民用大飛機(jī)整機(jī)外表面自動涂裝解決方案

中圖分類號：V260.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號:2095-2945(2025)14-0006-04

Abstract:Inthelarge-areaautomaticspraying technologyofcivillargeaircraftsurfaces，inviewofthefactthatthesurface areatobesprayedoftheaireraftisverylargeandtherepeatedpositioningacuracyoftheaireraftsparkingpositionisnot high，basedon3Dmeasurementandpositioningtechnologymarkpointsarecalibratedatspecificpostionsofthelargeaireat.， measureheaireraftofset，adjusttherobotsprayingtrajectoryacordingtotheofset，andzonetheaircraft，thereycopleting theautomaticzoningpaintingoftheoutersufaceofthelargeaircraft.Thispaperfocusesonintroducingthemechanical structure ofthesprayingsystem，3Dmeasurementandpositioning method，thecompositionoftherobotsprayingsystemandtherealization method of the control system，and verifies them with experimental data.

KeyWords: painting; large aircraft spraying; 3D measurement and positioning; robot spraying; ofline programming

自動化涂裝技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、建筑等行業(yè)，但是大飛機(jī)外表面的自動化涂裝技術(shù)目前尚未推廣。據(jù)了解以國際目前的科技水平，國外的空客公司和CTI采用機(jī)器人涂裝技術(shù)，其他國內(nèi)外飛機(jī)制造企業(yè)均采用人工噴涂方式，噴涂效率低，穩(wěn)定性差，噴涂成本高。

某大型客機(jī)是我國按照國際通行適航標(biāo)準(zhǔn)自行研制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的噴氣式干線客機(jī)，從大飛機(jī)整機(jī)噴涂工藝流程看，一個噴涂作業(yè)循環(huán)可以大致分為前處理、自動噴涂和后處理3個主要過程，包括諸多主要環(huán)節(jié)，而一個完整的涂裝需要若干個自動噴涂作業(yè)循環(huán)。這其中涉及到了諸多技術(shù)含量高，難度系數(shù)大的工藝，期間采用的材料甚多，此前該客機(jī)表面噴涂需要由經(jīng)驗豐厚的技術(shù)人員站在機(jī)庫的懸掛升降平臺上，人工對飛機(jī)進(jìn)行分區(qū)，操控懸掛升降平臺至相應(yīng)位置，分區(qū)完成對整機(jī)的噴涂。

基于此需求，我公司研發(fā)了一套基于3D視覺定位技術(shù)，采用機(jī)器人自動噴涂工藝，自動完成對大飛機(jī)外表面的自動噴涂系統(tǒng)。該自動噴涂系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機(jī)大面積的噴漆作業(yè)，包含全機(jī)底漆、全機(jī)底色漆、全機(jī)清漆。局部的圖案或彩帶暫不包含在本系統(tǒng)規(guī)劃之內(nèi)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對飛機(jī)整機(jī)外表面的自動定點(diǎn)噴漆，系統(tǒng)主要包含懸掛升降平臺系統(tǒng)、機(jī)器人安裝平臺、3D測量定位系統(tǒng)、噴漆機(jī)器人系統(tǒng)、噴漆系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)、總體控制系統(tǒng)。圖1為系統(tǒng)整體布局圖。

大飛機(jī)以中軸線為界分成對稱的兩大面，每一面由一臺安裝于懸掛升降平臺的噴涂機(jī)器人完成外表面噴涂，機(jī)器人安裝平臺、3D測量定位系統(tǒng)、噴漆機(jī)器人系統(tǒng)、噴漆系統(tǒng)、防碰撞系統(tǒng)和分站控制柜均安裝于懸掛升降平臺，通過總線通信由位于控制室的主

控單元統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

1.1懸掛升降平臺系統(tǒng)

為保證機(jī)器人對飛機(jī)外表面噴漆的可達(dá)性，采用大行程三坐標(biāo)搬運(yùn)形式移動噴漆機(jī)器人，以滿足噴涂范圍覆蓋到整體機(jī)身，飛機(jī)左右兩側(cè)各設(shè)置一組懸掛升降平臺，分別完成單側(cè)的噴涂任務(wù)。

每組懸掛升降平臺由1套機(jī)器人升降工作平臺、1套平臺小車、1臺3支點(diǎn)雙梁懸掛起重機(jī)、1套卷筒式起升系統(tǒng)、1套伸縮套筒機(jī)構(gòu)、1套工作平臺及1套起重機(jī)軌道等構(gòu)成。

1.1.1 起重機(jī)軌道

X 方向平移行程較長，對載重要求高，因此3條起重機(jī)軌道采用專業(yè)起重型材焊接，等間距鋪設(shè)于噴房主體結(jié)構(gòu)中，剛性好，滿足承重要求的同時保證整體運(yùn)行的平穩(wěn)，軌道長度貫穿整個飛機(jī)機(jī)身。

1.1.23支點(diǎn)雙梁懸掛起重機(jī)

起重機(jī)以3條起重機(jī)軌道為支點(diǎn)，采用雙梁形式，通過軌道小車在 X 方向?qū)崿F(xiàn)長距離移動，從保證噴漆機(jī)器人噴涂點(diǎn)位準(zhǔn)確無誤和防碰撞安全因素考慮，驅(qū)動形式為伺服電機(jī)加編碼器信息全閉環(huán)反饋，可調(diào)間隙的齒輪齒條傳動，滿足 X 向的運(yùn)行精度。

1.1.3 Y方向平臺小車

Y 方向平臺小車，同樣采用伺服電機(jī)驅(qū)動，齒輪齒條傳動，帶動伸縮套筒及機(jī)器人工作平臺在雙梁之間移動，橫向行程可覆蓋機(jī)翼最邊緣。

1.1.4卷筒式提升系統(tǒng)

由于室體凈高有限，飛機(jī)外表面不規(guī)則，高度方向起伏大，升降行程大，為避免升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過大造成與飛機(jī)機(jī)身的十涉， Z 方向提升系統(tǒng)采用卷筒鋼絲繩結(jié)構(gòu)，與伸縮套筒結(jié)合完成機(jī)器人工作臺的升降。通過變頻電機(jī)加編碼器驅(qū)動，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，卷筒卷繞鋼絲繩提升工作平臺，提升裝置主要結(jié)構(gòu)包括變頻電機(jī)、減速器、卷筒、鋼絲繩和滑輪組等部件，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢為輸出，電機(jī)啟動經(jīng)減速器減速后，帶動卷筒旋轉(zhuǎn)。變頻電機(jī)，帶制動級編碼器并有信息全閉環(huán)反饋功能。卷筒卷繞鋼絲繩，通過滑輪組和吊鉤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平臺的提升或下降，這種結(jié)構(gòu)能夠以較小的力提升重物，平穩(wěn)且節(jié)省空間。

1.1.5 伸縮套筒機(jī)構(gòu)

伸縮套筒與平臺小車聯(lián)接，豎直安裝，套筒分為4級，各級伸縮量總和為整體的升降行程，最上級的方筒長寬尺寸最大，以下依次減少，卷筒中的鋼絲繩鉤掛住最內(nèi)層的方筒，每兩級套筒間安裝高精度直線導(dǎo)軌，以保證運(yùn)行過程的穩(wěn)定性，卷筒機(jī)正反向旋轉(zhuǎn)，套筒伸縮，實(shí)現(xiàn)工作平臺升降，每級行程末端設(shè)置限位塊及位置檢測開關(guān)。

1.1.6機(jī)器人工作平臺

機(jī)器人工作平臺安裝于伸縮套筒末端，是整套系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工作平臺由噴漆機(jī)器人、控制柜、輸供漆系統(tǒng)及視覺系統(tǒng)組成。機(jī)器人置于平臺前部，與其身后控制柜聯(lián)接。輸供漆系統(tǒng)隨行，油漆管路短，可減少損耗，提升噴槍開關(guān)的靈敏度。視覺系統(tǒng)用于飛機(jī)定位檢測。

1.2 3D測量定位系統(tǒng)

本測量系統(tǒng)由3D視覺定位設(shè)備、標(biāo)記點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)、數(shù)據(jù)處理算法組成，選用梅卡曼德Mech-eyeLaserL工業(yè)級3D相機(jī)。整機(jī)分為三大部分進(jìn)行測量，分別是機(jī)身部分、左機(jī)翼部分、右機(jī)翼部分。在每一部分分別設(shè)置標(biāo)記點(diǎn)。3D視覺識別設(shè)備安裝在懸掛升降平臺上，由平臺移動到預(yù)先設(shè)定的標(biāo)記點(diǎn)識別位置。3D視覺識別設(shè)備主要負(fù)責(zé)識別各個標(biāo)記點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理算法通過標(biāo)記點(diǎn)的三維位置信息計算出飛機(jī)各部分的位姿偏差，然后輸出到機(jī)器人控制系統(tǒng)，進(jìn)而修正噴涂軌跡。

1.3機(jī)器人噴涂系統(tǒng)

1.3.1 噴涂機(jī)器人

該系統(tǒng)采用的staubliRX16OLPAINT機(jī)器人，是一款性能卓越的噴涂機(jī)器人，配備的CS8C型控制器是一款高性能、高可靠性的工業(yè)機(jī)器人控制器，它采用了模塊化設(shè)計，集成了多核處理器、實(shí)時操作系統(tǒng)、冗余設(shè)計以及集成安全功能，確保了機(jī)器人運(yùn)動的精確控制、高速處理和系統(tǒng)的高穩(wěn)定性與安全性。

1.3.2 機(jī)器人離線編程

本系統(tǒng)的編程主要以離線軟件StaubliRoboticsSuite(SRS)編程為主。

選擇滿足噴漆質(zhì)量（干膜厚度、外觀要求等）的噴漆參數(shù)（出漆量、噴漆速度、重疊率等）作為離線編程的基本依據(jù)，在機(jī)器人離線編程軟件中導(dǎo)人機(jī)器人數(shù)據(jù)包、飛機(jī)三維數(shù)模，加上3D測量定位系統(tǒng)測量出的飛機(jī)位置偏差，生成離線機(jī)器人噴涂軌跡。

1.4噴漆系統(tǒng)

供漆系統(tǒng)包括涂料調(diào)壓器、涂料攪拌器及油漆桶、清洗用溶劑桶、配套管路、在線油漆計量系統(tǒng)。噴具采用GRACO的自動空氣靜電噴槍，具備涂料流量、霧化空氣、扇幅獨(dú)立調(diào)整功能。

1.5 防碰撞系統(tǒng)

機(jī)器人安裝防碰撞系統(tǒng)組件，將噴槍與機(jī)器人連接成一個整體結(jié)構(gòu)，支架上安裝防碰撞接觸式微動開

關(guān)及激光測距傳感器，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人聯(lián)鎖控制。人工示教或離線仿真軟件生成的軌跡進(jìn)行調(diào)試時，激光測距傳感器均處于檢測狀態(tài)，

2 總控系統(tǒng)

2.1 總控系統(tǒng)的硬件

決控系統(tǒng)的硬件包括主控計算機(jī)、總控制柜、機(jī)器人噴涂系統(tǒng)柜、懸掛升降平臺控制系統(tǒng)以及外圍設(shè)備。主計算機(jī)放置于總控柜，在噴漆作業(yè)過程中具備人機(jī)交互、機(jī)器人軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)庫管理等功能；總控內(nèi)配備西門子PLC，在噴漆作業(yè)過程中完成信息采集與處理、信息交換、噴漆作業(yè)指令生成和下達(dá)等功能；機(jī)器人噴涂系統(tǒng)柜安裝機(jī)器人控制柜、輸供漆控制模塊及3D測量定位系統(tǒng)工控機(jī)，負(fù)責(zé)機(jī)器人、涂料工藝系統(tǒng)及3D測量定位系統(tǒng)的控制；懸掛升降平臺控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人安裝平臺的控制；PLC負(fù)責(zé)防碰撞系統(tǒng)等外圍設(shè)備的控制，圖2是控制系統(tǒng)框圖。

2.2 總控系統(tǒng)的軟件

總控系統(tǒng)的軟件包含主控系統(tǒng)、懸掛升降平臺系統(tǒng)、3D測量定位系統(tǒng)、飛機(jī)曲面劃分、機(jī)器人軌跡規(guī)劃生成、噴涂工藝參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集和報警信息等模塊。

2.2.1 主控系統(tǒng)

完成各個模塊的信息交互和整個噴涂系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)作業(yè)。

2.2.2懸掛升降平臺系統(tǒng)

接收來自主控系統(tǒng)的位置信息并反饋位置信息，負(fù)責(zé)噴涂機(jī)器人在整個機(jī)庫上、下、前、后、左、右方向的整體移動，大大拓展機(jī)器人的噴涂范圍。

2.2.3 3D測量定位系統(tǒng)

完成大飛機(jī)的定位測量，通過算法處理，計算飛機(jī)的位置偏差數(shù)據(jù)

2.2.4飛機(jī)曲面劃分

根據(jù)噴涂機(jī)器人工作范圍，將大飛機(jī)外表面劃分成可分區(qū)噴涂的小塊。

2.2.5 機(jī)器人軌跡規(guī)劃生成

機(jī)器人通過離線仿真軟件進(jìn)行離線仿真，導(dǎo)人飛

機(jī)數(shù)模，加上3D測量定位系統(tǒng)計算出的大飛機(jī)位置偏差，快速生成機(jī)器人噴涂運(yùn)動軌跡，根據(jù)需要進(jìn)行人工修正不合適的軌跡點(diǎn)。

2.2.6 噴涂工藝參數(shù)設(shè)定

完成噴漆工藝參數(shù)的管理，可修改扇面、流量、霧化相關(guān)的噴涂工藝參數(shù)等，可完成對1KE參數(shù)的監(jiān)控，計算涂料用量等。

2.2.7 數(shù)據(jù)采集

噴涂作業(yè)流程中生成的數(shù)據(jù)（工件信息、機(jī)器人位置信息、升降平臺狀態(tài)、輸調(diào)漆系統(tǒng)參數(shù)、工藝控制參數(shù)、能耗、與外圍設(shè)備信息交互等）現(xiàn)場實(shí)時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、濕度），以上數(shù)據(jù)均采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，并可在主控計算機(jī)界面上顯示。

2.2.8 報警信息

記錄噴涂系統(tǒng)報警信息，生成報警記錄，在報警界面彈出報警提示。

2.3 工作流程

工作流程：在大飛機(jī)進(jìn)人噴涂區(qū)后，首先需要對飛機(jī)位置和位姿進(jìn)行標(biāo)定和處理，3D測量定位系統(tǒng)將處理信息反饋至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)將位置偏差傳給機(jī)器人系統(tǒng)，生成機(jī)器人噴涂軌跡，系統(tǒng)開始運(yùn)行噴漆自檢程序。系統(tǒng)確認(rèn)以上信息正確后發(fā)出工作指令，主控系統(tǒng)將調(diào)度懸掛升降平臺從初始位置運(yùn)動至第一個待噴漆區(qū)域；到達(dá)預(yù)定作業(yè)區(qū)域后，懸掛升降平臺停止運(yùn)動，機(jī)器人開始噴漆；在一個作業(yè)區(qū)域噴漆完成后，機(jī)器人和噴漆系統(tǒng)暫停作業(yè)，懸掛升降平臺運(yùn)行至下一個待噴漆區(qū)域，重復(fù)上述噴漆過程，直至噴漆程序執(zhí)行完畢，懸掛升降平臺帶機(jī)器人回安全位置。在整個懸掛升降平臺行走和噴涂過程中，防碰撞系統(tǒng)實(shí)時檢測噴涂設(shè)備和飛機(jī)的安全距離以保證安全作業(yè)。

飛機(jī)分區(qū)提前規(guī)劃好，以飛機(jī)右側(cè)表面為例，飛機(jī)表面被分為15個區(qū)域：2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G和1H，如圖3所示。

2.4 程序設(shè)計

總控系統(tǒng)和懸掛升降平臺系統(tǒng)采用西門子的TIAPortal作為編程平臺，主計算機(jī)界面選用西門子的WinCC作為軟件開發(fā)平臺，機(jī)器人程序則以StaubliRoboticsSuite(SRS)軟件為主，以機(jī)器人示教器為輔?？偪叵到y(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

3 噴涂工藝試驗

3.1 飛機(jī)噴板實(shí)驗數(shù)據(jù)

3D測量定位系統(tǒng)能對大飛機(jī)實(shí)現(xiàn)精確定位，整個系統(tǒng)對大飛機(jī)實(shí)現(xiàn)分區(qū)噴涂。

右側(cè)機(jī)器人噴涂槍速為 0.5m/s. 吐出量為 200CC/min 成型空氣和扇幅空氣均為 300mm ，噴涂區(qū)域為機(jī)身右側(cè)前半部分，對應(yīng)區(qū)域為1A、1B、1C、1D、2A、2B、2C、2D，其中在1A、1B、1C、2A、2B5個區(qū)域，每個區(qū)域中搭接位置3塊，正常區(qū)域3塊共放置6塊試驗板，測試膜厚的差異

3.2試驗結(jié)果及分析

實(shí)測膜厚大部分都在正常范圍 10.2～25.4μm 的下限區(qū)域，符合正常范圍 10.2～25.4upmum 的數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

目前，該自動噴涂系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某飛機(jī)制造有限公司的客機(jī)外面表的自動噴涂，在節(jié)省油漆，節(jié)省人力成本，提高噴涂效率，提升噴涂質(zhì)量和穩(wěn)定性，增加漆膜厚度的均勻性，改善人工作業(yè)環(huán)境等方面均有顯著作用，對我國大型工件外表面自動涂裝設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新起到積極的推動作用。該應(yīng)用中3D視覺定位技術(shù)可推廣至焊接和裝配行業(yè)大型工件的定位應(yīng)用需求中。

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