一種自動鉚接末端執(zhí)行器設計

王 禹，李 岸

（沈陽工業(yè)大學機械工程學院，遼寧 沈陽 110870）

引言

飛機裝配是飛機制造的最終環(huán)節(jié)，在飛機制造的裝配過程中需保證零件與零件、零件與工裝、工裝與工裝之間的協(xié)調(diào)，進而保證零部件裝配的準確度。由于飛機機身體積龐大、零部件數(shù)目多、形狀復雜等原因，裝配工作量占飛機制造勞動總量的40%～50%，使得飛機的制造成本較高、制造周期較長、制造質(zhì)量難以保障[1]。飛機零部件間的連接方式包括鉚接、焊接、螺栓連接等[2]，因鉚接具有重量輕、強度高等優(yōu)勢，成為飛機部件連接所使用的最廣泛的方式。據(jù)統(tǒng)計，由于飛機機體裝配疲勞失效而導致的事故中，結構連接部位出現(xiàn)問題的約占70%，而在連接處由于疲勞出現(xiàn)裂紋的占到了80%[3]。國內(nèi)學?？蒲性核芯康你@鉚末端執(zhí)行器中鉚接方式大都是氣鉚、電磁鉚接，本文以伺服電機為壓鉚過程動力源，設計一款壓鉚行程可控的自動鉚接末端執(zhí)行器。

1 鉚接系統(tǒng)組成以及功能模塊確定

1.1 鉚接系統(tǒng)組成

鉚接系統(tǒng)由鉚接機器人系統(tǒng)、工作臺、釘庫組成。鉚接機器人系統(tǒng)包括機器人、自動鉚接末端執(zhí)行器，機器人負責攜帶自動鉚接末端執(zhí)行器運動到指定位置，自動鉚接末端執(zhí)行器具備接收鉚釘、定位、鉚接功能。工作臺具有固定、升降、翻轉功能，用來調(diào)節(jié)工件的位姿。釘庫存有10 種型號鉚釘，釘庫負責將正確型號的鉚釘通過氣泵吹入至自動鉚接末端執(zhí)行器對應結構中。鉚接系統(tǒng)的整體布局如圖1 所示。

圖1 鉚接系統(tǒng)整體布局

1.2 功能模塊確定

經(jīng)分析后確定自動鉚接末端執(zhí)行器應具備以下功能模塊：

1）移位模塊：該模塊主要負責為自動鉚接末端執(zhí)行器中需要運動的結構提供動力源。主要由上伺服結構、平移結構、鉚接結構組成，上伺服結構參與穿釘與壓鉚過程，平移臺結構參與接收鉚釘、釘孔定位、穿釘、鉚接過程，鉚接結構主要完成壓鉚加工任務。

2）定位與檢測模塊：該模塊主要任務為釘孔的精確定位以及修正和檢測鉚釘是否準確穿入釘孔內(nèi)。自動鉚接末端執(zhí)行器由機器人攜帶至預定作業(yè)位置，在設備運作過程中會產(chǎn)生一定量偏差，定位與檢測模塊采集釘孔位置信息以及與工件面的相對位置信息對其進行檢測并修正，以實現(xiàn)鉚釘軸線與釘孔軸線共線，保障鉚釘?shù)臏蚀_穿釘位置。待鉚釘穿入釘孔內(nèi)，檢測模塊將檢測鉚釘是否穿入釘孔內(nèi)。

3）附加模塊：該模塊主要組成部分為整體框架單元。整體框架單元是各個結構安裝的基臺，負責設備的各個組成結構的固定、支承和保護。

2 自動鉚接末端執(zhí)行器結構設計

2.1 落釘與推釘結構設計

落釘與推釘結構負責接收和存放來自釘庫鉚釘并將其推至穿釘結構中，主要由鉚釘下落槽結構、氣缸、推釘槽、推釘舌結構組成，機構如下頁圖2 所示。從釘庫吹來的鉚釘首先落到鉚釘下落槽結構中，推釘槽結構可以固定推釘舌結構的運動軌跡，氣缸控制推釘舌結構在推釘槽內(nèi)的行程，氣缸本身對運動方向也起到固定作用，實現(xiàn)了對推釘過程的雙重保障。在鉚釘下落至鉚釘結構進行推釘過程時，由氣缸帶動推釘舌結構將鉚釘推至穿釘結構中。當采用氣缸作為動力源時，其推壓力的大小可以通過減壓閥進行控制，推釘速度和回程速度可通過速度控制閥進行控制。

圖2 落釘與推釘結構

2.2 穿釘結構設計

穿釘結構主要負責將鉚釘穿入釘孔內(nèi)，此過程需要較高的定位精度，且鉚釘是否能準確穿入釘孔內(nèi)也需檢測，所以穿釘過程需與檢測模塊進行配合使用。穿釘結構主要由環(huán)形彈簧、穿釘爪、穿釘頂柱組成，結構如圖3-1 所示。鉚釘通過推釘結構將鉚釘推入穿釘爪內(nèi)，待穿釘結構到達修正釘孔位置時，穿釘頂柱進行下壓，由于對穿釘爪兩側壁的擠壓作用，使得兩側壁向外擴大，動作如圖3-2 所示，在穿釘完畢后，穿釘頂柱返回，兩側內(nèi)壁由于環(huán)形彈簧收縮的作用使得穿釘爪兩側壁回到初始位置。

圖3 穿釘結構及其動作

2.3 上伺服結構設計

上伺服結構作為自動鉚接末端執(zhí)行器的輔助結構，輔助穿釘結構完成穿釘過程，輔助鉚接結構完成壓鉚過程。具體過程如下：鉚釘從穿釘爪結構穿至釘孔內(nèi)過程中，需有結構能提供從上向下的直線運動，而且要求行程也是可控的，在鉚接過程中，由于動力來源于自動鉚接末端執(zhí)行器正下方的鉚接結構，鉚接方式采用至下向上鉚接，在鉚釘?shù)纳媳砻鎽薪Y構來將鉚釘固定住，來配合鉚接結構完成壓鉚過程。結合以上思想，上伺服結構如圖4 所示。上伺服結構由帶頭螺柱、伺服電機、內(nèi)螺紋連接套筒、同步帶、同步帶輪、滾珠軸承組成。工作時，由伺服電機帶動后同步帶輪進而帶動同步帶將動力傳遞到前同步輪，前同步帶輪與內(nèi)螺紋套筒靠鍵傳遞動力，內(nèi)螺紋套筒通過內(nèi)螺紋將動力傳遞到帶頭螺柱，形成螺柱的上下直線運動，將伺服電機的旋轉運動轉變成帶頭螺柱的直線運動，不僅使得運動形式滿足要求，而且行程也達到了可控的目的。

圖4 上伺服結構

2.4 鉚接結構設計

鉚接結構主要功能是完成鉚釘?shù)膲恒T動作，主要由箱體、鉚接頂頭、法蘭盤、RV-20E 減速器、伺服電機、滾珠軸承、滾針軸承、偏心軸推桿、滾針軸承、偏心軸與減速器連接結構組成，結構如圖5 所示。箱體作用是支撐和固定偏心軸、偏心軸推桿、法蘭盤、鉚接頂頭等結構。根據(jù)鉚釘壓鉚前后長度變化區(qū)間，從而確定偏心軸的偏心距。根據(jù)壓鉚力大小來確定偏心軸的直徑。由于體積和壓鉚力大小的限制，選擇RV-20E減速器將力按一定比例縮小，這樣可以選擇較小功率的伺服電機，極大節(jié)省了空間、成本。法蘭盤對鉚接頂頭的運動具有導向的作用。偏心軸與RV-20E 減速器通過偏心軸與減速器連接結構連接進而傳遞動力。進行壓鉚時，伺服電機通過鍵帶動RV-20E 減速器，再通過偏心軸與減速器連接結構將動力傳遞到偏心軸，使得偏心軸帶動偏心軸推桿做往復運動，通過銷軸帶動鉚接頂頭做往復直線運動。將伺服電機的回轉運動轉變成鉚接頂頭的往復直線運動。

圖5 鉚接結構

2.5 檢測模塊設計

根據(jù)工作情況以及自動鉚接末端執(zhí)行器中各個結構間的位置關系，選擇INCA Model XS 掃描儀作為檢測設備，安裝在平移臺結構上，其安裝形式如下頁圖6 所示。Model XS 掃描儀在一個壓鉚過程中需工作兩次：第一次檢測，在自動鉚接末端執(zhí)行器到達預定位置后，檢測模塊對代加工區(qū)域內(nèi)鉚釘釘孔信息進行收集，將孔位信息通過TCP/IP 協(xié)議傳遞至工控機，工控機根據(jù)孔位信息發(fā)出符合釘孔型號的鉚釘發(fā)送命令；第二次檢測，在穿釘過程結束后，掃描儀掃描釘孔內(nèi)是否存在鉚釘。

圖6 INCA Model XS 掃描儀安裝位置

2.6 平移臺結構設計

平移臺結構作為自動鉚接末端執(zhí)行器中轉換工位的結構，同時也負責掃描過程、推釘過程、穿釘過程、鉚接過程中所有需要定位的過程，具有不可替代的作用。平移臺結構由平移臺、齒輪齒條、伺服電機組成，結構如圖7 所示。平移臺的作用是將INCA Model XS 掃描儀、穿釘結構、壓鉚固定結構固定。齒輪齒條與伺服電機的作用是通過上位機與PLC 控制相關結構運動到指定位置，進行工位的轉換以及為相關結構進行定位，在自動鉚接末端執(zhí)行器處于推釘過程時，將穿釘爪結構移至推釘結構位置，使其結構對準，以便氣缸將鉚釘推至穿釘爪結構中，處于穿釘過程時，將穿釘結構移至鉚釘釘孔正上方，以便實現(xiàn)穿釘過程，處于壓鉚過程時，將壓鉚固定結構移至鉚釘正上方，以便實現(xiàn)壓鉚過程。

圖7 平移臺結構

2.7 自動鉚接末端執(zhí)行器設計

總結上述結構所設計的自動鉚接末端執(zhí)行器結構如圖8 所示。

圖8 自動鉚接末端執(zhí)行器三維圖

3 自動鉚接末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)架構

3.1 控制系統(tǒng)組態(tài)

由于作業(yè)過程的復雜性，本文所研究的自動鉚接末端執(zhí)行器功能較多，相關結構也比較繁多，且多數(shù)作業(yè)過程需由多個結構參與完成，為了有效控制各個過程以及結構間的相互配合，設計了詳細的控制集成方案，以實現(xiàn)對自動鉚接末端執(zhí)行器的有效控制。自動鉚接末端執(zhí)行器控制架構如圖9 所示。由上位機工控機通過TCP/IP 與PLC 進行實時通信，PLC 進行數(shù)據(jù)采集發(fā)送給工控機，由工控機向相關結構發(fā)送指令。整個自動鉚接末端執(zhí)行器可分為伺服控制模塊、氣動控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及機器人外部自動控制模塊。伺服控制模塊可分為上伺服模塊、平移伺服模塊、壓鉚伺服模塊。氣動控制模塊分為推釘過程和托板螺母上料模塊。

圖9 自動鉚接末端執(zhí)行器系統(tǒng)PLC 組態(tài)

3.2 氣動回路設計

自動鉚接末段執(zhí)行器氣動模塊硬件包括氣動三聯(lián)件、調(diào)壓閥、五位三通、執(zhí)行氣缸、接近開關等組成部分，主要負責對推釘結構中的氣缸進行運動控制。鑒于氣動元件的數(shù)目以及工作流程，若單獨控制每個氣動元件不僅會導致線路繁多，也會在出現(xiàn)故障時增加解決問題的難度，所以本文選用集成閥島，可以實現(xiàn)閥島與現(xiàn)場上位機的即時通信，極大簡化對復雜系統(tǒng)的調(diào)試，以及性能的檢測、診斷、維護等工作。每個氣缸都配有磁石，這不僅能將氣缸的位置信息實時提供給PLC，而且這也增加了控制系統(tǒng)的縝密性。氣動回路如圖10 所示。

圖10 推釘結構氣動回路

4 結語

本文采用壓鉚方式設計一款自動鉚接末端執(zhí)行器。介紹了設備的工作原理和工作流程，并針對加工系統(tǒng)提出了集成控制系統(tǒng)設計方案。通過分析末端執(zhí)行器應具備的功能，進行相關結構和模塊的設計，包括落釘與推釘結構設計、穿釘結構設計、上伺服結構設計、鉚接結構設計、平移臺結構設計、托板螺母匣結構設計、檢測模塊設計?；谝蕴W(wǎng)構建了一套集鉚接平面法矢檢測、落釘推釘檢測、穿釘、鉚接的末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)。對設備中的氣動元件進行了氣動回路圖的繪制。