飛機(jī)翼面類部件柔性裝配五坐標(biāo)自動制孔設(shè)備的研制

1、飛機(jī)翼面類部件柔性裝配五坐標(biāo)自動制孔設(shè)備的研制            飛機(jī)制造技術(shù)的機(jī)械化、自動化、模塊化一直倍受人們關(guān)注。飛機(jī)的結(jié)構(gòu)具有尺寸大、形狀復(fù)雜、連接件數(shù)量多等特點(diǎn)。在飛機(jī)裝配鉆孔過程中如果完全依靠傳統(tǒng)的人工作業(yè)，對人力、物力的要求是巨大的，更重要的是制孔質(zhì)量低，連接質(zhì)量難以滿足較高疲勞壽命的要求，并且加工效率也低。隨著數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)以及自動裝配制孔技術(shù)在飛機(jī)研制生產(chǎn)中的應(yīng)用，飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的研究取得快速突破，并在工業(yè)發(fā)達(dá)國家航空企業(yè)中獲得了顯著的成效。國內(nèi)雖

2、然設(shè)計制造五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床的能力已經(jīng)成熟，但用于飛機(jī)柔性裝配方面的機(jī)器設(shè)備尚屬空白。本論文將對以平尾為代表的飛機(jī)翼面類部件柔性裝配自動制孔設(shè)備的研制進(jìn)行討論。飛機(jī)裝配需求分析現(xiàn)代飛機(jī)裝配中最重要的是裝配速度和裝配質(zhì)量。飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率取決于飛機(jī)連接技術(shù)。目前，飛機(jī)（特別是軍機(jī)）裝配大量采用手工操作，制孔速度、制孔質(zhì)量、連接質(zhì)量難以滿足高性能飛機(jī)的要求。自動鉆鉚技術(shù)的應(yīng)用可以大幅度提高制孔速度、制孔質(zhì)量和連接質(zhì)量，在一定程度上實(shí)現(xiàn)裝配技術(shù)的自動化、數(shù)字化和模塊化。自動制孔設(shè)備的要求大致有1：· 機(jī)床行程：10m×4m×0.4m；· 定位精度：±0

3、.2mm；· 擺角范圍：俯仰角與偏轉(zhuǎn)角各±15°；· 制孔直徑：410mm；· 孔精度：H9；· 加工材料：復(fù)合材料、鋁合金；· 配備吸塵裝置；· 具有測法向功能；· 具有監(jiān)控及顯示功能；· 具有鉆頭破損檢測功能；· 效率：5個孔/min。設(shè)備應(yīng)能自動連續(xù)完成夾緊、制孔、锪窩、松開夾緊等加工工序。自動制孔設(shè)備總體結(jié)構(gòu)自動制孔設(shè)備由立式五坐標(biāo)機(jī)構(gòu)和自動制孔用的末端執(zhí)行器組成，以適應(yīng)帶有兩個曲度的飛機(jī)翼面類部件的加工要求。設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)見圖1。五坐標(biāo)機(jī)構(gòu)可進(jìn)行X、Y、Z方向的直角坐標(biāo)運(yùn)動和

4、A、B兩個擺角運(yùn)動，可實(shí)現(xiàn)精確的空間定位和姿態(tài)調(diào)整，用于將多功能末端執(zhí)行器移動到裝配部件上的指定位置，以實(shí)現(xiàn)自動制孔。1.X、Y、Z三坐標(biāo)機(jī)構(gòu)X軸通過齒輪、齒條嚙合進(jìn)行運(yùn)動，通過光柵尺反饋實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制，完成X向的高精度進(jìn)給驅(qū)動。Y軸立柱的內(nèi)腔是空的，內(nèi)部靠筋板間的連接保證其剛性。立柱的兩個側(cè)立板具有一定的斜度，目的是實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計。在Y軸的外部，懸掛有Z軸、平衡橫滑板、雙擺頭和末端執(zhí)行器，它們具有較大重量，如果不采用平衡裝置，絲杠的壽命將達(dá)不到預(yù)期設(shè)計要求。本系統(tǒng)采用機(jī)械重錘式配重機(jī)構(gòu)。在立柱內(nèi)腔，放置一個配重，配重的質(zhì)量取外部質(zhì)量的80%左右。移動平臺與Y軸立柱相連接，平臺上放置電

5、氣柜和控制臺。Z軸用絲杠螺母副傳動，選用額定轉(zhuǎn)速為1500r/min的伺服電機(jī)直接驅(qū)動，不需要減速器。Z軸的導(dǎo)向和承載通過直線導(dǎo)軌完成，每個導(dǎo)軌上都有滑塊，并固定到滑板上。橫滑板兩面都裝有滑塊，分別與Y、Z軸連接，沿著Y向?qū)к墸琙軸與橫滑板可進(jìn)行上下移動，實(shí)現(xiàn)在Y向的進(jìn)給。Z軸相對于橫滑板可進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)Z向的進(jìn)給。2.雙擺頭結(jié)構(gòu) 雙擺頭用來實(shí)現(xiàn)A、B2個擺角的運(yùn)動。多功能末端執(zhí)行器用于實(shí)現(xiàn)孔定位、壓緊力檢測、自動制孔、锪窩、粉塵抽吸、孔徑和位置檢測的功能。關(guān)鍵技術(shù)1.多功能末端執(zhí)行器的開發(fā)多功能末端執(zhí)行器的設(shè)計以上述技術(shù)指標(biāo)為基準(zhǔn)。結(jié)合工藝需求，本設(shè)計要求結(jié)構(gòu)的壓緊進(jìn)給與锪窩進(jìn)給同向。

6、按照傳統(tǒng)思路，其形式為壓緊進(jìn)給與锪窩進(jìn)給采取并聯(lián)方式，鉆锪的精度取決于機(jī)構(gòu)的精度。但因機(jī)構(gòu)的精度極限不可能達(dá)到锪窩的精度，所以傳統(tǒng)形式存在缺陷。本設(shè)計的多功能末端執(zhí)行器如圖2所示。                （1）高精度锪窩進(jìn)給。本設(shè)計采用另外一種形式，即壓緊進(jìn)給與锪窩進(jìn)給采取串聯(lián)的方式，且锪窩進(jìn)給置于壓緊進(jìn)給之上。由于孔定位精度要求±0.2mm，锪窩精度0.05mm要高于定位精度，因此，采取末端執(zhí)行器和定位平臺分開進(jìn)行設(shè)

7、計的方案。定位平臺設(shè)計為五軸聯(lián)動的機(jī)床，它的功能是對末端執(zhí)行器進(jìn)行定位和將法線垂直于被加工點(diǎn)。壓緊進(jìn)給是力控制，行程很短。鉆锪進(jìn)給是在壓緊的基礎(chǔ)上，以被加工物表面為基準(zhǔn)進(jìn)行加工，因此可以保證锪窩精度的要求。這樣，就避開了機(jī)床精度達(dá)不到锪窩精度要求的難題，實(shí)現(xiàn)了更高精度的鉆锪加工功能。（2）壓緊力控制。壓緊裝置要求壓緊力在0200kg范圍內(nèi)程控可調(diào)，其氣動系統(tǒng)采用比例減壓閥調(diào)壓并由壓力傳感器反饋來進(jìn)行氣壓伺服控制。壓緊速度和退回速度采用手動調(diào)整，只需一次性調(diào)整好截流閥的流量，不需要經(jīng)常調(diào)整。（3）法向調(diào)姿。由于要求主軸軸線對工作平面垂直，本設(shè)計使用了測法線技術(shù)。平尾雖然有兩個曲度，但曲度并不大，

8、在鉆孔位置的四周局部，完全可以認(rèn)為是小平面。當(dāng)末端執(zhí)行器的壓腳靠近小平面時，使用4個測距儀測距，如果距離相等可視為垂直，不等時則要計算出偏差角，并通過五軸聯(lián)動調(diào)整姿態(tài)，使其滿足工作要求。（4）精度計算。因有孔精度要求，所以要全面考慮電主軸、刀柄、刀具的徑向跳動精度及動平衡，以達(dá)到孔精度要求2。（5）吸塵。因復(fù)合材料的粉塵吸入肺部有害于健康，末端執(zhí)行器上安裝了吸塵裝置。2.雙擺角結(jié)構(gòu)與驅(qū)動的解決方案雙擺角機(jī)構(gòu)是設(shè)計的難點(diǎn)。傳統(tǒng)的方法是從機(jī)械制造工藝方面考慮，既要求A擺軸、B擺軸和鉆孔主軸三者垂直相交，又要求A擺框和B擺框上的軸線保證同軸度。往往導(dǎo)致雙擺頭的設(shè)計只能停留在機(jī)械設(shè)計階段，工藝中卻很難

9、實(shí)現(xiàn)。（1）雙擺頭標(biāo)定法。在本設(shè)計中采用機(jī)電一體化的技術(shù)，通過使用一種計算機(jī)算法消除由公垂線引起的系統(tǒng)誤差來保證五軸定位平臺的定位定姿精度。在零件制造和裝配時，軸與軸之間不能零對零相交，它們之間存在公垂線。如果不消除公垂線，將會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差而無法保證加工精度。本設(shè)計使用西門子840D作為控制系統(tǒng)，公垂線為系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)裝配完成后，通過檢測儀器測量、分析和計算，得到系統(tǒng)參數(shù)后代入到控制系統(tǒng)中，從而保證五軸定位平臺的定位精度，大大減少了機(jī)械零件加工和裝配的難度。（2）AB與AC雙擺角的選取。設(shè)計采用了AB雙擺角驅(qū)動， AB雙擺角僅有俯仰和偏轉(zhuǎn)2個±15°的微小運(yùn)動。如果選用AC雙

10、擺角，C擺角將運(yùn)動±180°。顯然，與具有兩層導(dǎo)軌的末端執(zhí)行器協(xié)調(diào)工作，AB雙擺角的穩(wěn)定性更好。（3）諧波減速機(jī)的應(yīng)用。在AB雙擺角的設(shè)計中使用了諧波減速機(jī)，它是關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)中的關(guān)鍵部件3。其主要特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)是：角度定位精度高、傳動比大、力量大、結(jié)構(gòu)扁薄。將關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于AB雙擺角的設(shè)計，是機(jī)器人技術(shù)工程化應(yīng)用的嘗試。3.雙電機(jī)消隙技術(shù)的應(yīng)用X軸驅(qū)動采用齒輪齒條傳動。由于齒輪齒條傳動過程中存在反向間隙，因此如果不消除這個傳動間隙，就無法實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動；也無法達(dá)到上述技術(shù)要求中設(shè)定的定位精度。傳統(tǒng)的方法是使用機(jī)械消隙。機(jī)械消隙的原理是：一個電機(jī)驅(qū)動，通過預(yù)加的彈性載荷，使

11、兩個輸出齒輪產(chǎn)生相反的扭力，其中的一個作用在齒條左齒廓上，另一個作用在右齒廓上，從而獲得消隙的效果。而電子消隙的機(jī)械結(jié)構(gòu)為兩套一樣的電機(jī)、減速機(jī)和齒輪，當(dāng)需要伺服驅(qū)動時，控制系統(tǒng)將產(chǎn)生兩個方向相反大小相似的力矩，使得兩個驅(qū)動齒輪朝不同方向緊靠齒條，從而消除了間隙4。在啟動和急剎車的情況下需要大扭矩，兩個電機(jī)輸出同向扭矩。在選擇齒輪齒條的模數(shù)、電機(jī)、減速機(jī)的容量時，需要考慮的是最大扭矩的情況。如果需要1000N·m的驅(qū)動力，機(jī)械消隙減速機(jī)正向運(yùn)動齒輪輸出力應(yīng)達(dá)到1200N·m，因?yàn)榉聪螨X輪內(nèi)耗了200N·m；而雙電機(jī)消隙每個齒輪只要提供500N·m就夠了。這樣，在獲得相同驅(qū)動力的條件下，前者需要模數(shù)5的齒輪齒條，而后者只需要模數(shù)4的就夠了，另外，雙電機(jī)消隙的減速機(jī)是普通減速機(jī)，比機(jī)械消隙的減速機(jī)成本要低很多，因此該項目使用了雙電機(jī)消隙技術(shù)。結(jié)束語該設(shè)備機(jī)械部