機器人鉆鉚系統(tǒng)數(shù)控移動平臺的設(shè)計與分析

魏 超

（中國航空制造技術(shù)研究院， 北京 100024）

引言

隨著現(xiàn)代航空產(chǎn)品裝配技術(shù)的不斷發(fā)展，自動鉚技術(shù)已經(jīng)被世界各航空制造企業(yè)廣泛應(yīng)用于飛機的實際生產(chǎn)中。然而現(xiàn)階段常用的自動鉆鉚機，由于受到自身結(jié)構(gòu)的限制，還只能用于鉚接結(jié)構(gòu)簡單、開敞性好的零部件，存在著裝配柔性低，適用面窄的問題。因此，目前國內(nèi)外對于自動鉆鉚技術(shù)的研究正在向包含工業(yè)機器人的柔性自動化裝配系統(tǒng)方向發(fā)展。與傳統(tǒng)的自動鉆鉚方式相比，機器人自動鉆鉚系統(tǒng)可以沿縱向長距離移動，能夠完成對飛機各個部分鉆鉚加工而無需移動工件，這就大大提高了加工精度和效率，為飛機柔性裝配提供了一種選擇，具有重要意義[1]。

1 機器人自動鉆鉚系統(tǒng)概述

機器人自動鉆鉚系統(tǒng)包含工業(yè)機器人、移動平臺、壁板及其工裝、末端執(zhí)行器、自動送釘系統(tǒng)，測量系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)等。系統(tǒng)具體組成如圖1所示。

圖1 機器人自動鉆鉚系統(tǒng)組成

整個機器人自動鉆鉚系統(tǒng)工作時，首先利用激光跟蹤儀和數(shù)字測量系統(tǒng)建立坐標(biāo)系，再由機器人控制系統(tǒng)和自動鉆鉚控制系統(tǒng)控制數(shù)控移動平臺輔助工裝兩側(cè)機器人定位至合適的作業(yè)區(qū)域。到達(dá)指定區(qū)域后，兩側(cè)機器人協(xié)調(diào)進行姿態(tài)調(diào)整，完成各末端執(zhí)行器的精確定位，完成壓緊、制孔、锪窩和鉚接等工作，最后由數(shù)字化測量系統(tǒng)對定位精度進行檢測。這其中各個組成部分的功能如下：

1）工業(yè)機器人。兩臺工業(yè)機器人作為核心設(shè)備，分別對稱布置在工裝兩側(cè)，利用其自身具有6自由度的大柔性特點，一側(cè)機器人負(fù)責(zé)制孔末端執(zhí)行器的定位和調(diào)姿，另一側(cè)機器人負(fù)責(zé)鉚接末端執(zhí)行器的定位和調(diào)姿。

2）數(shù)控移動平臺。用于擴大機器人工作空間，彌補單個工業(yè)機器人可達(dá)空間有限的不足，使整個系統(tǒng)能夠滿足不同飛機零部件的鉆鉚需求。

3）工裝。主要用來夾持、定位壁板，保證其理論外形。

4）制孔末端執(zhí)行器。安裝在一側(cè)機器人的末端，由機器人控制系統(tǒng)控制，實現(xiàn)鉆孔、锪窩，送釘?shù)葎幼鳌?/p>

5）鉚接末端執(zhí)行器。安裝在與制孔末端執(zhí)行器對側(cè)的機器人末端，具備壓緊、鉚接的功能，與制孔末端執(zhí)行器配合實現(xiàn)鉚接。

6）自動供釘系統(tǒng)。將鉚釘進行離散、定向排列，并通過柔性輸釘管為制孔末端執(zhí)行器提供鉚釘。

7）測量系統(tǒng)。主要包括激光跟蹤儀等，用于測量，坐標(biāo)系的建立和位置標(biāo)定等。

8）軟件系統(tǒng)。其包括機器人控制系統(tǒng)、機器人鉆鉚控制系統(tǒng)、離線編程與仿真模塊等。

2 數(shù)控移動平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到數(shù)控移動平臺用以安裝機器人，并輔助其定位至指定區(qū)域，因此整個系統(tǒng)的定位精度，除了受到機器人自身精度的影響外，在很大程度上還與數(shù)控移動平臺有關(guān)。為了保證數(shù)控移動平臺自身具有較高的定位精度和良好的剛度，該型數(shù)控移動平臺具有以下兩個方面的特點：

2.1 結(jié)構(gòu)形式

從結(jié)構(gòu)上來看，整個數(shù)控移動平臺（如下頁圖2所示），主要包括床身，轉(zhuǎn)接平臺、座臺、導(dǎo)軌、齒條、減速機座，減速機，伺服電機等。

圖2 數(shù)控移動平臺的構(gòu)成

為了獲得良好的剛度和吸振性，床身和座臺都是采用整體鑄造的形式，避免了因焊接殘余應(yīng)力帶來的變形等問題，同時因自身較重，還起到了配重的作用，有效地保證了整個系統(tǒng)運動時的平穩(wěn)，不會發(fā)生振動。機器人就安裝在座臺上，座臺通過轉(zhuǎn)接平臺與床身連接，轉(zhuǎn)接平臺下部設(shè)有導(dǎo)軌導(dǎo)向，為機器人提供一定范圍內(nèi)工作空間的導(dǎo)向，從而滿足飛機裝配過程中由于零部件尺寸較大，導(dǎo)致機器人自動鉆鉚區(qū)域也較大的工作需求。

2.2 傳動方式

受到大行程的影響，數(shù)控移動平臺已經(jīng)不能使用常用的滾珠絲杠傳動，而是選用了更適合于大行程的可拼接式齒輪齒條傳動方式。但是，與滾珠絲杠相比，齒輪齒條傳動在有其獨特優(yōu)勢的同時，也存在一定不足，主要反映在齒輪存在側(cè)隙，反轉(zhuǎn)時帶來空程，使機構(gòu)不能準(zhǔn)確定位。

目前，消除側(cè)隙的方法很多，按原理大致可以分為機械消隙和電控消隙兩種。其中電控消隙常采用雙電機消隙的方法去除齒輪齒條的側(cè)隙，與機械消隙相比，避免了因長時間工作引起的齒面磨損帶來的精度損失[2]。現(xiàn)結(jié)合本套數(shù)控移動平臺將雙電機消隙的原理作如下簡述：

雙電機消隙，驅(qū)動采用1號和2號兩套伺服系統(tǒng)，以構(gòu)成一個聯(lián)動的伺服系統(tǒng)，具體原理如圖3所示，兩套伺服電機分別通過各自減速機驅(qū)動輸出軸上相應(yīng)的1號齒輪和2號齒輪，使它們與齒條嚙合，實現(xiàn)運動。當(dāng)數(shù)控移動平臺處于靜止?fàn)顟B(tài)時，兩個齒輪各自貼緊于齒條面，且驅(qū)動扭矩大小相等，方向相反，此時并不存在傳動間隙的問題。當(dāng)數(shù)控移動平臺往某一方向運動時，伺服電機驅(qū)動相應(yīng)一側(cè)的齒輪轉(zhuǎn)動，同時克服另一側(cè)齒輪的反向扭矩，以此實現(xiàn)這一方向的運動。按照這一原理，即不論數(shù)控移動平臺運動的方向如何，一旦運動，就總有一個齒輪和齒條始終保持單面貼合，從而有效消除間隙，保證整個數(shù)控移動平臺的高精度運行。

3 數(shù)控移動平臺的有限元分析

圖3 雙電機消隙原理示意

結(jié)合機器人自動鉆鉚系統(tǒng)的工作特性，可以分析得出數(shù)控移動平臺作為整個系統(tǒng)的的關(guān)鍵零部件之一，對整個系統(tǒng)的工作性能有著十分重要的影響。為了保證系統(tǒng)具有良好的工作性能，就需要對這一關(guān)鍵部件進行靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析，校核當(dāng)系統(tǒng)處于作業(yè)狀態(tài)時，數(shù)控移動平臺的等效應(yīng)力，位移變形情況，以此驗證設(shè)計的可行性。

3.1 幾何模型簡化

考慮到數(shù)控移動平臺的不必要零部件以及多余的螺釘孔，會很大程度地限制有限元分析網(wǎng)格的大小，影響整個結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格分布，增加網(wǎng)格的數(shù)量、使分析模型過于復(fù)雜[3]。因此，在將數(shù)控移動平臺模型導(dǎo)入ANSYS Workbench之前，須對模型作簡化處理，以縮短分析時間，簡化后的模型如圖4所示。簡化的原則如下：

1）去除設(shè)計模型中不受力或者受力很小的零部件，如伺服電機、減速機、行程開關(guān)、墊片等。這些零部件在進行有限元分析時對數(shù)控移動平臺的影響很小，可以忽略不計。

2）去除零件中的細(xì)微特征。如床身、轉(zhuǎn)接平臺、座臺、導(dǎo)軌等的螺釘孔，定位銷孔等，這些特征不會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，但在劃分網(wǎng)格時卻會對網(wǎng)格的精度要求很高，增加計算量，并最終可能導(dǎo)致無法進行分析計算。

圖4 數(shù)控移動平臺簡化后模型

3.2 有限元分析

實際工作時，數(shù)控移動平臺通過床身底部地腳螺栓與地基相連，實現(xiàn)固定。因此，在進行有限元分析時，對床身底部表面施加固定約束。

載荷的施加則按照整個機器人自動鉆鉚系統(tǒng)在進行鉚接作業(yè)時的負(fù)載進行。根據(jù)對這一工況的分析可知此時數(shù)控移動平臺受到的載荷情況為：機器人的自重（包括末端執(zhí)行器）約3 500 kg；鉆鉚作業(yè)時，機器人受到的沿末端執(zhí)行器軸向載荷約1 000 N所引起的力矩。

將簡化后的數(shù)控移動平臺模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench，進行有限元分析后，得到的結(jié)果如下：

數(shù)控移動平臺的最大等效應(yīng)力為13.306 MPa，發(fā)生在遠(yuǎn)離工裝一側(cè)的床身上部直線導(dǎo)軌與滑塊的連接處。該處直線導(dǎo)軌采用不銹鋼的材料制造而成，屈服強度約為200 MPa左右。因此，最大等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服強度，滿足設(shè)計強度的要求。具體的等效應(yīng)力分布情況見圖5。

圖5 數(shù)控移動平臺等效應(yīng)力（MPa）云圖

數(shù)控移動平臺的最大位移為0.002 mm，發(fā)生在安裝機器人的座臺中部。綜合考慮機器人自動鉆鉚系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，該變形也可以滿足使用要求。具體的位移變形情況見圖6。

4 結(jié)論

圖6 數(shù)控移動平臺位移（MPa）變形云圖

實際投產(chǎn)制造的數(shù)控移動平臺作為功能單元，與機器人集成在一起，輔助機器人定位，定位精度0.02 mm，重復(fù)定位精度0.01 mm，有效提高了整個系統(tǒng)的精度和效率，這對于后續(xù)相關(guān)單位的相關(guān)研制工作將具有一定的參考意義。