基于机械手的飞机部件铆接系统设计

赵俊英 余丰闯 哈 博 邓联喜

（1.天津中德应用技术大学 汽车与轨道交通学院，天津 300350；2.珠海市技师学院 智能控制系，珠海 519000）

航天航空装备制造业是影响国民生活、经济的重要产业。装配过程是影响其生产周期的因素之一[1]。飞机的装配过程以螺纹铆接为主体，因此飞机铆接质量对飞机寿命影响很大[2]。

传统人工铆接的工作流程包括制孔、扩孔、注胶以及铆接等步骤[3]。航空制造业的发展对飞机的装配要求越来越高，而人工铆接在加工精度、效率、质量以及准确性方面均存在不足[4]，使得自动铆接技术在飞机装配中的应用越来越广泛。例如，在波音公司旗下，B-747装配过程中自动铆接占总加工量的73%[5]。可见，基于机械手的自动铆接技术是一个重要的发展方向[6]。对机身大面积表面和机身机翼结合处的空间进行操作时，由于装配要求高，空间狭小，导致人工操作困难。运用机械手自动铆接可解决这一问题，提高铆接飞机部件的自动化铆接程度。

基于以上背景，文章设计并搭建了基于机械手的飞机部件铆接系统，并对控制方案进行了分析探究与实验验证。

1 系统组成

1.1 系统整体架构

系统整体架构如图1所示。系统采用三菱FX2N可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为总体控制器，利用三菱RV-2SQ机械手和顶铁单元，通过输送单元自动传送至飞机蒙皮下，配合完成自动铆接过程[7]。

1.2 末端执行器

末端执行器的主要作用是制孔、送钉、与顶铁配合完成压铆。根据制孔需要，机械手制孔系统主要由法向检测系统、压紧系统、打孔系统、送钉系统及铆接系统组成。压紧机构主要由气缸、压力传感器及支架组成。整个压紧机构由一个气缸向前推动，通过调节阀来控制气缸的活动范围、速度以及力的大小。钻孔机构主要包括两个电机、丝杠滑台和刀具，采用伺服电机作为进给电机，采用直流电机作为旋转电机，作动力输。送钉机构主要由送钉装置气缸、输钉管以及套筒构成。由于铆钉体积小、质量轻，故套筒选用铝合金材质。

末端执行器通过法兰与机械手连接。完成打孔工作后，机械手只需要上下移动一定距离，便可以开始送钉工作。

1.3 机械手移动装置

机械手的运动范围有限，为了完成对飞机蒙皮的制孔任务，设计传输导轨来达到扩大其运动范围的目的。运行时，将机械手与移动滑台连接，由伺服电机驱动同步导轨使滑台移动，由导轨两端的限位传感器限制滑块的移动范围。

移动滑台会根据指令位置移动到蒙皮制孔区域，以达到对机械手进行辅助定位的目的。该机械手输送单元的运动具有以下特点[8]。第一，行程长。由于该型号机械手的运动范围只有500～1 000 mm，而飞机蒙皮的尺寸较大，制孔区域较广，为了能够满足加工要求，将导轨的长度设计为2 m。第二，精度高。机械手自动钻孔系统对加工孔的定位精度不仅受机械手自身的定位精度影响，而且传输单元的运动精度同样是决定制孔精度的关键。第三，快速稳定。在保证移动滑台运动平稳的情况下，应尽可能提高传送速度，保证机械手自动钻孔的效率。

1.4 顶铁移动装置

顶铁移动装置是由电机带动丝杠完成水平、竖直方向移动，以满足两个自由度的工作要求。机械手工作时，通过舵机控制它上方的倾斜器旋转方向和角度来带动连接关节的运动，从而满足控制机械手的旋转。本文铆接装置上安装两部舵机控制机械手左右摆动和上下摆动，可满足旋转方向两个自由度。

1.5 待加工件夹具

对于飞机蒙皮等薄壁类部件，在加工环节容易发生塑性形变。因此，设计时应保证夹具对飞机蒙皮在制孔过程中的刚度，同时需易于拆卸，不应在操作上存在太大的难度。当夹具对蒙皮夹紧时，飞机蒙皮的定位不可被破坏，因此要选择最佳的着力点和夹紧力方向。同时，蒙皮夹紧后的形变及受压表面的影响程度要保证不超过允许的范围。综上所述，设计了如图1中所示的飞机蒙皮夹具。

2 运行方案

机械手自动铆接时受到移动范围限制，但是飞机蒙皮的尺寸大且需要铆接点众多。基于此情况，如果通过移动单元频繁改变机械手的位置，会降低效率，造成能源浪费。在保证制孔精度和系统稳定性的前提下，为提高工作效率，进行了机械手运动路径优化。

例如，对于如图1所示的飞机蒙皮部分，在铆接方案中将其分为3块区域，如图2所示。首先，将机械手移动到第一位置点，对P1-P4、P31-P34点进行制孔。其次，移动到第二制孔区域，分别对P5-P8、P27-P30、P56-P60、P46-P50、P51-P55、P61-P65点进行制孔。最后，机械手将会移动到第三位置点，对P9-P12、P23-P26、P13-P22、P35-P45点进行制孔。由于在同一孔排位置进行制孔时，机械手的姿态不会发生改变，因此在程序编辑中主要以托盘码垛的指令方法进行制孔，提高制孔效率。

图3为铆接系统工作流程图。系统上电并启动后，机械手和顶铁移动装置开始运动，同步进行制孔位置定位。定位准确后，机械手末端执行器压紧气缸伸出，实现工件压紧；完成工件压紧后，直流电机带动钻头旋转，伺服电机通过丝杠使钻头前进完成打孔；打孔结束后，直流电机和伺服电机开始反转，实现退刀功能；退刀结束后，压紧单元气缸缩回，机械手整体上移，送钉气缸工作进行送钉；接着末端执行器变位到压铆姿态，同时顶铁调整至与该点中法线垂直姿态，并沿中法线方向进给实现压铆[9]。

3 实验验证

选取尺寸为1 200 mm×600 mm的飞机蒙皮进行验证实验。一方面，进行手动运行实验，根据点的位置判断机械手的运动范围和动作顺序，判断是否对周围部件发生干涉等错误现象。另一方面，进行自动运行实验，记录并测试自动铆接系统完成工作的完整性、稳定性、精度和效率等。实验结果表明，该系统符合飞机部件铆接需求[10-11]。

4 结语

针对飞机上的部件形状材料复杂、加工难度高、形位精度要求严格等特性，设计并搭建了基于机械手的飞机部件自动铆接系统，并设计了末端执行器、机械手移动装置、顶铁移动装置以及待加工件夹具等，分析并探究了保障制孔精度的控制方案。利用该系统对某飞机蒙皮模型进行自动铆接实验验证，结果表明该系统达到了精度要求，具有一定的稳定性，同时提高了铆接效率。