飞机整机自动喷涂系统初探

张 波，刘 晨，赵宏剑，卢 野，朱鹏涛

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，沈阳 110000）

0 引言

据资料表明美国军用飞机广泛采用机器人自动喷涂装备，如B-2轰炸机采用机器人喷涂系统喷涂其特种涂料涂层。该系统包含的4台机器人。每台独立控制的机器人被安排用来喷涂B-2的某一部分，其余部分由人工补喷。

F-22战斗机整机也是采用机器人喷涂方式，采用6 轴机器人安装在3 自由度直角坐标变位机上，喷枪水平活动范围可达8.4m，高度可达7.8m。飞机安装在移动承载台车上，在喷漆室内进行定位，采用iGPS进行飞机位姿检测，在喷涂过程中还可以将飞机举升到一定高度，方便机器人进行飞机下表面喷涂。F-35也采用类似的喷涂设备[1]。

在飞机大部件喷涂方面，国内也有研究机构进行了相关研究。2011年由沈阳飞机工业（集团）有限公司承担的科技重大专项“飞机进气道及尾翼自动喷涂装备”课题项目，研制出飞机进气道和尾翼自动喷涂装备[2～4]。

然而，我国飞机整机表面传统涂层的喷涂作业还完全依赖人工，存在施工环境差、作业难度大、涂层精度低等缺点，同时人工作业过程无法实现对喷涂姿态、油漆流量、喷枪雾化效果和喷涂轨迹等的控制，以致无法满足涂层的一致性和均匀性要求。另外，特种涂料涂层厚度厚，工艺施工需多遍喷涂，人工作业的施工效率也无法满足生产节拍要求，因此，自动化涂装是飞机涂装技术发展的必然趋势，自动喷涂设备是当前飞机涂料喷涂的必要装备。而该装备国内还没有成熟的喷涂设备可供使用。

本文对飞机整机自动喷涂系统进行初步的分析。系统由机械系统、控制系统、定位系统、供漆系统、监控系统等组成。

本文介绍机械系统、定位系统的设计。

1 机械系统

飞机喷涂范围大，表面复杂。以沈飞公司生产的J11B飞机为例，飞机外形尺寸为机长22米，机高5.935米，翼展14.948米，喷涂区域可分为机身、机翼、垂尾、平尾等部位，需要进行水平、倾斜、垂直表面和复杂曲面喷涂。即使将飞机表面分成不同区域，采用多台机器人同时作业，喷涂机器人的工作空间也无法满足要求。因此需要设计不同形式和布局的多自由度，大行程，高负载的机器人变位机，扩大机器人可达工作范围。

变位机系统包括一套飞机整机上表面自动喷涂的3自由度变位机和两套飞机整机下表面喷涂的2自由度变位机，下表面变位机分置在飞机两侧，分别实现飞机下表面左右半区的喷涂，系统布置如图1所示。

上表面喷涂系统变位机包括：1套沿机身纵向运动的X轴、1套沿飞机横向运动的Y轴和1套沿飞机高度运动的Z轴和用于维修和检测的走台等附属设施。

图1 自动喷涂系统布置图

图2 上表面喷涂系统变位机

X轴安放在在喷涂车间侧面牛腿的2根工字梁上，包括大车、驱动装置，车轮、走台等部分。大车由端梁和纵梁组成，在纵梁上设有工字梁和导向梁，用于Y轴的导向。由两侧伺服电机同步驱动车轮转动，在牛腿的工字梁上运动。

Y轴包括小车、驱动装置、导轮、齿轮齿条副、车轮等。齿条固定在X轴的纵梁上，交流伺服电机驱动齿轮回转，带动小车在X轴纵梁轨道上运动。导轮用于防止小车在喷涂时发生晃动。

Z轴包括驱动电机、螺旋升降器、4根直线导向副、缆线拖链、机器人安装平台，驱动伺服电机等部分，电机、螺旋升降器固定在Y轴小车车体上。由螺旋升降器丝杆带动机器人平台上下运动。喷涂机器人安放在机器人平台上。

下表面喷涂系统变位机包括沿机身纵向运动的X轴和沿飞机横向运动的Y轴。

X轴由交流伺服电机及减速机组、滑板、直线导轨副、齿轮齿条副、导轨基座、防尘装置、辅助支撑钢轨等部分组成。钢轨和防尘装置支撑平面与地面平行，便于其他装备通行。

Y运动轴由箱体、交流伺服电机及减速机组、滑板、直线导轨副、滚珠丝杠副，辅助支撑车轮等部分组成。电机驱动丝杠回转，带动螺母和滑板运动。机器人安放在滑板上。

图3 下表面喷涂系统变位机

2 定位检测系统

目前飞机进出喷漆厂房采用牵引车拖曳的方式。飞机体积巨大、移动困难，无法在喷房内实现精确定位，因此需要开发飞机位姿数字化检测及喷涂轨迹纠偏技术，测量飞机喷涂位置和示教位置之间的偏差值，用以补偿飞机整机喷涂时机器人运行轨迹偏差，以达到预期的喷涂效果。

目前常用的定位系统有激光跟踪仪和IGPS。和标准全球定位系统类似，IGPS同样是基于三角定位法的测量技术。与激光跟踪仪相比，IGPS可以同时测量多个目标点位置，且可以在车间内进行全局测量，测量点位置选择更加灵活。测量准备时间也更短，与此同时精度与激光跟踪仪相差无几。

IGPS系统包括多套激光发射器、标准杆、手持式探针、若干套动态跟踪器，以及控制系统组成。布置方式如图4所示。动态跟踪器安放在飞机特定的标记点上。

图4 IGPS工作示意图

3 结论

研究飞机整机自动喷涂装备，可以解决喷涂作业周期过长和涂层质量难以控制等问题，实现飞机制造从传统的手工喷涂作业向高效、智能、精确的自动化喷涂作业的跨越，满足飞机整机性能指标，提高产品质量，增强新一代飞机快速研制生产能力，提高航空工业核心竞争力。在国内大力发展航空工业和国防工业的背景环境下，具有重要的现实意义和战略意义。

[1]Seegmiller N A.Precision robotic coating application and thickness control optimization for F-35 final finishes[J].SAE Journal,2010(3).

[2]赵宏剑,王崇,张波,王刚.桶形工件内表面自动涂装解决方案[J].制造业自动化,34(12)：74-77.

[3]林青,沙春鹏,张波,徐磊,孙德奎,刘晨,赵宏剑,王崇.飞机进气道自动喷涂设备研制[J].制造业自动化,35(1)：92-93.

[4]赵宏剑,王刚,张波,沙春鹏,李慧,刘晨.飞机尾翼自动喷涂系统[J].制造业自动化,35(1)：153-156.