旋轉。變頻電機，帶制動級編碼器并有信息全閉環反饋功能。卷筒卷繞鋼絲繩，通過滑輪組和吊鉤系統，實現平臺的提升或下降，這種結構能夠以較小的力提升重物，平穩且節省空間。

1.1.5 伸縮套筒機構

伸縮套筒與平臺小車聯接，豎直安裝，套筒分為4級，各級伸縮量總和為整體的升降行程，最上級的方筒長寬尺寸最大，以下依次減少，卷筒中的鋼絲繩鉤掛住最內層的方筒，每兩級套筒間安裝高精度直線導軌，以保證運行過程的穩定性，卷筒機正反向旋轉，套筒伸縮，實現工作平臺升降，每級行程末端設置限位塊及位置檢測開關。

1.1.6機器人工作平臺

機器人工作平臺安裝于伸縮套筒末端，是整套系統的執行機構。工作平臺由噴漆機器人、控制柜、輸供漆系統及視覺系統組成。機器人置于平臺前部，與其身后控制柜聯接。輸供漆系統隨行，油漆管路短，可減少損耗，提升噴槍開關的靈敏度。視覺系統用于飛機定位檢測。

1.2 3D測量定位系統

本測量系統由3D視覺定位設備、標記點、數據處理計算機、數據處理算法組成，選用梅卡曼德Mech-eyeLaserL工業級3D相機。整機分為三大部分進行測量，分別是機身部分、左機翼部分、右機翼部分。在每一部分分別設置標記點。3D視覺識別設備安裝在懸掛升降平臺上，由平臺移動到預先設定的標記點識別位置。3D視覺識別設備主要負責識別各個標記點，數據處理算法通過標記點的三維位置信息計算出飛機各部分的位姿偏差，然后輸出到機器人控制系統，進而修正噴涂軌跡。

1.3機器人噴涂系統

1.3.1 噴涂機器人

該系統采用的staubliRX16OLPAINT機器人，是一款性能卓越的噴涂機器人，配備的CS8C型控制器是一款高性能、高可靠性的工業機器人控制器，它采用了模塊化設計，集成了多核處理器、實時操作系統、冗余設計以及集成安全功能，確保了機器人運動的精確控制、高速處理和系統的高穩定性與安全性。

1.3.2 機器人離線編程

本系統的編程主要以離線軟件StaubliRoboticsSuite(SRS)編程為主。

選擇滿足噴漆質量（干膜厚度、外觀要求等）的噴漆參數（出漆量、噴漆速度、重疊率等）作為離線編程的基本依據，在機器人離線編程軟件中導人機器人數據包、飛機三維數模，加上3D測量定位系統測量出的飛機位置偏差，生成離線機器人噴涂軌跡。

1.4噴漆系統

供漆系統包括涂料調壓器、涂料攪拌器及油漆桶、清洗用溶劑桶、配套管路、在線油漆計量系統。噴具采用GRACO的自動空氣靜電噴槍，具備涂料流量、霧化空氣、扇幅獨立調整功能。

1.5 防碰撞系統

機器人安裝防碰撞系統組件，將噴槍與機器人連接成一個整體結構，支架上安裝防碰撞接觸式微動開

關及激光測距傳感器，實現與機器人聯鎖控制。人工示教或離線仿真軟件生成的軌跡進行調試時，激光測距傳感器均處于檢測狀態，

2 總控系統

2.1 總控系統的硬件

決控系統的硬件包括主控計算機、總控制柜、機器人噴涂系統柜、懸掛升降平臺控制系統以及外圍設備。主計算機放置于總控柜，在噴漆作業過程中具備人機交互、機器人軌跡規劃、系統狀態管理、數據庫管理等功能；總控內配備西門子PLC，在噴漆作業過程中完成信息采集與處理、信息交換、噴漆作業指令生成和下達等功能；機器人噴涂系統柜安裝機器人控制柜、輸供漆控制模塊及3D測量定位系統工控機，負責機器人、涂料工藝系統及3D測量定位系統的控制；懸掛升降平臺控制系統負責機器人安裝平臺的控制；PLC負責防碰撞系統等外圍設備的控制，圖2是控制系統框圖。

2.2 總控系統的軟件

總控系統的軟件包含主控系統、懸掛升降平臺系統、3D測量定位系統、飛機曲面劃分、機器人軌跡規劃生成、噴涂工藝參數設定、數據采集和報警信息等模塊。

2.2.1 主控系統

完成各個模塊的信息交互和整個噴涂系統各部分的協調作業。

2.2.2懸掛升降平臺系統

接收來自主控系統的位置信息并反饋位置信息，負責噴涂機器人在整個機庫上、下、前、后、左、右方向的整體移動，大大拓展機器人的噴涂范圍。

2.2.3 3D測量定位系統

完成大飛機的定位測量，通過算法處理，計算飛機的位置偏差數據

2.2.4飛機曲面劃分

根據噴涂機器人工作范圍，將大飛機外表面劃分成可分區噴涂的小塊。

2.2.5 機器人軌跡規劃生成

機器人通過離線仿真軟件進行離線仿真，導人飛

機數模，加上3D測量定位系統計算出的大飛機位置偏差，快速生成機器人噴涂運動軌跡，根據需要進行人工修正不合適的軌跡點。

2.2.6 噴涂工藝參數設定

完成噴漆工藝參數的管理，可修改扇面、流量、霧化相關的噴涂工藝參數等，可完成對1KE參數的監控，計算涂料用量等。

2.2.7 數據采集

噴涂作業流程中生成的數據（工件信息、機器人位置信息、升降平臺狀態、輸調漆系統參數、工藝控制參數、能耗、與外圍設備信息交互等）現場實時采集的環境數據(溫度、濕度），以上數據均采用數據庫統一管理，并可在主控計算機界面上顯示。

2.2.8 報警信息

記錄噴涂系統報警信息，生成報警記錄，在報警界面彈出報警提示。

2.3 工作流程

工作流程：在大飛機進人噴涂區后，首先需要對飛機位置和位姿進行標定和處理，3D測量定位系統將處理信息反饋至主控系統，主控系統將位置偏差傳給機器人系統，生成機器人噴涂軌跡，系統開始運行噴漆自檢程序。系統確認以上信息正確后發出工作指令，主控系統將調度懸掛升降平臺從初始位置運動至第一個待噴漆區域；到達預定作業區域后，懸掛升降平臺停止運動，機器人開始噴漆；在一個作業區域噴漆完成后，機器人和噴漆系統暫停作業，懸掛升降平臺運行至下一個待噴漆區域，重復上述噴漆過程，直至噴漆程序執行完畢，懸掛升降平臺帶機器人回安全位置。在整個懸掛升降平臺行走和噴涂過程中，防碰撞系統實時檢測噴涂設備和飛機的安全距離以保證安全作業。

飛機分區提前規劃好，以飛機右側表面為例，飛機表面被分為15個區域：2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G和1H，如圖3所示。

2.4 程序設計

總控系統和懸掛升降平臺系統采用西門子的TIAPortal作為編程平臺，主計算機界面選用西門子的WinCC作為軟件開發平臺，機器人程序則以StaubliRoboticsSuite(SRS)軟件為主，以機器人示教器為輔。總控系統程序流程圖如圖4所示。

3 噴涂工藝試驗

3.1 飛機噴板實驗數據

3D測量定位系統能對大飛機實現精確定位，整個系統對大飛機實現分區噴涂。

右側機器人噴涂槍速為 0.5m/s. 吐出量為 200CC/min 成型空氣和扇幅空氣均為 300mm ，噴涂區域為機身右側前半部分，對應區域為1A、1B、1C、1D、2A、2B、2C、2D，其中在1A、1B、1C、2A、2B5個區域，每個區域中搭接位置3塊，正常區域3塊共放置6塊試驗板，測試膜厚的差異

3.2試驗結果及分析

實測膜厚大部分都在正常范圍 10.2～25.4μm 的下限區域，符合正常范圍 10.2～25.4upmum 的數據。

4結束語

目前，該自動噴涂系統已成功應用于某飛機制造有限公司的客機外面表的自動噴涂，在節省油漆，節省人力成本，提高噴涂效率，提升噴涂質量和穩定性，增加漆膜厚度的均勻性，改善人工作業環境等方面均有顯著作用，對我國大型工件外表面自動涂裝設備的技術創新起到積極的推動作用。該應用中3D視覺定位技術可推廣至焊接和裝配行業大型工件的定位應用需求中。

參考文獻：

[1]何鼐.我國飛機蒙皮涂層的現狀[J].中國涂料，1990（1)：45-47.

[2]宋袁曾，陳潔，毛景.大型飛機整機涂裝自動化實施探討與展望[J].航空制造技術，2016(10)：52-56.

[3]繆東晶，吳聊，徐靜，等.飛機表面自動噴涂機器人系統與噴涂作業規劃[J].吉林大學學報(工學版)，2015，45(2)：547-553.

[4]成大先.機械設計手冊(第2卷)[M].5版.北京：化學工業出版社，2016.

[5]杜文正，吳鵬，姚曉光，等.多級柔性伸縮臂系統建模與運動控制[J].機械設計與研究，2017，33(1)：35-39.

[6]趙宏劍，王崇，張波，等.桶形工件內表面自動涂裝解決方案[J]制造業自動化，2012，34（24)：74-77.