機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元及工藝技術(shù)

（中國(guó)航空制造技術(shù)研究院數(shù)字化制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100024）

隨著現(xiàn)代航空產(chǎn)品裝配技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)鉚接技術(shù)有了很大進(jìn)步，在航空產(chǎn)品制造中的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的水平。自動(dòng)鉆鉚機(jī)通常用于鉚接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)敞性好的翼面類(lèi)零部件的鉆鉚，這是由其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定的，使用受到很大限制[1]。

機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)既能用于飛機(jī)壁板類(lèi)、翼面類(lèi)等開(kāi)敞性好的組、部件的自動(dòng)制孔和鉚接等裝配作業(yè)，沿縱向長(zhǎng)距離移動(dòng)，完成對(duì)飛機(jī)各個(gè)部分鉆鉚加工而無(wú)需移動(dòng)工件[2]，也可以針對(duì)復(fù)雜裝配環(huán)境下的部件預(yù)先規(guī)劃路徑，大大提高鉆鉚效率、安全性及穩(wěn)定性[3]。系統(tǒng)采用智能控制、視覺(jué)圖像處理等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人協(xié)調(diào)操作、最優(yōu)路徑規(guī)劃和精確定位；系統(tǒng)可以安裝位移、振動(dòng)、溫度等傳感器，實(shí)時(shí)感知當(dāng)前的刀具、工件以及系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并進(jìn)行實(shí)施分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化鉆鉚工藝參數(shù)，進(jìn)行精度補(bǔ)償，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確裝配。

美國(guó)EI公司與空客聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)O.N.C.E，用于波音F/A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的鉆孔和锪窩。德國(guó)Brotje公司研發(fā)的RACE機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)，由兩臺(tái)KUKA機(jī)器人即末端執(zhí)行器組成，應(yīng)用于A320/A340中部分壁板結(jié)構(gòu)的裝配，結(jié)合末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制孔、自動(dòng)送釘、自動(dòng)鉚接等[4]。意大利B&C公司機(jī)器人鉆鉚設(shè)備已成功應(yīng)用于飛機(jī)的機(jī)翼、機(jī)身、艙口、尾翼等的加工及機(jī)身對(duì)接加工。美國(guó)GEMCOR公司研制的有關(guān)機(jī)器人用于鉆鉚工作的系統(tǒng)，應(yīng)用雙機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)加工部件的調(diào)姿，再配合C型鉆鉚機(jī)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的鉆鉚。

目前，國(guó)外自動(dòng)鉆鉚的研究向機(jī)器人、柔性工藝裝備、全自動(dòng)鉆鉚機(jī)并配合激光測(cè)量等組成柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng)方向發(fā)展[5]。國(guó)內(nèi)機(jī)器人制孔設(shè)備已有一定應(yīng)用，而機(jī)器人制孔與鉚接的結(jié)合還在研制和探索階段。隨著鈦合金、復(fù)合材料等在飛機(jī)制造中所占比例的增大，傳統(tǒng)鉚接工藝已經(jīng)難以滿足新材料的要求。國(guó)內(nèi)飛機(jī)裝配鉚接以手工鉚為主，工人在工件兩側(cè)分別使用手持風(fēng)動(dòng)鉚槍及頂鐵的方式進(jìn)行鉚接，體力消耗大，鉚槍噪音大，工作條件惡劣，鉚接質(zhì)量不能保證[6]。

1 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)構(gòu)成

飛機(jī)壁板機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)包含蒙皮柔性定位工裝、對(duì)稱布置在蒙皮柔性定位工裝兩側(cè)的機(jī)器人、蒙皮外側(cè)機(jī)器人持有的集制孔、鉚接、送釘?shù)裙δ芤惑w的多功能末端執(zhí)行器、內(nèi)側(cè)機(jī)器人持有的鉚接單元、集成控制系統(tǒng)、自動(dòng)供釘系統(tǒng)等[7]，機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)如圖1所示，機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能如表1所示。

1.2 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元工藝流程

鉚接是在外力作用下使鉚釘靠鉚接單元兩側(cè)同時(shí)作用產(chǎn)生彈塑性變形，形成鉚釘墩頭。鉚接單元一側(cè)為鉚槍，另一側(cè)為頂鐵，正鉚通常為鉚槍在釘桿側(cè)，頂鐵在釘頭側(cè)。在基于機(jī)器人的鉚接單元中，兩側(cè)壓力腳將蒙皮、長(zhǎng)桁壓緊，鉚接單元移至釘孔處，與另一側(cè)鉚槍配合進(jìn)行鉚接。

根據(jù)以上工序分析，機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接工藝流程如圖2所示。蒙皮外側(cè)頂鐵將推入釘孔的鉚釘釘頭頂緊；蒙皮內(nèi)側(cè)鉚槍進(jìn)給并鉚接，即外側(cè)多功能末端執(zhí)行器完成送釘、插入和支撐的作用，內(nèi)側(cè)鉚槍與鉚槍進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)給并提供壓鉚力。頂鉚上釘裝置安裝在一臺(tái)機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，居于鉚釘頭一側(cè)；鉚接單元安裝在另一臺(tái)機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，居于鉚釘桿一側(cè)。

2 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元

2.1 鉚槍工藝性匹配

電磁鉚槍后坐力小，對(duì)機(jī)器人的鉚接沖擊力小，適用于機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)[8]。另外，電磁鉚槍動(dòng)力頭以電為動(dòng)能，可靈活配置高低能量，也容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。針對(duì)鉚釘材料、夾層厚度、鉚釘直徑等參數(shù)開(kāi)展工藝試驗(yàn)，通過(guò)鉚接力測(cè)試裝置測(cè)試所需鉚接力，進(jìn)而確定鉚接電壓等工藝參數(shù)。

圖1 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)Fig.1 Robot drilling riveting system

表1 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

圖2 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接工藝流程Fig.2 Riveting process flow of robot drilling and riveting system

圖3 鉚接單元鉚接端Fig.3 Riveted part of riveting unit

2.2 鉚槍進(jìn)給

電磁鉚槍進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖3所示，在鉚釘桿側(cè)(即蒙皮內(nèi)側(cè))機(jī)器人上，其前端的壓緊裝置和另一側(cè)多功能末端執(zhí)行器上的壓力腳同時(shí)壓緊工件，消除夾層間隙，鉚接單元進(jìn)給，電磁鉚槍完成鉚釘?shù)你T接成形。

因此，電磁鉚槍的進(jìn)給位置的準(zhǔn)確性直接決定了鉚釘墩頭成型質(zhì)量，必須著重分析影響提高進(jìn)給位置精度的主要因素：鉚槍后坐力、進(jìn)給導(dǎo)向、壁板壓緊。

（1）鉚槍后坐力的緩沖。鉚槍鉚接時(shí)產(chǎn)生的后坐力由鉚接力測(cè)試裝置測(cè)出，通過(guò)緩沖組件吸收鉚接過(guò)程中電磁鉚槍的后坐力，保證鉚接后坐力對(duì)機(jī)器人的沖擊足夠小，盡量減少對(duì)機(jī)器人的位置精度的影響，提高電磁鉚槍進(jìn)給位置的準(zhǔn)確性。后坐力緩沖措施如圖4所示，主要有進(jìn)給機(jī)構(gòu)導(dǎo)向桿上加入彈簧，緩沖后坐力；進(jìn)給機(jī)構(gòu)后段加入緩沖柱吸收部分鉚接后坐力。另外，電機(jī)也可提供鉚接動(dòng)力頭的進(jìn)給動(dòng)力，并對(duì)動(dòng)力頭后坐力進(jìn)行緩沖，將鉚接過(guò)程沖擊力降到最小。

（2）進(jìn)給機(jī)構(gòu)導(dǎo)向。為保證鉚接時(shí)的垂直度，鉚槍進(jìn)給機(jī)構(gòu)具有導(dǎo)向功能，提供電磁鉚槍的直線進(jìn)給。進(jìn)給機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)向桿穿過(guò)鉚槍后支座的耳片結(jié)構(gòu)支撐鉚槍的后段，起導(dǎo)向作用，通過(guò)直線進(jìn)給機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鉚槍進(jìn)給。

（3）壁板壓緊。壁板壓緊裝置主要與另一側(cè)機(jī)器人的壓緊單元配合壓緊工件，消除工件的夾層間隙。因此，蒙皮外側(cè)機(jī)器人獲取工件的定位信息及法向信息，控制系統(tǒng)同步控制兩臺(tái)機(jī)器人帶動(dòng)末端執(zhí)行器靠近工件，兩側(cè)壓緊單元同時(shí)通過(guò)力控制壓緊工件。氣缸通過(guò)節(jié)流閥控制驅(qū)動(dòng)力，避免壁板工件受損。此外，壓緊裝置與鉚槍進(jìn)給裝置的進(jìn)給軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，壓緊裝置的位移可以實(shí)時(shí)反映鉚接過(guò)程工件的變形，作為鉚槍進(jìn)給軸的補(bǔ)償信號(hào)，保證鉚槍進(jìn)給位置的同時(shí)，確保壁板的表面光滑度。

2.3 鉚釘輸送及頂鉚

機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)，制孔單元完成壁板制孔后，鉚接單元應(yīng)將推入鉚釘孔的鉚釘頂緊，配合鉚槍及進(jìn)給機(jī)構(gòu)完成鉚釘?shù)你T接成型，實(shí)現(xiàn)頂鉚功能，鉚釘輸送及頂鉚機(jī)構(gòu)如圖5所示。

解決機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元鉚釘輸送與頂鉚技術(shù)，需要解決鉚釘夾持、頂鉚穩(wěn)定、送釘穩(wěn)定等問(wèn)題。

（1）夾釘。將鉚釘順利推入已制好的鉚釘孔中，夾釘?shù)姆€(wěn)定性至關(guān)重要。采用活動(dòng)夾爪結(jié)構(gòu)夾持鉚釘，兩夾釘爪鑲嵌在上釘器弧形槽口內(nèi)，通過(guò)橡膠圈箍在送釘器上。夾釘爪的后端為軸結(jié)構(gòu)，在無(wú)約束的情況下，夾爪均可以其后端為軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖6所示。夾爪上的橡膠圈對(duì)夾釘爪的約束力使得夾爪實(shí)現(xiàn)預(yù)定位，夾釘爪的前端為半筒形結(jié)構(gòu)，夾釘爪開(kāi)口尺寸與鉚釘公稱直徑為間隙配合，夾釘爪夾持并導(dǎo)向定位鉚釘。鉚釘桿推入鉚釘孔后，夾持件打開(kāi)，使得釘頭順利頂出夾釘爪。頂鐵推釘至鉚釘孔內(nèi)，直至夾釘爪被頂鐵撐開(kāi)，且開(kāi)口尺寸大于鉚釘釘頭端的最大尺寸，使鉚釘能夠順利被頂出。

通過(guò)上述方法，鉚釘輸送和頂鉚功能集成在同一工位上，實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器的小型化。上釘頂鉚機(jī)構(gòu)在插釘后立即頂緊釘頭端，也解決了機(jī)器人自動(dòng)鉚接時(shí)，插入裝配孔(間隙配合)內(nèi)的鉚釘向下傾斜受重力作用易滑落的問(wèn)題。

（2）頂鉚。頂鉚頂桿末端直徑根據(jù)釘頭直徑確定，推送鉚釘并頂緊，輔助電磁鉚槍鉚接成形。頂鐵前端與送釘管道的內(nèi)徑為間隙配合，送釘器對(duì)頂鐵起導(dǎo)向定位作用。

頂鐵承受較大的力，如圖7所示，其結(jié)構(gòu)卻細(xì)長(zhǎng)，屬于該機(jī)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)頂鐵進(jìn)行“屈曲”分析，保證其處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。頂桿與送釘器之間加彈性元件，以此來(lái)緩沖頂桿及氣缸承受的沖擊力，提高頂鉚裝置的穩(wěn)定性。

圖4 緩沖措施Fig.4 Buffer measures

圖5 上釘頂鉚端Fig.5 Sending rivet and holding out riveting

圖6 鉚釘夾持Fig.6 Gripping rivet

圖7 頂鐵Fig.7 Iron for holding out riveting

（3） 送釘。送釘管接頭連接柔性輸釘管道和上釘器，鉚釘在氣動(dòng)力作用下沿管道到達(dá)機(jī)器人多功能末端執(zhí)行器的上釘頂鉚機(jī)構(gòu)處，為了保證裝配的準(zhǔn)確性，輸釘管與上釘頂鉚機(jī)構(gòu)對(duì)接是關(guān)鍵。將管道直接斜插進(jìn)頂桿運(yùn)動(dòng)的送釘器腔，鎖緊銷(xiāo)連接，使鉚釘能順利進(jìn)入送釘器的釘膛處，同時(shí)不阻擋頂桿通道?？拷歪敼芙宇^的吹釘管處安裝傳感器，檢測(cè)鉚釘通過(guò)后，送釘管停止送釘[9]，如圖8所示。

送釘管接頭直接斜插入送釘器腔，其最佳角度需通過(guò)計(jì)算與工藝試驗(yàn)確定[10]，且對(duì)柔性送釘管道的直徑有一定要求。

3 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元驗(yàn)證試驗(yàn)

利用機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)對(duì)模擬件進(jìn)行機(jī)器人鉆鉚試驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元有效性和穩(wěn)定性，鉚接單元工藝試驗(yàn)如圖9所示，驗(yàn)證試驗(yàn)步驟如下。

步驟1：將機(jī)身中段前上壁板模擬件（包含蒙皮、墊板、長(zhǎng)桁、框緣、補(bǔ)償片、角片等）安裝在模擬件定位工裝上，長(zhǎng)桁與蒙皮用鉚釘預(yù)連接，每隔約300mm預(yù)制基準(zhǔn)孔。

步驟2：初始化機(jī)器人數(shù)字化鉆鉚系統(tǒng)。

步驟3：利用照相測(cè)量?jī)x器確定基準(zhǔn)孔的孔位，根據(jù)基準(zhǔn)孔計(jì)算制孔孔位。

步驟4：將兩側(cè)的機(jī)器人均移動(dòng)到制孔區(qū)域，利用末端執(zhí)行器上安裝的多個(gè)激光測(cè)距儀測(cè)量制孔孔位的法向。

步驟5：根據(jù)制孔孔位的法向測(cè)量結(jié)果，調(diào)整機(jī)器人的制孔、鉚接單元的軸向；分別從兩側(cè)壓緊長(zhǎng)桁和蒙皮，啟動(dòng)吸塵、制孔、送釘和鉚接。

步驟6：末端執(zhí)行器回零。

步驟7：將兩側(cè)的機(jī)器人均移動(dòng)至下一制孔區(qū)域。

本次試驗(yàn)用鉚釘牌號(hào)為HB 6298-2002，墩頭成形標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)HB/Z 223.3-2003，滿足鉚接工藝要求為4.0mm鉚釘?shù)亩疹^直徑為6.0±0.4mm，墩頭高度≥1.6mm。試驗(yàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。

鉚接共完成4mm鉚釘鉚接60個(gè)，電壓范圍從220V到320V，以20V為一檔，每檔鉚接10個(gè)鉚釘，鉚釘墩頭直徑及墩頭高度隨電壓變化趨勢(shì)產(chǎn)生相應(yīng)變化，其變化趨勢(shì)如圖10～11所示。

依據(jù)圖10可知，墩頭直徑隨電壓升高而增大，電壓為240V和300V時(shí)，墩頭直徑合格率達(dá)到100%；依據(jù)圖11可知，墩頭高度隨電壓升高而減小，電壓從220V到280V，墩頭高度合格率均達(dá)到100%。因此，依據(jù)墩頭尺寸要求，試驗(yàn)獲得4mm鉚釘合理鉚接電壓范圍為（290±10）V。

圖8 送釘過(guò)程Fig.8 Rivet feeding

圖9 鉚接單元工藝試驗(yàn)Fig.9 Riveting unit process test

圖10 墩頭直徑隨電壓的變化Fig.10 Variations of pier head diameter with voltage

圖11 墩頭高度隨電壓的變化Fig.11 Variations of pier head height with voltage

表2 機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)鉚接單元驗(yàn)證試驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)論

本文在對(duì)機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)工藝過(guò)程分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器人的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)鉚接工藝進(jìn)行分析，突破鉚接單元技術(shù)，完善機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)。鉚接單元作為功能性單元，集成在機(jī)器人多功能末端執(zhí)行器上，它與上釘頂鉚機(jī)構(gòu)分別安裝在兩側(cè)機(jī)器人上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送釘和鉚接成型，應(yīng)用于某型飛機(jī)機(jī)翼壁板的裝配，可有效提高壁板鉚接質(zhì)量、縮短飛機(jī)裝配周期。

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