基于伺服驅(qū)動的釘孔穩(wěn)定涂膠方法研究*

章易鐮，范云飛

（1.上海拓璞數(shù)控科技股份有限公司，上海 201108；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

為保證飛機壁板氣密性要求，壁板緊固件通常采用濕安裝工藝，即在緊固件釘孔涂膠，從而實現(xiàn)連接點的密封[1-3]。而目前手工緊固件濕安裝多以手工涂膠為主，隨著航空密封連接技術(shù)的大面積推廣應(yīng)用，手工涂膠勞動效率低、勞動力密集、涂膠質(zhì)量不穩(wěn)定的問題越來越突出，尤其在某些要求嚴格的場合，手工涂膠幾乎無法達到要求的質(zhì)量[4-6]。手工涂膠工藝存在涂膠不均勻、零件表面溢膠、一致性差等問題，不僅一次性合格率低、需要返工，而且后期還存在溢膠清理成本[7]。另外，手工涂膠存在職業(yè)危害風險，工人不宜長期作業(yè)。針對上述存在的問題，采用自動化涂膠可以高效、高質(zhì)量完成涂膠作業(yè)，且改善了工人作業(yè)環(huán)境[8-9]。在國內(nèi)外飛機制造業(yè)中，在自動鉆鉚裝備上已應(yīng)用自動涂膠工藝，然而自動涂膠多采用氣動涂膠，無法精密穩(wěn)定控制涂膠劑量。以美國的Gemcor公司和Electroimpact公司為例，其在研制的自動鉆鉚機中普遍采用氣動的涂膠系統(tǒng)[10-11]，由于氣壓控制的不穩(wěn)定性和密封膠隨時間變化而產(chǎn)生的黏度變化，其自動涂膠的一致性較差，需要用戶設(shè)置時間函數(shù)曲線或經(jīng)常調(diào)整涂膠參數(shù)以滿足使用要求。

綜上所述，在航空鉆鉚裝配中，急需開發(fā)一種自動化精密涂膠系統(tǒng)來滿足飛機鉆鉚裝配質(zhì)量的穩(wěn)定性需求[12]。本文通過伺服電機和伺服電缸組成的伺服直線運動系統(tǒng)進行擠膠，伺服控制器能夠?qū)崟r監(jiān)控密封膠擠出量，這種自動化涂膠方式能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)涂膠。

1 伺服涂膠系統(tǒng)設(shè)計及試驗平臺搭建

1.1 系統(tǒng)

伺服涂膠系統(tǒng)由6 自由度工業(yè)機器人、伺服涂膠末端執(zhí)行器和控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中伺服涂膠末端執(zhí)行器由伺服直線運動系統(tǒng)（伺服電機和伺服電缸）和出膠裝置（伺服推桿、擠膠頭、膠管和膠嘴）兩部分組成，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)通過伺服電機的編碼器讀數(shù)實時判斷擠膠頭位置并精確控制擠膠頭位移，從而精確控制出膠量。工作流程如下：

圖1 涂膠試驗平臺Fig.1 Sealant applying experiment platform

（1）機器人將末端執(zhí)行器送至釘孔位置。

（2）按照上位機設(shè)定的參數(shù)，伺服電機驅(qū)動伺服電缸執(zhí)行精確的位移運動，通過擠膠頭將密封膠從膠管中擠出設(shè)定體積。

（3）機器人帶動末端執(zhí)行器遠離工件，完成一次釘孔涂膠。

1.2 末端設(shè)計計算

設(shè)計涂膠膠筒規(guī)格為30CC，內(nèi)徑為22.5mm，規(guī)劃單次最小出膠量為0.004mL（擠膠頭進給量為0.01mm時出膠量達到0.00397mL）。

伺服涂膠的擠出力應(yīng)大于氣動涂膠擠壓力，原氣動擠膠壓力為0.6MPa時，內(nèi)徑22.5mm 膠筒的對應(yīng)擠壓力為238N，考慮安全系數(shù)1.5，設(shè)定擠出力需大于357N，即伺服推桿的設(shè)計推力。

選用的伺服電缸為FTP 品牌E53系列，絲桿導程P=10mm，傳動效率η=0.85；推力輸出為F=357N時的電機輸入扭矩應(yīng)達到0.67N·m，計算如下：

綜上所述，由于氧化石墨烯具有電子遷移率高、比表面積大、表面含氧官能團豐富等優(yōu)異特質(zhì)，使復合材料在有機染料的吸附光催化降解領(lǐng)域表現(xiàn)出非常優(yōu)異的性能。

選用西門子1FK7032-2AK71-1RH0伺服電機，其額定輸出扭矩0.8N·m>0.67N·m，選型滿足要求。此時，伺服電缸的額定推力為427N，可以達到357N的擠出力，滿足設(shè)計使用要求。

1.3 上位機軟件開發(fā)

圖2 伺服涂膠末端執(zhí)行器Fig.2 Servo sealant applying actuator

開發(fā)了用于系統(tǒng)操作的上位機軟件，界面如圖3所示，包含了伺服涂膠系統(tǒng)用戶登錄界面、伺服涂膠顯示界面（包括狀態(tài)、涂膠量、當前位置、速度、位移量）和伺服涂膠設(shè)置界面（包括目標涂膠量、速度）。

1.4 用于試驗對比的傳統(tǒng)氣動涂膠系統(tǒng)

傳統(tǒng)氣動涂膠系統(tǒng)采用精密劑量控制器對膠管進氣量進行精密控制，設(shè)備主要包括劑量控制器、氣管、涂膠膠管、膠管活塞等，如圖4所示，控制系統(tǒng)將設(shè)定的進氣量換算成信號通斷時間以觸發(fā)劑量控制器充氣并推動膠管活塞，從而實現(xiàn)氣動涂膠。傳統(tǒng)氣動涂膠系統(tǒng)無法精密控制出膠量，主要原因在于氣動涂膠系統(tǒng)通過氣壓驅(qū)動活塞實現(xiàn)擠膠，氣壓恒定的情況下，密封膠的擠出量受密封膠黏度的變化而變化，而密封膠在固化過程中黏度逐漸增大、出膠量逐漸減小，導致涂膠過程不穩(wěn)定。

2 工藝試驗設(shè)計

圖3 上位機界面Fig.3 Host interface

圖4 氣動涂膠裝置Fig.4 Pneumatic sealant applying device

在飛機裝配工藝中，對釘孔涂膠的質(zhì)量要求為緊固件安裝完成后，釘頭周邊應(yīng)有連續(xù)的密封膠擠出[13]。為達到目標，需要嚴格控制涂膠量和涂膠的均勻性。在涂膠量的控制上，若涂膠量過少，則緊固件和釘孔間無法形成有效的密封層，產(chǎn)品的氣密性無法保證；若涂膠量過多，則緊固件安裝完成后將有大量密封膠擠出，影響自動鉆鉚效果和增加人工清理成本。本文提出的伺服涂膠方法相比傳統(tǒng)的氣動涂膠方法在涂膠量控制上有著明顯優(yōu)勢，而在涂膠的均勻性控制上，可通過優(yōu)化膠嘴設(shè)計改善密封膠沿釘孔周向流出的一致性來實現(xiàn)，并非伺服涂膠特有的優(yōu)勢。因此，本文的工藝試驗主要用于驗證涂膠量的穩(wěn)定性，并分別定量分析伺服涂膠和氣動涂膠在混膠24h 內(nèi)的涂膠效果。由于釘孔涂膠量難以直接測量，因此，分別在平板試件上進行多次涂膠，稱重記錄每次涂膠后的試件質(zhì)量變化。規(guī)劃工藝試驗分為4個部分：混膠0h伺服涂膠的涂膠情況、混膠24h伺服涂膠的涂膠情況、混膠0h 氣動涂膠的涂膠情況、混膠24h 氣動涂膠的涂膠情況；并定性分析伺服涂膠的釘孔涂膠效果。

2.1 試驗條件

涂膠設(shè)備為圖1中的伺服涂膠系統(tǒng)和圖4中的氣動涂膠裝置。密封膠采用PPG的雙組份密封膠，其中A組分為PS870C336654SK，B組分為PS870C336。

為了定量分析涂膠效果，采用厚度為2mm的平板試件，驗證平板狀態(tài)下伺服涂膠、氣動涂膠的每次涂膠量，如圖5所示。

在涂膠前和每次涂膠后，采用精度為0.01g的電子秤對試件整體進行稱量，通過質(zhì)量變化反映每次涂膠量，如圖6所示。

圖5 平板試件Fig.5 Test piece

圖6 精密電子秤Fig.6 High-precision electronic balance

2.2 試驗方法

利用工裝夾持平板試件，在平板試件上模擬實際產(chǎn)品釘孔涂膠，在混膠0h和混膠24h 多次涂膠，驗證伺服涂膠、氣動涂膠下的涂膠量穩(wěn)定性，如圖1所示，具體步驟如下：

（1）對雙組份密封膠進行混膠后，即刻（即混膠后0h）將密封膠分別裝入伺服涂膠和氣動涂膠膠管中。

（2）稱量并記錄平板試件質(zhì)量，然后固定于工裝上。

（3）針對伺服涂膠試驗，設(shè)置每次涂膠推桿均移動固定位移增量，且每次涂膠后，拆下試件，稱量并記錄試件總重，一共涂膠7次。

（4）針對氣動涂膠試驗，設(shè)置氣壓為0.5MPa，每次涂膠保持通氣固定時間，且每次涂膠后，拆下試件，稱量并記錄試件總重，一共涂膠7次。

（5）第2天同一時刻（即混膠后24h），重復步驟2～4，完成試驗。

3 試驗分析

3.1 混膠0h涂膠試驗對比

圖7為混膠0h伺服涂膠、氣動涂膠的試驗效果。通過圖7（a）可以觀察到，伺服涂膠的每次出膠量基本相同，涂膠一致性好；圖7（b）中，氣動涂膠的每次出膠量存在波動，穩(wěn)定性較差。

圖8為混膠0h伺服涂膠和氣動涂膠累計涂膠與單次涂膠情況對比。從圖8（a）可以看出，伺服涂膠的膠量分布曲線線性度好，涂膠質(zhì)量穩(wěn)定、一致，而氣動涂膠的膠量分布曲線線性度較差，涂膠質(zhì)量穩(wěn)定性不佳。由圖8（b）可見，伺服涂膠的單次涂膠量波動較小，一致性好，而氣動涂膠的單次涂膠量波動較大，一致性較差。

圖7 混膠0h伺服涂膠和氣動涂膠試驗效果Fig.7 Experimental results of servo and pneumatic sealant application at 0h

3.2 混膠24h涂膠試驗對比

圖8 混膠0h伺服涂膠和氣動涂膠累計與單次涂膠情況對比Fig.8 Comparison of cumulative and single-time sealant application between servo control and pneumatic control at 0h

圖9 混膠24h伺服涂膠和氣動涂膠試驗效果Fig.9 Experimental results of servo and pneumatic sealant application after 24h

圖9為混膠24h伺服涂膠、氣動涂膠的試驗效果，通過圖9（a）可以發(fā)現(xiàn)，伺服涂膠的每次出膠量基本相同，涂膠質(zhì)量一致性好；而圖9（b）中氣動涂膠的每次出膠量波動較大，穩(wěn)定性較差。

圖10為混膠24h伺服涂膠和氣動涂膠累計涂膠與單次涂膠情況對比。由圖10（a）可見，伺服涂膠的膠量分布曲線仍然具備很好的線性度，涂膠質(zhì)量穩(wěn)定、一致，而氣動涂膠的膠量分布曲線線性度較差且較0h 更差，穩(wěn)定性不佳。由圖10（b）可見，伺服涂膠的單次涂膠量波動較小，而氣動涂膠的單次涂膠量波動較大，一致性較伺服涂膠差。

3.3 混膠0h與24h涂膠情況對比

對伺服涂膠在混膠0h和混膠24h的涂膠情況進行對比，由圖11（a）可以看出，其曲線基本重合，表明伺服涂膠的涂膠膠量受時間的影響小，涂膠穩(wěn)定。對氣動涂膠在混膠0h和混膠24h的涂膠情況進行對比，如圖11（b）所示，可以看出，氣動涂膠在混膠24h時的涂膠量較混膠0h時的涂膠量明顯減少，受時間影響大。

上述差異的主要原因是：隨著時間的推移，在混膠24h后，密封膠的流動性會變差、黏性增大，相應(yīng)的出膠阻力增大，使得氣動涂膠在相同氣壓和時間等參數(shù)下涂膠膠量減少。而伺服涂膠由于采用位移控制，即保證從膠管擠出的密封膠體積恒定，因此，當密封膠流動性、黏度等特性發(fā)生變化時，最終的涂膠膠量依舊保持穩(wěn)定。

圖10 混膠24h伺服涂膠和氣動涂膠累計與單次涂膠情況對比Fig.10 Comparison of cumulative and single-time sealant application between servo control and pneumatic control after 24h

3.4 典型產(chǎn)品試件釘孔涂膠試驗

選取某典型產(chǎn)品試件，整個過程全部采用程序控制自動涂膠，工業(yè)機器人帶動末端執(zhí)行器按程序自動依次定位到釘孔窩口，自動完成涂膠。試驗結(jié)果表明，釘孔窩口涂膠劑量均勻、填充穩(wěn)定，能夠滿足航空緊固件濕安裝要求，如圖12所示。

4 結(jié)論

本文對伺服涂膠系統(tǒng)進行了方案設(shè)計和試驗對比分析，主要工作成果包含以下方面：

（1）提出伺服精密涂膠方法并設(shè)計制造了伺服驅(qū)動涂膠末端執(zhí)行器，形成了精密伺服涂膠系統(tǒng)。

（2）對伺服驅(qū)動的涂膠末端執(zhí)行器進行了設(shè)計選型計算。試驗發(fā)現(xiàn)，設(shè)計選型和配置滿足自動涂膠需求，可以實現(xiàn)快速、穩(wěn)定、安全的涂膠作業(yè)。

（3）開發(fā)了涂膠系統(tǒng)上位機軟件，用于顯示涂膠狀態(tài)、已涂膠量、推桿當前位置、速度和位移量，并提供目標涂膠量和推桿速度設(shè)置功能。

圖11 伺服涂膠和氣動涂膠混膠0h與混膠24h涂膠情況對比Fig.11 Comparison of servo and pneumatic sealant application at 0h and after 24h

圖12 釘孔伺服涂膠效果圖Fig.12 Servo sealant application for fastener holes

（4）與氣動涂膠系統(tǒng)進行對比試驗，試驗證明，相對于氣動涂膠，伺服涂膠方法能夠持續(xù)穩(wěn)定涂膠且受密封膠隨時間固化的影響較小。

（5）采用伺服涂膠系統(tǒng)對釘孔窩口進行自動涂膠，試驗證明，基于伺服驅(qū)動的釘孔穩(wěn)定涂膠方法能保證窩口涂膠劑量均勻、填充穩(wěn)定，滿足航空緊固件濕安裝要求。