張興剛，王芝橋，房靈申，孫 元，于鶴霖

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.沈陽黎明國際動力工業(yè)有限公司，沈陽 110043；4.中國科學(xué)院機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110016)

0 引言

作為“工業(yè)皇冠”的航空工業(yè)始終是國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，具有關(guān)系國家安全和國民經(jīng)濟命脈的戰(zhàn)略性地位。隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，航空制造業(yè)的要求和標(biāo)準(zhǔn)也在發(fā)生變化。中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在從低端制造業(yè)向高端制造業(yè)升級，從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。作為智能制造核心技術(shù)的機器人技術(shù)在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級過程中發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前，利用機器人制造航空部件是時代發(fā)展的必然趨勢，也是航空制造業(yè)邁向智能化和自動化的一大標(biāo)志。

我國的航空制造業(yè)在數(shù)字化、信息化等方面已取得了長足的進步,但設(shè)備綜合利用率還比較低，不足世界水平的一半，生產(chǎn)效率更低，制造過程無法形成閉環(huán)的管控。面對航空零部件多品種、少批量、高質(zhì)量、高精度、高強度的要求，需要制造設(shè)備具有較高的柔性才能滿足制造要求[1]。殷俊[2]介紹了智能工業(yè)機器人的優(yōu)勢并給出智能工業(yè)機器人在航空制造業(yè)中的典型應(yīng)用。龐英仲[3]概述了工業(yè)機器人在航空制造業(yè)的應(yīng)用前景和必要性。航空環(huán)形件是航空零件機械加工中的較為常見的一類零部件，它們的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何尺寸較大、大多屬于薄壁零件。由于精密薄壁環(huán)形件剛性差,強度弱等特點，在加工中極容易變形,使零件的形位誤差增大，用傳統(tǒng)的裝夾方法難以保證其加工精度要求，需要根據(jù)零件的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計出符合結(jié)構(gòu)理論的裝夾方案[4]。安麗莎等[5]對薄壁環(huán)形件的特點以及薄壁環(huán)形件機械加工中的變形原因做了分析。王凱元等[6]對薄壁環(huán)形件的加工工藝進行了分析，闡述了加工變形的控制措施。

針對上述問題，本文對航空環(huán)形件智能制造技術(shù)進行研究，研發(fā)了航空環(huán)形件加工機器人，設(shè)計了一個針對航空薄壁環(huán)形件的裝夾工作臺，用機器人代替工人實現(xiàn)航空環(huán)形件制造過程的智能化，提升航空環(huán)形加工件的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 雙臂機器人運動分析

智能雙臂機器人是仿照人手臂的自由度構(gòu)成和分配而設(shè)計的一種機械臂系統(tǒng)，其具備操作空間大、靈活性高以及協(xié)同能力強等特點而被廣大學(xué)者研究。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，對于許多任務(wù)而言單臂操作是不夠的，相對單臂機器人，智能雙臂機器人在智能性、系統(tǒng)柔順性以及適應(yīng)任務(wù)的復(fù)雜性上有其獨特的優(yōu)勢，它是工業(yè)機械臂智能化發(fā)展的方向[2]。

針對航空薄壁環(huán)形件的特點，本文設(shè)計了一款航空環(huán)形件智能雙臂加工機器人。如圖1所示，機器人兩個腕關(guān)節(jié)處分別連接著一個端拾器，左手端拾器能實現(xiàn)工件的自動抓取，協(xié)同數(shù)控機床自動上下料；右手端拾器能實現(xiàn)給固定工件的數(shù)控機床工作臺供能，此外，還能對加工完成后的工件吹氣清潔，保證機床數(shù)控機床工作臺的清潔和工件的加工質(zhì)量。

圖1 航空環(huán)形件加工機器人

為描述機械抓手在空間的相對位置和姿態(tài)，采用齊次變換矩陣D-H參數(shù)法建立坐標(biāo)系并推導(dǎo)機械臂的運動方程[7-10]。本文以雙臂機器人左臂為例，建立坐標(biāo)系如圖2 所示。

圖2 雙臂機器人右臂坐標(biāo)系

由圖2所建坐標(biāo)系可得對應(yīng)的D-H參數(shù)。

表1 D-H參數(shù)

連桿n-1坐標(biāo)系相對連桿n坐標(biāo)系的齊次變換矩陣為：

(1)

由式(1)知，我們可以從基座開始變換到腰關(guān)節(jié)，然后從腰關(guān)節(jié)變換到肩部，再由肩部變換到肩關(guān)節(jié)，以此類推，最后變換到末端的執(zhí)行器。末端執(zhí)行器的坐標(biāo)系相對于基坐的坐標(biāo)系的變換矩陣如式(2)所示。

(2)

結(jié)合表1中的D-H參數(shù)，經(jīng)過MATLAB編程計算后可知位置矩陣P的各值如下：

式中,C(ijk)=cos(θi+θj+θk)，S(ijk)=sin(θi+θj+θk)以此類推。

為了校核結(jié)果的正確性，將圖2所示坐標(biāo)系的關(guān)節(jié)變量，即θ1= 0°、θ2=0°、θ3= 90°、θ4=0°和θ5=0°代入位置矩陣P，可以求出位置矢量為:

(3)

式(3)所表示的位置關(guān)系與圖2坐標(biāo)系所示位置一致，說明其運動方程是正確的。

2 機器人左手端拾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

機器人左手端拾器的主要工作是從上料區(qū)把待加工的環(huán)形加工件抓取后準(zhǔn)確放到機床數(shù)控機床工作臺上，待機床加工完成后，把加工好的環(huán)形加工件從機床數(shù)控機床工作臺上取出放到成品區(qū)，實現(xiàn)加工件的精準(zhǔn)上下料。

圖3 左手端拾器

機器人左手端拾器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其工作過程為機器人控制左手端拾器移動到環(huán)形加工件上方，控制箱控制氣缸桿下移，經(jīng)連桿傳動，滑塊和抓接塊一起沿導(dǎo)軌向外側(cè)滑動。左手端拾器向下移動，位置傳感器檢測到工件后，給控制箱發(fā)信號控制左手端拾器停止下移，然后控制氣缸桿上移，經(jīng)連桿傳動，滑塊和有彈性的抓接塊一起向內(nèi)側(cè)滑動，夾緊工件。機器人控制左手端拾器將夾緊的工件放置到數(shù)控機床的數(shù)控機床工作臺上，左手端拾器的抓取工作就完成了。

對左手端拾器受力分析后可知，氣缸需要產(chǎn)生的推力F為：

α為連桿最大傾斜角；m為工件質(zhì)量，m取5kg；μ為摩擦系數(shù)，μ取0.6。

缸徑按下式計算：

(4)

D為氣缸直徑mm；F為氣缸推力N；T為安全系數(shù)，T取1.5；P為氣壓，P=0.5MPa。

取缸徑為D=20mm可滿足要求。

3 機器人右手端拾器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 右手端拾器的兩種工況

機器人右手端拾器主要實現(xiàn)兩個方面的工作，一方面，當(dāng)機器人左手端拾器把加工件從上料區(qū)抓取放置在數(shù)控機床工作臺后，數(shù)控機床工作臺需要對工件進行夾緊固定，右手端拾器和數(shù)控機床工作臺之間需要通過電氣接口連接為數(shù)控機床工作臺對工件進行夾緊固定提供動力，如圖4所示的工況一；另一方面，工件在機床工作臺上加工完成后，工件上有許多金屬屑，需要右手端拾器的噴嘴進行吹氣清潔，此時，右手端拾器和數(shù)控機床工作臺之間的電氣接口斷開，數(shù)控機床工作臺對工件釋放，右手端拾器移動到工件上方，進行吹氣清潔，如圖4所示工況二。工件完成吹氣清潔后，由左手端拾器抓取放到成品區(qū)。

圖4 右手端拾器的兩種工況

右手端拾器結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，工作過程分兩個部分，工況一的時候，右手端拾器由機器人控制水平移動到控制箱左側(cè)預(yù)定位置，同時，開門小片剛好插入吊門孔，機器人控制氣缸2的氣缸桿向上運動使吊門提升，露出電氣接口。然后氣缸1的氣缸桿向下運動使定位銷進入預(yù)定孔，氣缸3的氣缸桿向右運動使電氣接口緊密結(jié)合為數(shù)控機床工作臺提供動力。

圖5 右手端拾器結(jié)構(gòu)示意圖

如圖6所示，右手端拾器的電氣接口和數(shù)控機床工作臺連接后，數(shù)控機床工作臺上成圓周均勻分布的氣動連桿固定裝置從外側(cè)固定環(huán)形加工件，與此同時，對中氣缸的氣缸桿推動對中盤向上運動，4個對中推板和對中盤之間是斜面接觸，對中推板下有固定導(dǎo)軌，對中推板因為對中盤的上升運動而向外側(cè)沿導(dǎo)軌滑動，進而實現(xiàn)固定工件。

圖6 機床工作臺剖視圖

工況二的時候，環(huán)形加工件已加工完成，需要吹氣清潔。右手端拾器氣缸3的氣缸桿向右側(cè)推動，電氣接口斷開和數(shù)控機床工作臺的連接，對中氣缸和氣動連桿固定裝置釋放環(huán)形工件，右手端拾器移動到數(shù)控機床工作臺上方中心預(yù)定高度，氣缸4的氣缸桿向下移動，兩個噴嘴接近工件吹氣清潔，同時，右手端拾器由機器人控制旋轉(zhuǎn)一周實現(xiàn)360°清潔。清潔完成后，右手端拾器移動到初始位置，左手端拾器把工件從數(shù)控機床工作臺上抓取到成品區(qū)，完成加工。

3.2 誤差補償裝置

如圖5所示，當(dāng)氣缸1的氣缸桿向下推動時，若定位銷和對應(yīng)孔之間存在同軸度誤差，誤差補償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)補償兩者之間的誤差。誤差補償裝置結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要有兩對固定塊和滑動塊、彈簧和壓力傳感器組成。在兩對固定塊和滑動塊之間都裝有彈簧和壓力傳感器，其中滑動塊1和固定塊2固定連接在一起。

圖7 誤差補償裝置

當(dāng)定位銷和對應(yīng)孔之間出現(xiàn)誤差時，誤差補償裝置上會受到一個方向不定的力F，將力F沿X方向、Y方向以及垂直于X-Y平面的Z方向分解為FX、FY和FZ(定義滑動塊2滑動的方向為X方向,滑動塊1滑動的方向為Y方向),FZ由氣缸1的推力平衡，F(xiàn)Y會使滑塊1沿Y方向滑動，從而壓縮安裝在固定塊1和滑動塊1里面的彈簧，當(dāng)FY=F彈時，滑塊1停止滑動。在彈簧底端的壓力傳感器能反映出彈力的數(shù)值。

F彈=K·Δy

(5)

由彈力公式(5)可計算出彈簧壓縮量△y,△y還是滑塊1的滑動行程，同時還表示誤差在Y方向上的誤差偏移量。同理，可以求出滑動塊2里面彈簧的彈簧壓縮量△x,即誤差在X方向上的誤差偏移量。誤差偏移量△x和△y反饋到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)能控制機械臂進行微調(diào)實現(xiàn)X-Y平面任意方向的誤差動態(tài)補償。

4 結(jié)束語

我國航空制造業(yè)面臨著人力成本上漲，資源使用率低，行業(yè)競爭壓力大等多種不利因素。降低飛機零部件的生產(chǎn)成本，提高飛機的綜合性能，是每一家航空制造企業(yè)都要考慮的問題。本文對航空環(huán)形件智能制造技術(shù)進行研究，設(shè)計了一款航空環(huán)形件加工機器人，相對于手工操作，機器人作業(yè)首先提高了產(chǎn)品質(zhì)量，其次提高了生產(chǎn)效率，同時對制造產(chǎn)品的適應(yīng)性強，滿足航空制造業(yè)小批量、多品種的生產(chǎn)模式。