董慧芬，劉健健，呂波漾

(中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津 300300)

0 引言

在飛機發(fā)動機運行過程中，發(fā)動機葉片的燕尾基座受力極大。因此，持續(xù)適航維修方案實施計劃(MTOP)要求每1 800飛行小時，需要對發(fā)動機葉片的燕尾基座區(qū)域進行清潔檢查和潤滑劑噴涂工作。迄今為止，針對發(fā)動機葉片燕尾基座的噴涂工作主要以人工方式進行，工作效率低，噴涂質(zhì)量難以保證，同時以二硫化鉬為主的潤滑劑是一種有毒物質(zhì)，長時間接觸會對作業(yè)工人的身體健康帶來極大的危害。因此，對飛機發(fā)動機葉片燕尾基座自動化噴涂展開研究具有重要的實際意義。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，針對傳統(tǒng)工件產(chǎn)品的自動化噴涂技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，對自動化噴涂的研究已經(jīng)深入[1]，典型的研究成果主要集中在噴涂機器人設(shè)計與控制[2-3]、噴涂工藝方法研究[4-5]、噴涂模型建立[6-7]以及機器人噴涂軌跡優(yōu)化[8-9]等方面。目前，針對普通工件的自動化噴涂應(yīng)用廣泛，但在飛機葉片燕尾基座噴涂領(lǐng)域報道很少。

鑒于飛機發(fā)動機葉片燕尾基座潤滑劑噴涂工作所具備的程序化、重復(fù)性的特點，結(jié)合飛機維修企業(yè)的特殊需求，本文對飛機發(fā)動機葉片燕尾基座自動化潤滑劑噴涂展開研究，分別設(shè)計了涂料霧化系統(tǒng)和噴涂機器人本體系統(tǒng)，建立了飛機發(fā)動機葉片燕尾基座的結(jié)構(gòu)模型，并對平面和曲面噴涂涂層的均勻性進行分析，依據(jù)均勻性分析結(jié)果對機器人噴涂的路徑進行了規(guī)劃。

1 噴涂機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實現(xiàn)自動化的高質(zhì)量機器人噴涂作業(yè)，噴涂機器人系統(tǒng)必須具備可靠的涂料霧化系統(tǒng)和合理的機器人本體結(jié)構(gòu)。

1.1 涂料霧化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

涂料霧化系統(tǒng)的設(shè)計是自動化噴涂機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，高性能涂料霧化系統(tǒng)能夠保證空氣壓力穩(wěn)定，霧化效果良好，工作安全可靠，涂料噴涂均勻[10]。涂料霧化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)決定了噴涂的質(zhì)量和噴涂的效果。

在飛機發(fā)動機葉片燕尾基座的自動化噴涂作業(yè)中，要求液體二硫化鉬潤滑劑霧化成微小顆粒從噴槍中噴出，并以一定形狀的霧錐沉積到燕尾基座表面，進而形成連續(xù)漆膜。噴槍一般安裝在噴涂機器人末端，噴涂作業(yè)過程中，需要為噴槍配備高效安全的涂料傳輸系統(tǒng)，保證流量的穩(wěn)定性，同時也需要可靠的氣壓系統(tǒng)，提供連續(xù)平穩(wěn)的噴涂壓力。針對上述實際需求，涂料霧化系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 涂料霧化系統(tǒng)框圖

潤滑劑噴涂霧化系統(tǒng)主要包括氣壓系統(tǒng)和潤滑劑涂料傳輸系統(tǒng)兩部分。氣壓系統(tǒng)的氣源通過空壓機產(chǎn)生壓縮空氣，其產(chǎn)生的空氣分為4個線路，其中1、2、3號線路各連接一個空氣調(diào)壓器，用來調(diào)節(jié)線路所需要的空氣壓力，另一路壓縮空氣送入潤滑劑涂料傳輸系統(tǒng)。在氣壓系統(tǒng)中，1號線路的壓縮空氣用于霧化到自動噴槍的潤滑劑；2號線路的壓縮空氣為空氣噴槍噴幅控制壓力，改變噴幅壓力可以改變噴槍潤滑劑噴出來的霧形幅度；3號線路的壓縮空氣用于自動噴槍的開關(guān)，可以實現(xiàn)噴槍的自動開關(guān)。圖1中電磁閥的作用是控制空氣線路的開關(guān)，單片機和繼電器的作用是控制電磁閥的導(dǎo)通或者關(guān)閉。潤滑劑傳輸系統(tǒng)主要任務(wù)是向噴槍壓送攪拌均勻的涂料，隔膜泵將攪拌均勻的涂料送往噴槍，因為只靠噴嘴的吸力不能保證涂料能夠連續(xù)供應(yīng)，故需要給潤滑劑傳輸過程一定的壓力。涂料霧化系統(tǒng)實物圖如圖2所示。

圖2 涂料霧化系統(tǒng)實物圖

1.2 機器人本體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)飛機發(fā)動機葉片燕尾基座潤滑劑噴涂的實際需求，噴涂機器人在對其進行噴涂作業(yè)時，需要對工件的不同部位進行噴涂，因此要求噴涂機器人必須具有足夠大的工作范圍，合理的速度和加速度，機器人的軌跡和姿態(tài)精度高。具體的噴涂機器人本體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 噴涂機器人本體系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

本文采用關(guān)節(jié)型機械臂結(jié)構(gòu)，同時采用六自由度串聯(lián)機器人作為噴涂運動的執(zhí)行機構(gòu)，可以實現(xiàn)較復(fù)雜的噴涂軌跡，滿足飛機發(fā)動機葉片燕尾基座壓力面噴涂的需求。為了能夠較真實地演示噴涂機器人的運行狀態(tài)，本文以GUI界面的形式對噴涂機器人運動控制系統(tǒng)進行了仿真，如圖4所示。噴涂機器人運動控制系統(tǒng)的GUI界面主要由機器人本體參數(shù)設(shè)置、軌跡規(guī)劃、機器人圖例、運行控制、關(guān)節(jié)運行速度、關(guān)節(jié)運行加速度以及機器人噴涂運行動態(tài)展示區(qū)等模塊組成。機器人圖例給出了六自由度串聯(lián)噴涂機器人架構(gòu)。機器人本體參數(shù)設(shè)置模塊集成了連桿尺寸設(shè)置、機器人位置坐標(biāo)設(shè)置、機器人關(guān)節(jié)位姿設(shè)置以及工作空間設(shè)置等功能，可以最大程度上滿足不同噴涂機器人設(shè)計的需求；軌跡規(guī)劃模塊中預(yù)留了4個路徑點的機器人位姿設(shè)置區(qū)，可以滿足對一般噴涂或者作業(yè)路徑的規(guī)劃；運行控制模塊用于設(shè)置機器人的運行時間以及對機器人在不同路徑上各關(guān)節(jié)的運行狀態(tài)進行監(jiān)視；關(guān)節(jié)運行速度、加速度顯示模塊用于顯示不同路徑上各關(guān)節(jié)的速度、加速度變化；機器人噴涂運行模塊可以動態(tài)實現(xiàn)根據(jù)輸入?yún)?shù)設(shè)計的機器人的整個運動狀態(tài)。

圖4 噴涂機器人控制系統(tǒng)GUI界面

2 燕尾基座噴涂建模及軌跡規(guī)劃

飛機發(fā)動機葉片燕尾基座結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖中可以看出，飛機發(fā)動機葉片的燕尾基座表面比較復(fù)雜，底面由一個平面構(gòu)成，側(cè)面由小曲率曲面構(gòu)成。鑒于飛機發(fā)動機葉片燕尾基座的表面特點，可以將其噴涂建模成平面噴涂模型和曲面噴涂模型，然后分別進行噴涂軌跡規(guī)劃。

圖5 飛機發(fā)動機葉片燕尾基座結(jié)構(gòu)圖

2.1 平面噴涂模型及軌跡規(guī)劃

涂層累積速率數(shù)學(xué)模型是噴涂模型建立中的主要內(nèi)容，它反應(yīng)了涂料在待噴涂工件上的累積情況。在實際噴涂作業(yè)中，涂層累積速率會受到很多因素的影響，實踐研究發(fā)現(xiàn)，拋物線模型與實際噴涂比較相似[11]，在實際噴涂建模中，應(yīng)用廣泛。拋物線模型的表達式可以描述為

T(X)=Tmax(1-4X2/W2)

(1)

式中：T(X)為任意一點的涂層厚度；Tmax為最大厚度；W為噴幅寬度；X為噴幅方向上以噴幅中心為原點的測量距離，-W/2≤X≤W/2。

為了簡便計算，一般將公式進行無量綱處理，得到：

t(x)=1-4x2

(2)

式中：t(x)=T(x)/Tmax，x=X/W，0≤t(x)≤1，-0.5≤x≤0.5。

拋物線模型的涂層累積圖如圖6所示，從圖6中可以看出，噴涂厚度呈現(xiàn)中間厚，邊緣薄的狀態(tài)[12]。為了得到均勻的平面噴涂涂層，兩個相鄰的運行軌跡必然會有搭接疊加。在噴涂距離固定的勻速噴涂過程中，重疊寬度的大小會直接影響噴涂涂層的均勻性，因此，重疊寬度的設(shè)定對噴涂軌跡的規(guī)劃尤其重要。在平面噴涂中，兩個相鄰噴涂路徑的單位時間內(nèi)噴涂軌跡重疊模型如圖7所示。

圖7 平面噴涂軌跡重疊模型圖

由圖7結(jié)合式(2)可以得到平面上兩條相鄰路徑和重疊部分的涂層厚度計算公式如下：

(1)左邊路徑的涂層厚度方程為

t1(x)=1-4x2(-0.5≤x≤0.5-d)

(3)

(2)右邊路徑的涂層厚度方程為

t2(x)=1-4(x-1+d)2(-0.5≤x≤1.5-d)

(4)

可得重疊部分的涂層厚度方程為

t3(x)=t1(x)+t2(x) (-0.5-d≤x≤0.5)

(5)

根據(jù)重疊寬度的涂層厚度分布及涂層厚度方程可知，要使噴涂涂層均勻，需要保證在x=0.5d時，最大涂層厚度與左邊路徑或者右邊路徑的涂層厚度最大值的差最小，此時對應(yīng)的軌跡重疊寬度即為最優(yōu)重疊距離。圖8給出了重疊寬度分別取0.1、0.3、0.5時的涂層累積厚度圖，可以看出，隨著重疊寬度的變化，涂層均勻性發(fā)生了明顯的變化，當(dāng)d=0.3時，噴涂均勻性達到最優(yōu)。

(a)d=0.1

(b)d=0.3

(c)d=0.5

在計算得到最優(yōu)重疊寬度d=0.3后，保證噴涂機器人以最優(yōu)重疊寬度運行便可以實現(xiàn)涂層均勻的噴涂效果，由此得到的噴涂機器人平面均勻噴涂軌跡規(guī)劃如圖9所示。

圖9 平面噴涂軌跡規(guī)劃結(jié)果

2.2 曲面噴涂模型及軌跡規(guī)劃

圖10所示的曲面涂層生長模型中，粗實線大圓弧表示球形噴涂工件的橫截面，虛線小圓弧表示噴槍模型在垂直行程方向的截面上單行程產(chǎn)生的噴涂厚度，每個噴涂行程以勻速且相同的重疊寬度進行噴涂，噴涂行程與橫截面法線方向相同。每個點的涂層厚度

圖10 曲面涂層生長模型示意圖

為各個行程噴涂累計的結(jié)果。在直角坐標(biāo)系下，曲面工件的涂層厚度計算復(fù)雜，因此本文通過坐標(biāo)變換，把在極坐標(biāo)系下統(tǒng)一計算涂層厚度。設(shè)ρ(θ)、ρ1′(θ1′)、ρ2′(θ2′)、ρ3′(θ3′)所在的坐標(biāo)系分別為O-x、O1-x1、O2-x2、O3-x3，極點O1、O2、O3在O-x坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為(asinφ，acosφ)、(0,a)、(-asinφ，acosφ)，平面上一點ρ1在O-x、O1-x1坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分別為(ρ1,θ1)、(ρ1′,θ1′)，ρ2在O-x、O2-x2的坐標(biāo)分別為(ρ2，θ2)、(ρ2′，θ2′)，ρ3在O-x、O3-x3的坐標(biāo)分別為(ρ3，θ3)、(ρ3′,θ3′)。則ρ′(θ′)、ρ1′(θ1′)、ρ2′(θ2′)、ρ3′(θ3′)的極坐標(biāo)函數(shù)表達式可以表示為

(6)

此時，函數(shù)ρ1′(θ1′)轉(zhuǎn)化為函數(shù)ρ1(θ1)的極坐標(biāo)變換公式為

(7)

其中，π/2-α-Ψ≤θ1≤π/2-Ψ。函數(shù)ρ2′(θ2′)轉(zhuǎn)化為函數(shù)ρ2(θ2)的極坐標(biāo)變換公式為

(8)

(9)

其中，(π+α)/2-γ≤θ3≤(π+3α)/2-γ。

平均相對偏差反應(yīng)了涂層厚度的全局均勻程度，通過平均相對偏差計算最優(yōu)重疊寬度是曲面噴涂路徑規(guī)劃的重要內(nèi)容。平均相對偏差需要分為vn、vg、vr三個部分計算，其中，vn為n(m-d)(n為(l-g)/(m-d)的向負取整數(shù)值)區(qū)間對應(yīng)的涂層厚度相對偏差，可用下式計算

(10)

其中：

(11)

(12)

(13)

vg為初噴距離g對應(yīng)的涂層厚度相對偏差，分段計算如下：

(1)當(dāng)0≤g<0.5d時

(14)

(2)當(dāng)0.5d≤g≤m-1.5d時

(15)

(3)當(dāng)m-1.5d≤g

(16)

其中

(17)

vr為終噴距離r對應(yīng)的涂層厚度相對偏差，分段表示如下：

(1)當(dāng)0≤r<0.5d時

(18)

(2)當(dāng)0.5d≤r

(19)

(3)當(dāng)m-1.5d≤r

(20)

通過上述計算得到平均相對偏差的計算公式為

v=vn+vg+vr

(21)

平均相對偏差v隨重疊寬度d的變化關(guān)系如圖11所示。從圖11中可以看出平均相對偏差v隨著d的增大先逐漸減小后緩慢增大，當(dāng)d=0時，平均相對偏差v取得最大值為0.073，當(dāng)d=0.37時，平均相對偏差v取得最小值為0.013。

圖11 v與d的關(guān)系圖

圖12 曲面噴涂軌跡規(guī)劃

計算得到最優(yōu)重疊寬度后，保證噴涂機器人以最優(yōu)重疊寬度 運行便可以實現(xiàn)涂層均勻的噴涂效果，此時兩個噴涂行程的間距為0.630 8，涂軌跡規(guī)劃如圖12所示。

3 結(jié)束語

本文針對飛機發(fā)動機葉片燕尾基座的自動潤滑劑噴涂進行研究，首先對潤滑劑噴涂作業(yè)中的涂料霧化系統(tǒng)和機器人本體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并做了相應(yīng)的仿真控制實驗；根據(jù)飛機發(fā)動機葉片燕尾基座的復(fù)雜表面，建立了平面噴涂模型和曲面噴涂模型，對機器人噴涂涂層的均勻性進行分析，依據(jù)均勻性分析結(jié)果計算出涂層最優(yōu)重疊寬度，以此為基礎(chǔ)對自動化機器人噴涂的路徑進行規(guī)劃。本文的研究為飛機發(fā)動機葉片燕尾基座的實際噴涂提供參考。