何鳳濤,陳愛民,張德遠(yuǎn),李少敏,劉春劍,唐 輝

(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,成都 610031；2.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,北京 100191)

隨著航空工業(yè)的發(fā)展,許多新型、高性能的飛機(jī)不斷被研發(fā)制造,如C919、ARJ21大飛機(jī)，殲20戰(zhàn)斗機(jī)，F(xiàn)35戰(zhàn)機(jī)等,對于解決低成本、高效蒙皮自動化制孔問題的需求越來越迫切[1-4]。隨著機(jī)器人、傳感器、自動控制及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各飛機(jī)制造業(yè)廠商和科研機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造了相應(yīng)的自動化制孔設(shè)備[5-6]。

目前,中外自動化制孔設(shè)備分為大型專用自動化制孔設(shè)備、工業(yè)機(jī)械臂式自動化制孔設(shè)備、輕型自動化制孔設(shè)備三大類。輕型自動化制孔設(shè)備是各種航空制孔設(shè)備中較為典型的代表,設(shè)備整體重量輕、制作成本低、占用空間小、人力節(jié)約,將飛機(jī)整機(jī)作為工件,實(shí)現(xiàn)以小制大[7-8]。在輕型自動化制孔設(shè)備中,應(yīng)用于飛機(jī)裝配較多的是柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人,操作簡單、可自主移動、加工效率高、成本低,受到中外學(xué)者及飛機(jī)制造商的廣泛關(guān)注[9-10]。

然而,柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人由于其導(dǎo)軌彎曲適應(yīng)性不足,限制了其適用不同曲面蒙皮的能力,只適用于在飛機(jī)大部件、小曲率表面制孔,如平展機(jī)翼、大型機(jī)身表面等,對于具有大曲率、雙曲度表面不適用,如戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)表面、進(jìn)氣道內(nèi)表面等。如何提高柔性導(dǎo)軌曲面適應(yīng)能力,同時(shí)又能保證導(dǎo)軌具有一定強(qiáng)度的剛性是急需解決的一大難題[11-13]。變剛度技術(shù)有效解決剛性與柔性之間矛盾的問題。使導(dǎo)軌具有可變剛度,可提升其曲面適應(yīng)能力,又能保證導(dǎo)軌具有足夠的剛度承載導(dǎo)軌系統(tǒng)的自身重量。借鑒變剛度技術(shù),為具有變剛度功能的剛?cè)岵?jì)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)和制造提供靈感。變剛度導(dǎo)軌通過負(fù)壓吸附的方式固定在飛機(jī)蒙皮表面,制孔機(jī)器人沿著可變剛度柔性導(dǎo)軌前后移動,可實(shí)現(xiàn)在曲面蒙皮上的自動化制孔,提高制孔質(zhì)量和效率,提升其適應(yīng)不同曲面制孔的能力,擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。

1 柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)代飛機(jī)制造過程中,隨著飛機(jī)制造周期的縮短以及對生產(chǎn)成本的控制,自動化制孔設(shè)備趨向于被小型化、輕便精密制孔工具代替[14-15]。另一方面,由于現(xiàn)代飛行器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化,為適應(yīng)復(fù)雜表面的加工要求,制孔設(shè)備向著柔性化和鉆鉚裝配一體化的趨勢發(fā)展。柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人是輕型自主式制孔設(shè)備中較為典型的一種,用于飛機(jī)裝配和制造。導(dǎo)軌通過一系列的真空吸盤固定在飛機(jī)表面,制孔機(jī)器人沿著導(dǎo)軌移動實(shí)現(xiàn)自動化制孔,可以降低工裝的難度和精度要求并且將飛機(jī)整機(jī)作為加工對象可以減少工件的安裝時(shí)間,從而取代傳統(tǒng)的五軸制孔設(shè)備,具有操作簡單、加工精度高、一致性好等特點(diǎn)[16-17]。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在2000年左右,美國波音公司針對大型客機(jī)自動化制孔的問題,首次提出了柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人的概念,并且設(shè)計(jì)制造了世界上首臺柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人,主要是針對大型客機(jī)機(jī)身段以及機(jī)翼段等蒙皮表面的自動化制孔,此后美國EI(Electroimpact)、AIT(Advanced Integration Technology)、WCI(West Coast Industries)、西班牙Fatronik、MTorres以及法國Alema等公司相繼推出了不同形式的柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人,主要為了適應(yīng)飛機(jī)不同部位蒙皮表面的自動化制孔的需求[18-23]。按照柔性導(dǎo)軌不同的配置形式,主要分為4類,包括雙導(dǎo)軌式、寬導(dǎo)軌式、偏置導(dǎo)軌式和高扭矩式，如圖1所示。雙導(dǎo)軌式柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人主要用于機(jī)翼蒙皮等大平緩表面的自動化制孔；寬導(dǎo)軌式柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人導(dǎo)軌之間的跨距比較大,覆蓋的制孔區(qū)域更大,導(dǎo)軌的安裝次數(shù)較少,可以一次性較大面積制孔,從而提升制孔效率,適用于具有多列孔的機(jī)身對接段區(qū)域制孔；偏置式柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人主要是針對飛機(jī)邊緣蒙皮表面自動化制孔的問題；高扭矩式柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人屬于雙導(dǎo)軌式的加強(qiáng)版,輸出功率大,制孔能力強(qiáng),主要適用于飛機(jī)蒙皮表面較大孔徑自動化制孔。

圖1 國外柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人Fig.1 Foreign flexible track drilling robot

1.2 中國研究現(xiàn)狀

與國外相比,中國學(xué)者和飛機(jī)制造商對于柔性導(dǎo)軌機(jī)器人的研究起步較晚,雖已取得了較大進(jìn)展,但未實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

在2009年,中國首臺柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人由北京航空制造工程研究所研制成功，如圖2(a)所示，該設(shè)備具有4個自由度,用于大飛機(jī)機(jī)身對接段等區(qū)域蒙皮表面自動化制孔[24-27]；上海交通大學(xué)也進(jìn)行了柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人的研制,開發(fā)了一套針對柔性軌道自動制孔系統(tǒng)的專用數(shù)控系統(tǒng)如圖2(b)所示,該系統(tǒng)以PMAC運(yùn)動控制器為核心,結(jié)合工控機(jī)、各種執(zhí)行元件以及檢測元件進(jìn)行構(gòu)建[28-30]。

Ma等[31]、李軍等[32]成功設(shè)計(jì)并制造柔性導(dǎo)軌自動化制孔機(jī)器人,進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn),取得了良好的效果,并且提高了制孔的一致性以及制孔精度等加工指標(biāo),但離實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用還有一段距離，如圖2(c)所示。浙江大學(xué)成功研制了環(huán)形軌道自動化制孔設(shè)備,主要是針對大型飛機(jī)機(jī)身環(huán)形對接區(qū)域的自動化制孔[33-36],其中環(huán)形軌道與地面連接成為一體,穩(wěn)定、安全,但設(shè)備復(fù)雜體積龐大,如圖2(d)所示。

圖2 中國柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人Fig.2 Domestic flexible track drilling robot

2 柔性導(dǎo)軌機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

柔性導(dǎo)軌自動制孔機(jī)器人主要由3部分組成,包括帶有真空吸盤的柔性導(dǎo)軌、姿態(tài)調(diào)整單元及制孔單元。如圖3(a)所示,制孔設(shè)備沿著柔性導(dǎo)軌前后移動,制孔單元姿態(tài)通過B軸和Y軸進(jìn)行調(diào)節(jié),制孔單元進(jìn)行Z向進(jìn)給,完成鉆孔過程。其中,柔性導(dǎo)軌由兩根彈簧鋼帶構(gòu)成,其下等間距安裝真空吸盤,用于吸附飛機(jī)待制孔表面,將導(dǎo)軌固定;導(dǎo)軌上安裝齒條用于制孔沿著X軸向前后精確移動和定位,如圖3(c)所示。

柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一導(dǎo)軌有兩個作用,一是隨工件彎曲,二是進(jìn)行傳動和導(dǎo)向。初始狀態(tài),導(dǎo)軌是平直的,如圖3(a)所示,吸附狀態(tài)時(shí),導(dǎo)軌彎曲吸附在蒙皮表面。導(dǎo)軌需要具有好的彈性適應(yīng)蒙皮曲率較大的工件,同時(shí)根據(jù)傳動導(dǎo)向的特點(diǎn),也需要導(dǎo)軌具有較好的局部剛性,足以承載制孔機(jī)器人的重力,不會發(fā)生較大的局部變形,影響傳動精度。導(dǎo)軌需要剛?cè)岵?jì),可以從變剛度技術(shù)出發(fā),重新設(shè)計(jì)制造具有變剛度功能的柔性導(dǎo)軌。

圖3 柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of flexible track drilling robot

3 變剛度技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前,機(jī)器人實(shí)現(xiàn)變剛度的方式主要分為兩種,一是增加材料之間摩擦力即相互作用,二是實(shí)現(xiàn)材料在固態(tài)和液態(tài)兩種變化,實(shí)現(xiàn)材料剛度的變化[37-40]。

3.1 材料耦合變剛度

材料耦合變剛度是指在外力的影響下,增加材料之間的拮抗作用,使材料本身穩(wěn)定,包括顆粒阻塞、層干擾、鏈狀干擾等方式。

3.1.1 顆粒阻塞變剛度

顆粒阻塞是指顆粒狀固體在受到限制的環(huán)境中其流動性降低而具有較高剛體性的特征。顆粒在柔性薄膜或者氣囊包裹下,變形容易；對氣囊進(jìn)行抽氣,在大氣壓力的作用下,顆粒物質(zhì)之間的相互作用增大,達(dá)到一種更加穩(wěn)定的狀態(tài),使得整體的剛度顯著增加。顆粒阻塞變剛度是較為常見的變剛度方式,成本低,結(jié)構(gòu)簡單易得,能實(shí)現(xiàn)較大范圍的變剛度[41-44]。

顆粒阻塞變剛度的方式分為主動與被動兩種變剛度方式。主動式利用真空泵將密閉腔內(nèi)的氣體抽出,在內(nèi)外壓差的作用下,增大顆粒與顆粒之間以及顆粒與膜之間的的摩擦力,從而增加結(jié)構(gòu)的整體剛度。阻塞過程如圖4(a)所示,其剛度變化與顆粒尺寸、顆粒膜厚度、顆粒形狀以及負(fù)壓大小有關(guān)[45]。圣安娜學(xué)校Ranzani等[46-47]制作了變剛度手術(shù)機(jī)械臂。香港大學(xué)Li等[48]提出一種被動式變剛度方法,如圖4(b)所示，通過壓縮泵對驅(qū)動器的空腔部分進(jìn)行充氣,驅(qū)動器會發(fā)生彎曲,并且會擠壓帶有顆粒的腔室,顆粒之間的摩擦力增大,機(jī)構(gòu)整體剛度增加；當(dāng)柔性驅(qū)動器的彎曲程度越大,則驅(qū)動器的整體剛度越大。被動阻塞變剛度不需要負(fù)壓裝置即可實(shí)現(xiàn)剛度的變化,這是其主要的優(yōu)點(diǎn),但變剛度范圍較小。

圖4 顆粒干擾Fig.4 Particle jamming

3.1.2 基于層干擾變剛度

層干擾變剛度方式與顆粒阻塞變剛度方式類似,主要是在負(fù)壓作用下,增大層狀材料層與層之間的摩擦力,從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度[49-51],如圖5所示。當(dāng)真空關(guān)閉時(shí),各層獨(dú)立彎曲,結(jié)構(gòu)抗彎剛度低。真空條件下,層作為一個黏性單元彎曲,結(jié)構(gòu)具有較高的抗彎剛度。

圖5 層干擾Fig.5 Laminar jamming

3.1.3 基于鏈狀干擾變剛度

Jiang等[52]提出了一種新的鏈狀顆粒干擾機(jī)制,可實(shí)現(xiàn)大范圍的剛度瞬時(shí)變化，如圖6所示,幾十個立方顆粒被組裝成鏈狀結(jié)構(gòu)(CLS),其中一條線穿過顆粒上的孔。CLS的近端被一個固定結(jié)構(gòu)所約束,而遠(yuǎn)端是自由的。在自然狀態(tài)下,由于重力的影響,CLS將沿著顆粒的縱向下垂,如圖6(a)所示。然而,當(dāng)外部拉力作用于線如圖6(b)所示。當(dāng)增加施加在線上的拉力,結(jié)構(gòu)的整體剛度提高。通過理論建模確定了顆粒形成鏈狀結(jié)構(gòu)的最佳組合,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,這種新型結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)50.7倍的剛度變化，其不足是需要棘輪結(jié)構(gòu),需提供額外的拉力。

圖6 鏈狀干擾Fig.6 Chain-like jamming

3.2 材料相變變剛度

材料相變變剛度是指在磁場、溫度等外界條件的變化,使材料能夠在液態(tài)和固態(tài)兩種狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化,液態(tài)時(shí)剛度低,固態(tài)時(shí)剛度高,從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的變剛度功能。材料相變變剛度分為磁流體變剛度和低溫合金變剛度兩種方式[53]。

3.2.1 磁流變體變剛度

磁流體被稱為磁流變液,它不但有液體材料的流動性,又有具有固態(tài)材料的磁性,以及通過改變外加磁場強(qiáng)度改變材料整體剛度的特性。2010年,日本國立科技大學(xué)Taniguchi等[54]利用磁流體效應(yīng)設(shè)計(jì)并制作了一種能實(shí)現(xiàn)變剛度功能的移動式機(jī)器人,如圖7(a)所示,移動機(jī)器人的驅(qū)動腿由橡膠包裹的磁流變液構(gòu)成,如圖7(b)所示,通過外加磁場強(qiáng)度的變化可以控制每條腿的變形以及腿的剛度變化,實(shí)現(xiàn)整體移動。

圖7 磁流體Fig.7 Magnetofluid

2018年,Julie[55]利用3D打印技術(shù)打印了一個由塑料管組成的三維晶格結(jié)構(gòu),將油和微小鐵顆粒組成的混合物填充到塑料管中。常態(tài)下,微小鐵顆粒是在油中隨機(jī)分布的,混合體是可流動性強(qiáng)。當(dāng)磁鐵靠近晶格結(jié)構(gòu),微小鐵顆粒將均勻排布,使混合體黏稠,流動性降低,從而晶格變硬,實(shí)現(xiàn)整體變剛度,如圖8所示。

圖8 磁流體晶格Fig.8 Ferrofluid lattice

3.2.2 低熔點(diǎn)合金變剛度

低熔點(diǎn)合金變剛度是指利用低熔點(diǎn)合金(熔點(diǎn)低于232 ℃)在不同外界溫度的作用下,從固態(tài)到液態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化從而實(shí)現(xiàn)變剛度的功能[56-57]。2016年,Farshid等[58]將低熔點(diǎn)合金嵌入軟體機(jī)械臂中,利用嵌入材料內(nèi)部的電阻絲加熱材料,使材料在固液之間進(jìn)行轉(zhuǎn)變,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂整體剛度變化。2017年,Hao等[59]、Yuan等[60]將低熔點(diǎn)合金材料嵌入軟體機(jī)械臂,軟體模塊包括實(shí)現(xiàn)彎曲功能的頂部結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)變剛度功能的底部多層結(jié)構(gòu),具體如圖9所示。將熔點(diǎn)為62 ℃的低熔點(diǎn)合金嵌入硅橡膠體內(nèi),并且在不同位置引出四條可以加熱的發(fā)熱導(dǎo)線,將加熱電源與任意兩條連接,對在不同位置的低熔點(diǎn)合金進(jìn)行加熱,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的整體剛度的變化。該方法可以產(chǎn)生較大的剛度變化,但加熱時(shí)間長,相應(yīng)慢,并且整體的剛度不能再任意范圍內(nèi)變化。

圖9 低熔點(diǎn)合金Fig.9 Low melting point alloy

以上幾種是機(jī)器人常用的變剛度方式。被動阻塞方式通過結(jié)構(gòu)的主動變形,對帶有顆粒的腔室進(jìn)行擠壓,實(shí)現(xiàn)整體剛度的變化,優(yōu)點(diǎn)是不需要額外的真空驅(qū)動方式,但是會影響整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動；主動負(fù)壓阻塞變剛度可實(shí)現(xiàn)剛度的任意調(diào)節(jié),隨真空壓力的增大而增大,但需要額外的負(fù)壓裝置,小型化和輕量化是個潛在的問題；層干擾變剛度原理與顆粒阻塞變剛度原理類似,通層干擾方式主要是通過負(fù)壓作用,增大片狀材料層與層之間的摩擦力,整體變剛度的效果較好,但是對整體結(jié)構(gòu)的柔順性以及適應(yīng)性有一定的影響；鏈狀干擾變剛度效果好,反應(yīng)快,但需提供額外的拉力。磁流體及低熔點(diǎn)合金材料是通過增加外界物理場(溫度、磁場等),使材料發(fā)生固液之間轉(zhuǎn)變,從而實(shí)現(xiàn)剛度的變化,但是剛度變化的范圍較小。

4 結(jié)論

目前中外的航空自動化制孔設(shè)備趨于小型化、輕便化,改變傳統(tǒng)的以大制小的方式,實(shí)現(xiàn)以小制大。柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人作為小型化制孔設(shè)備中的典型代表,應(yīng)用較為廣泛,但也存在一定局限性。柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一柔性導(dǎo)軌,由于材料以及結(jié)構(gòu)的限制,彎曲適應(yīng)性不足,只適合于飛機(jī)大部件、小曲率表面的制孔和裝配。導(dǎo)軌需同時(shí)具有一定的整體柔性和一定的局部剛性?？梢越梃b變剛度技術(shù),重新設(shè)計(jì)制造導(dǎo)軌,使得導(dǎo)軌剛?cè)岵?jì),從而提升其適應(yīng)曲面工件的能力。

變剛度方式主要包括顆粒阻塞、層干擾、鏈狀干擾、磁流體效應(yīng)、低熔點(diǎn)合金5種方式,每種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。可根據(jù)變剛度范圍、制造成本、航空裝配實(shí)際工況選擇合適的變剛度方式,設(shè)計(jì)變剛度導(dǎo)軌。可以想象,柔性可變剛度導(dǎo)軌,可自適應(yīng)任何曲率的蒙皮表面,包括單曲率、雙曲率和復(fù)雜曲率蒙皮表面。同時(shí)開發(fā)設(shè)計(jì)新的傳動方式,使得制孔機(jī)器人能沿著變剛度導(dǎo)軌自由行走,從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面蒙皮的自動化制孔。