談寶林 王兆鋒 薛宏

[摘 ? ?要]某型機(jī)活動(dòng)翼面加工區(qū)域比較廣，分為了14個(gè)組件，制孔任務(wù)繁重，且各組件材料為復(fù)合材料，依靠手工制孔效率低，并且加工精度難以保證，需采用自動(dòng)制孔技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品加工。如果采用專(zhuān)用機(jī)床費(fèi)用昂貴，在此背景下提出采用機(jī)器人制孔系統(tǒng)加工活動(dòng)翼面組件的自動(dòng)制孔技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]活動(dòng)翼面;復(fù)合材料;自動(dòng)制孔技術(shù);機(jī)器人制孔系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)]V262.4 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）03–00–02

[Abstract]The processing area of the movable wing surface of a certain type of aircraft is relatively wide， which is divided into 14 components. The drilling task is heavy， and the component materials are composite materials. The manual drilling efficiency is low， and the processing accuracy is difficult to guarantee， so the automatic drilling technology is needed for product processing. If it is expensive to use special machine tools， this paper proposes a set of automatic drilling technology of robot drilling system for machining movable wing components.

[Keywords]movable wing; composite material; automatic drilling technology; robot drilling system

1 活動(dòng)翼面自動(dòng)化制孔方案

活動(dòng)翼面組件的自動(dòng)化制孔工藝流程需要包含前期準(zhǔn)備：骨架的連接和安裝，蒙皮安裝以及臨時(shí)緊固釘?shù)陌惭b。在自動(dòng)制孔過(guò)程中涉及基準(zhǔn)孔找正、自動(dòng)化加工、自動(dòng)換刀、自動(dòng)測(cè)孔，在自動(dòng)制孔完成后，還要進(jìn)行清理、補(bǔ)鉚、涂膠等工作。

1.1 準(zhǔn)備

按照活動(dòng)翼面自動(dòng)化制孔工裝布局，在傳統(tǒng)工裝骨架上，建立相應(yīng)的坐標(biāo)位置快速匹配基準(zhǔn)孔。在制孔控制系統(tǒng)中，以配置文件的形式記錄工裝匹配基準(zhǔn)孔在產(chǎn)品坐標(biāo)下的三維空間位置。按照活動(dòng)翼面自動(dòng)化制孔工裝布局，以產(chǎn)品坐標(biāo)系統(tǒng)為機(jī)器人工件坐標(biāo)系，建立機(jī)器人工件坐標(biāo)與機(jī)器人基坐標(biāo)系統(tǒng)的關(guān)系。在制孔控制系統(tǒng)中，以配置文件的形式記錄該關(guān)系矩陣及工裝匹配基準(zhǔn)孔在機(jī)器人機(jī)器坐標(biāo)系下的三維空間位置。對(duì)于每個(gè)制孔終端執(zhí)行器，建立機(jī)器人工具坐標(biāo)系與機(jī)器人基坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系;在制孔控制系統(tǒng)中以配置文件的形式記錄該終端執(zhí)行器對(duì)應(yīng)的機(jī)器人工具坐標(biāo)系與機(jī)器人機(jī)器坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系。

1.2 機(jī)器人移動(dòng)和定位

將機(jī)器人制孔系統(tǒng)移動(dòng)到產(chǎn)品工裝旁邊設(shè)置好的位置;按定位操作規(guī)程完成機(jī)器人制孔系統(tǒng)的定位及其與地面的連接;接上電源、氣源，啟動(dòng)機(jī)器人制孔系統(tǒng)，根據(jù)制孔終端執(zhí)行器編號(hào)、制孔對(duì)象類(lèi)型配置機(jī)器人工作坐標(biāo)系;運(yùn)行制孔系統(tǒng)位置校準(zhǔn)程序，讓機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量工裝上相應(yīng)的匹配基準(zhǔn)孔，結(jié)合基準(zhǔn)孔在機(jī)器人機(jī)器坐標(biāo)系下實(shí)測(cè)位置值、標(biāo)定值及基準(zhǔn)孔在工件坐標(biāo)系統(tǒng)的標(biāo)定值，快速檢查并校準(zhǔn)機(jī)器人的工件坐標(biāo)系。

1.3 人工制參考孔及預(yù)連接孔

根據(jù)某飛機(jī)活動(dòng)翼面連接孔孔位布局形式及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，以梁、肋為制孔分區(qū)依據(jù)，對(duì)不同翼面的制孔部位進(jìn)行分區(qū)。每區(qū)首末端各設(shè)置一個(gè)孔位為參考點(diǎn)以適應(yīng)梁、肋的軸線裝配偏差，翼面上每300 mm左右設(shè)置1個(gè)預(yù)連接孔以實(shí)現(xiàn)制孔零件夾層的緊密貼合。參考孔與預(yù)連接孔的孔徑應(yīng)小于終孔1 mm以上。離線編程時(shí)，按此原則定義參考孔和預(yù)連接孔定義文件。根據(jù)參考孔定義文件，人工制作參考孔;制參考孔時(shí)要根據(jù)梁、肋的裝配位置合理控制孔邊距;編輯并修改參考孔定義文件，以符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝配關(guān)系。根據(jù)預(yù)連接孔定義文件，制預(yù)連接孔并用緊固件在預(yù)連接孔位將制孔零件緊密連接;編輯并修改參考孔定義文件，以符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際裝配關(guān)系。

1.4 基準(zhǔn)孔孔位測(cè)量

依據(jù)離線編程生成的基準(zhǔn)孔測(cè)量程序，通過(guò)程序運(yùn)行，利用末端執(zhí)行器上的相機(jī)找正模塊，即可以排到基準(zhǔn)釘?shù)淖鴺?biāo)值，從而保存在數(shù)控系統(tǒng)中，用于與理論值進(jìn)行對(duì)比和修正。

1.5 孔位修正

可選擇程序修正功能，根據(jù)參考孔測(cè)量報(bào)告文件和預(yù)連孔定義文件進(jìn)行孔位統(tǒng)一修正，形成新的制孔程序并在修正過(guò)的文件中加注相應(yīng)標(biāo)志。如果參考孔、預(yù)連接孔的實(shí)際選取與離線編程有區(qū)別，則需根據(jù)參考孔測(cè)量報(bào)告文件和預(yù)連接孔定義文件，以原始的區(qū)塊制孔程序，重新標(biāo)記自動(dòng)參考孔、預(yù)連接孔制孔程序。

1.6 自動(dòng)化標(biāo)記制孔孔位

以標(biāo)記模式運(yùn)行制孔程序，載入?yún)⒖伎诇y(cè)量報(bào)告文件（有自動(dòng)載入/人工載入兩種模式）。對(duì)于相應(yīng)的制孔區(qū)域，制孔控制系統(tǒng)首先檢查是否有合適的參考孔測(cè)量信息，如缺少參考孔測(cè)量信息，系統(tǒng)會(huì)提示用戶(hù)去測(cè)量參考孔或載入?yún)⒖伎诇y(cè)量報(bào)告文件或放棄孔位修正繼續(xù)操作。如果有合適的參考孔測(cè)量信息，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)參考孔測(cè)量信息建立孔位修正模型，然后進(jìn)行孔位標(biāo)記操作（包括終端執(zhí)行器定位、法向測(cè)量和自動(dòng)調(diào)整、孔位標(biāo)記等操作）。機(jī)器人對(duì)終端執(zhí)行器定位時(shí)，會(huì)根據(jù)孔位修正模型逐點(diǎn)修正制孔孔位。完成修正后，自動(dòng)生成修正過(guò)的制孔程序。完成孔位標(biāo)記后，應(yīng)檢查孔位布置情況并提出孔位修正建議，并根據(jù)建議修改編輯參考孔定義文件，重新進(jìn)行孔位標(biāo)記。

1.7 自動(dòng)化制孔

以制孔模式運(yùn)行經(jīng)過(guò)孔位修正的制孔程序，制孔控制系統(tǒng)將逐孔指揮機(jī)器人及終端執(zhí)行器完成自動(dòng)換刀、終端執(zhí)行器定位、法向測(cè)量、自動(dòng)調(diào)整、旋轉(zhuǎn)主軸、壓腳壓緊、分階段進(jìn)給、窩深控制及快速退刀等操作完成制孔任務(wù)。

2 自動(dòng)制孔設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人具有六關(guān)節(jié)六個(gè)自由度，能在其可達(dá)空間內(nèi)將制孔終端執(zhí)行器定位到任意空間位置，并調(diào)整制孔終端執(zhí)行器的空間姿態(tài)。根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)制孔空間適應(yīng)性、工作范圍及制孔所需有效載荷等要求，選用德國(guó)KUKA公司的KR360-3 L280-3型工業(yè)機(jī)器人。

KR360-3L280-3型機(jī)器人是KUKA公司的一款重載、高精工業(yè)機(jī)器人，主要用于重載堆垛、焊接、機(jī)械加工等工業(yè)領(lǐng)域。機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人硬件、控制器及控制軟件、手持式人機(jī)界面三個(gè)部分。其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

KUKA KR360-3L280-3型機(jī)器人為6旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人，通過(guò)6個(gè)關(guān)節(jié)的伺服運(yùn)動(dòng)，可以精確實(shí)現(xiàn)其末端的三維空間定位及空間運(yùn)動(dòng)軌跡。它由機(jī)器人底座、機(jī)械臂、手腕、末端法蘭、平衡裝置組成（圖1）。

2.2 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是自動(dòng)制孔設(shè)備的核心部件，是加工精度、可靠性的保證。末端執(zhí)行器包含了制孔主軸、法向測(cè)量裝置、壓緊裝置、相機(jī)找正單元，同時(shí)集成了吸塵裝置以提高產(chǎn)品加工質(zhì)量。具備制孔、锪窩、孔徑、窩徑檢測(cè)等功能。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)制孔系統(tǒng)，孔徑精度達(dá)到H9，窩深可以達(dá)到±0.05 mm以?xún)?nèi)。能夠?qū)崿F(xiàn)200～5 000 r/min的自動(dòng)制孔轉(zhuǎn)速。

3 自動(dòng)制孔設(shè)備應(yīng)用

3.1 應(yīng)用于活動(dòng)翼面的制孔方案

活動(dòng)翼面的制孔區(qū)域主要集中在蒙皮部分，包含了上下翼面與前后梁、肋等的骨架部分的連接。用圖2說(shuō)明其自動(dòng)化制孔布局方案，梁、肋和接頭的定位工裝基本上不變，要求工裝調(diào)整水平并且與車(chē)間地面固定連接，增加移動(dòng)式自動(dòng)化制孔設(shè)備。

選用Kuka重載精密工業(yè)機(jī)器人（KR360L280-3）在進(jìn)行規(guī)劃布局時(shí)，保證機(jī)器人活動(dòng)范圍能夠覆蓋壁板上的制孔區(qū)域，采用兩臺(tái)相互獨(dú)立且順次工作的機(jī)器人制孔系統(tǒng)，1臺(tái)機(jī)器人可以在6個(gè)不同位置定位，完成自動(dòng)化制孔。

3.2 實(shí)現(xiàn)活動(dòng)翼面自動(dòng)化制孔的車(chē)間布局

通過(guò)自動(dòng)制孔單元布局，結(jié)合車(chē)間空間以及多個(gè)活動(dòng)翼面的制孔需求，通過(guò)在車(chē)間統(tǒng)一規(guī)劃，配備能源與電氣接口，根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍以及產(chǎn)品數(shù)量，規(guī)劃整個(gè)車(chē)間布局。為了保證制孔效率，建議至少配置2臺(tái)移動(dòng)式自動(dòng)化制孔設(shè)備，設(shè)備在車(chē)間地面相對(duì)固定。設(shè)備和工裝布局也可以由甲方根據(jù)車(chē)間使用情況自行定義，只要考慮到設(shè)備移動(dòng)和相對(duì)定位的要求即可。

3.3 加工范圍仿真

通過(guò)Delmia的仿真分析，對(duì)14個(gè)活動(dòng)翼面產(chǎn)品制孔，機(jī)器人加工范圍總結(jié)見(jiàn)表2，內(nèi)主襟翼及外主襟翼的加工時(shí)，有較多孔位不能完成，其余工件制孔率均較高。

4 結(jié)論

目前該方案已經(jīng)應(yīng)用于某機(jī)型活動(dòng)翼面的自動(dòng)制孔，其加工質(zhì)量和穩(wěn)定性相對(duì)于人工制孔得到了大幅度提高，可以提高制孔效率50%，降低產(chǎn)品缺陷90%以上。通過(guò)應(yīng)用，深入掌握了面向自動(dòng)制孔的工藝裝備設(shè)計(jì)、工藝流程規(guī)劃、自動(dòng)化加工過(guò)程控制、自動(dòng)化仿真等技術(shù)。面對(duì)目前國(guó)內(nèi)裝配技術(shù)還是主要靠人工的現(xiàn)狀，本文研究的制孔技術(shù)不僅能夠用于國(guó)內(nèi)大型飛機(jī)活動(dòng)翼面的自動(dòng)制孔技術(shù)，還縮短了與國(guó)外技術(shù)的差距，具有重要的戰(zhàn)略意義。

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