伍承旭 雷 沛 孫海龍 譚 紅 陳 強(qiáng) 曾 超

（①成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610073；②四川省航空智能制造裝備工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610073）

隨著智能制造在全世界范圍的興起，在航空工業(yè)領(lǐng)域，飛機(jī)裝配生產(chǎn)線也在朝著自動(dòng)化、智能化大步跨進(jìn)，而工業(yè)機(jī)器人作為飛機(jī)裝配生產(chǎn)線中智能制造的標(biāo)志性生產(chǎn)單元，其應(yīng)用技術(shù)的成熟與否起著至關(guān)重要。目前，工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用于工藝裝備焊接、飛機(jī)對(duì)合裝配以及飛機(jī)表面蒙皮自動(dòng)鉆鉚。而制孔末端執(zhí)行器則是應(yīng)用于飛機(jī)表面蒙皮自動(dòng)鉆鉚工業(yè)機(jī)器人的重要部件，該部件的設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)于鉆鉚精度有著很大的影響，而目前已應(yīng)用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)重量過大是其中一個(gè)重要影響因素，為了能夠最大化地提高鉆鉚精度，需要對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。

關(guān)于結(jié)構(gòu)的各類設(shè)計(jì)方法在各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，主要是輕量化設(shè)計(jì)，詹建良[1]基于動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)進(jìn)行了制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；魏鋒濤等[2]基于徑向基組合近似模型技術(shù)開展了立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)；孫信民等[3]提出了一種鋁塑型材結(jié)合的無框架空氣處理機(jī)組箱體設(shè)計(jì)方法；張春林[4]研究了零部件開發(fā)過程中的輕量化技術(shù)應(yīng)用及成本優(yōu)化；方超等[5]基于有限元靜態(tài)分析、屈曲分析、響應(yīng)面分析開展了輕量化焊接桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；陳婧[6]就連桿運(yùn)動(dòng)和載荷兩方面，進(jìn)行了內(nèi)燃機(jī)連桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；而謝丹妮[7]則是利用MidasGen構(gòu)建研究模型，對(duì)高速公路收費(fèi)大棚鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究；王春林等[8]圍繞艙段結(jié)構(gòu)多工況、多約束的設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行了一種偏置集中力火箭艙體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究。此外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與増材制造聯(lián)系愈發(fā)緊密[9-11]，解決了以往由設(shè)計(jì)到制造端的問題，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的蓬勃發(fā)展提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)輕量化、優(yōu)化設(shè)計(jì)大多數(shù)都是基于初步的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行的，缺乏一定的理論支持或者存在一定的過度設(shè)計(jì)，也為后續(xù)的輕量化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)增加時(shí)間耗費(fèi)，為此，對(duì)制孔末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初的框架關(guān)鍵尺寸參數(shù)確定方法展開了相關(guān)研究。

1 總體設(shè)計(jì)

制孔末端執(zhí)行器是一種通過對(duì)高速電主軸、高精度導(dǎo)軌、氣缸、傳感器以及各種檢測(cè)設(shè)備的集成，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件自動(dòng)制孔目的的精密設(shè)備。對(duì)于末端執(zhí)行器的總體設(shè)計(jì)可以分為控制設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩部分，但又不能完全分割獨(dú)立。

其中，制孔末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作主要是提供給上述成品件集成的1個(gè)平臺(tái)，如圖1所示。平臺(tái)的負(fù)載主體一般為工業(yè)機(jī)器人或復(fù)合加工機(jī)床，因此平臺(tái)必須具備以下特點(diǎn)：①滿足成品件安裝空間要求；②滿足結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力學(xué)要求；③結(jié)構(gòu)緊湊；④輕量化。

圖1 制孔末端執(zhí)行器拆解圖

末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)部分是除了成品組件以外的零部件，在初步設(shè)計(jì)方案中，高速電主軸通過高精度導(dǎo)軌固連在框架組件2下方，框架組件2上方含與機(jī)器人第六軸連接的法蘭孔。成品組件中含左、右2個(gè)氣缸，用于推動(dòng)壓力腳，分別固連在框架組件1、框架組件4的內(nèi)側(cè)。

1.1 材料、尺寸分布規(guī)劃

對(duì)于框架組件部分的設(shè)計(jì)工作，以往總是借助于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，尤其是框架組件的組件材料、厚度，主要基于安全性考慮，材料統(tǒng)一采用45#鋼，框架組件厚度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷取值，造成的結(jié)果通常是過度設(shè)計(jì)，從而使得整體質(zhì)量偏大。因此為了將框架組件的材料、尺寸進(jìn)行合理分布，需要對(duì)組件材料、厚度的組合方式進(jìn)行初步分析。首先將框架組件按對(duì)稱性進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，如圖2所示。

圖2 對(duì)稱性簡(jiǎn)化模型

圖2中H1、H2和H3為3類框架組件的厚度；δ1、δ2和δ3為3類框架組件對(duì)應(yīng)的材料代號(hào)。即該簡(jiǎn)化模型中包含6個(gè)變量值，而不同變量值之間的組合方式如下：

（1）可選材料：硬鋁合金、45#鋼。即材料組合為2×2×2，共8種組合方式。

（2）可下料厚度：8 mm≤H1、H2、H3≤30 mm。在保持取整的情況下，厚度值以2 mm為1個(gè)變化刻度，則尺寸組合12×12×12，共1 728種組合方式。

顯然組合方式種類較多，數(shù)據(jù)分析量較大，給獲取滿足工藝性要求（位移、質(zhì)量）的材料、尺寸分布方式增加了相應(yīng)的難度，因此提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法來預(yù)測(cè)材料、尺寸分布規(guī)劃的方法。

1.1.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法可以解決大型數(shù)據(jù)擬合問題。在數(shù)據(jù)擬合中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要處理從一個(gè)數(shù)據(jù)集到另一個(gè)數(shù)據(jù)集的映射，如通過原材料價(jià)格、地價(jià)和銀行利率等因素估算房?jī)r(jià)，原材料、地價(jià)和銀行利率屬于一個(gè)數(shù)據(jù)集，在網(wǎng)絡(luò)中是輸入，房?jī)r(jià)則屬于另一個(gè)數(shù)據(jù)集，在網(wǎng)絡(luò)中是輸出。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以用來收集數(shù)據(jù)，建立和訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，并用均方誤差和回歸分析來評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的效果[12]。

1.1.2 關(guān)鍵尺寸預(yù)測(cè)

（1）建立網(wǎng)絡(luò)模型

表1所示為以對(duì)稱性簡(jiǎn)化模型進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算獲取的訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，材料分布代號(hào)：45#鋼-1、硬鋁合金-2。

表1 樣本數(shù)據(jù)

材料、尺寸分布規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型共包含80份輸入樣本，每個(gè)樣本為5維向量，即具體以材料分布（3類框架組件材料）、位移（框架結(jié)構(gòu)相對(duì)于機(jī)器人法蘭的最大位移，并根據(jù)當(dāng)前樣本涉及的材料、厚度分布，建立實(shí)際工況下的有限元等效模型計(jì)算獲取）和質(zhì)量作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸入，框板厚度作為網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的預(yù)測(cè)輸出。建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 材料、尺寸分布規(guī)劃神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

（2）訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型

利用Matlab工具箱（nftool）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果及網(wǎng)絡(luò)模型較好。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)模型及訓(xùn)練結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

（3）材料、尺寸分布預(yù)測(cè)

基于上述獲得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過指定使用材料，以及工藝性對(duì)末端執(zhí)行器工作狀態(tài)下的位移、質(zhì)量要求，來獲得末端執(zhí)行器3類框架組件的尺寸分布情況：

續(xù)表1

①材料：法蘭連接板采用45#鋼、其余均可采用硬鋁合金。

②位移：確保在制孔刀尖1 000 N軸向載荷下，整體最大位移量不大于0.05 mm。

③質(zhì)量：保證在機(jī)器人的負(fù)載范圍內(nèi)，框架組件的質(zhì)量控制在30 kg以下。

根據(jù)材料及工藝性要求，用于尺寸分布預(yù)測(cè)的輸入如表2所示。

表2 預(yù)測(cè)輸入

3類框架組件厚度H1、H2和H3預(yù)測(cè)輸出分別為：12.322 2 mm、17.990 9 mm 和 24.206 0 mm，取整后分別為 12 mm、18 mm 和 24 mm，均在組件下料厚度極限值域內(nèi)，單側(cè)實(shí)際質(zhì)量為17.8 kg，略大于要求值15 kg，但可在后續(xù)的輕量化設(shè)計(jì)中進(jìn)一步優(yōu)化減材。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行框架組件結(jié)構(gòu)的重構(gòu)，主要包括框架組件的材料分布、尺寸分布。涉及材料包括45#鋼，壓力腳采用7075鋁合金，相關(guān)材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)

根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，制孔末端執(zhí)行器的載荷、約束等邊界條件設(shè)置如圖5所示。對(duì)于末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的49處螺栓連接，采用參考點(diǎn)與接觸面耦合的處理方式。由于末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，進(jìn)行有限元網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謺r(shí)，選擇了四面體單元，共劃分單元數(shù) 1 106 352 個(gè)。

圖5 制孔末端執(zhí)行器有限元分析模型

2.1 靜力學(xué)仿真分析

制孔末端執(zhí)行器屬于結(jié)構(gòu)性部件，不存在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)零部件，因此對(duì)于末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析只需要進(jìn)行靜力學(xué)分析即可，根據(jù)載荷及邊界條件，外部載荷壓緊力設(shè)置為最大值1 000 N以及自身重力，經(jīng)Abaqus分析計(jì)算獲得末端執(zhí)行器應(yīng)力、位移云圖如圖6所示。

圖6 框架結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度仿真

應(yīng)力云圖中顯示最大應(yīng)力發(fā)生在壓力鼻與壓力腳螺栓連接處，應(yīng)力值為44 MPa，壓力鼻材料為硬質(zhì)鋁合金7075，其屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于44 MPa；位移云圖中顯示最大位移發(fā)生在載荷直接作用位置（壓力鼻），位移值為0.04 mm左右，小于飛機(jī)部件制孔工藝對(duì)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)的0.05 mm變形值要求。

2.2 輕量化設(shè)計(jì)

框架組件的輕量化設(shè)計(jì)采用Abaqus軟件中的ATOM拓?fù)鋬?yōu)化模塊，首先根據(jù)框架組件的外廓尺寸，構(gòu)建不加任何減輕槽設(shè)計(jì)的毛坯框架，但仍保留施加載荷、邊界條件所必需的幾何特征，如圖7所示，以此達(dá)到最優(yōu)、最大的減材拓?fù)涮幚斫Y(jié)果；然后再根據(jù)實(shí)際工況，施加載荷與邊界條件，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)與約束條件，建立起合理的框架組件拓?fù)鋬?yōu)化模型；最后提交分析計(jì)算，根據(jù)需要對(duì)優(yōu)化參數(shù)做出相應(yīng)調(diào)整，并進(jìn)行再計(jì)算；當(dāng)獲取到理想的框架組件拓?fù)鋾r(shí)，導(dǎo)出數(shù)據(jù)至第三方三維建模軟件，進(jìn)行二次建模，并將二次建模獲得的框架組件與其他制造件裝配進(jìn)行剛強(qiáng)度校核仿真。整體設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 設(shè)計(jì)流程圖

2.2.1 拓?fù)鋬?yōu)化

邊界條件：法蘭連接處固定約束。

載荷條件：沿壓力鼻軸線方向施加壓力F=1 000 N；沿法蘭軸線方向施加重力常量 9.8 N/kg，即自身重力。

優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域：整個(gè)毛坯框架模型，但考慮到防塵或頂部異物調(diào)入制孔末端執(zhí)行器內(nèi)部，與法蘭連接的框架組件2需凍結(jié)，即不進(jìn)行拓?fù)涮幚?，仍然采用減輕槽設(shè)計(jì)。

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

其中：S為框架最大應(yīng)力值。

優(yōu)化約束條件：

其中：D為框架組件的最大變形量，V為拓?fù)浜蟮目蚣芙M件，V0為拓?fù)鋬?yōu)化前的框架組件。

優(yōu)化終止條件：

其中，n為拓?fù)鋬?yōu)化迭代數(shù)，當(dāng)?shù)鷶?shù)達(dá)到100時(shí)，無論是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化進(jìn)程自動(dòng)終止。

圖9所示為框架組件拓?fù)鋬?yōu)化過程。

圖9 拓?fù)鋬?yōu)化迭代過程

2.2.2 剛強(qiáng)度校核

框架組件經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，得到的結(jié)構(gòu)模型并不能直接轉(zhuǎn)化為可用數(shù)模，因此在保持拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)主要輪廓的同時(shí)，在拓?fù)鋽?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進(jìn)行了框架組件的二次建模，除框架組件2保持減輕槽設(shè)計(jì)外，其余組件均采用拓?fù)淠Ｐ停蛟摽蚣芙Y(jié)構(gòu)與實(shí)際拓?fù)鋽?shù)模存在差異，為了保證框架的可行性與可靠性，需再次對(duì)二次建模后的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度校核，校核結(jié)果如圖10所示。

圖10 框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度仿真

在應(yīng)力云圖中，拓?fù)浜蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為42.7 MPa，相較拓?fù)淝暗目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值降低了1.3 MPa，但應(yīng)力發(fā)生位置不變；在位移云圖中，拓?fù)浜蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大變形量為0.026 mm，相較拓?fù)淝暗目蚣芙Y(jié)構(gòu)最大變形量降低了0.014 mm，最大變形發(fā)生位置也不變。此外，拓?fù)浜蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)相較拓?fù)淝暗目蚣芙Y(jié)構(gòu)，其質(zhì)量由35.6 kg減小到20.2 kg，減重超過40%。

3 結(jié)語

（1）在制孔工藝要求末端執(zhí)行器最大變形量不超過0.05 mm、框架組件質(zhì)量不超過30 kg的要求下，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合算法，進(jìn)行了制孔末端執(zhí)行器的總體設(shè)計(jì)，經(jīng)過剛強(qiáng)度校核，其最大變形量為0.04 mm，滿足制孔工藝對(duì)末端執(zhí)行器變形量的要求，為了獲得更小的質(zhì)量，通過結(jié)構(gòu)分析確定了框架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用有限元分析軟件Abaqus/Atom模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以框架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值的最小化為優(yōu)化目標(biāo)；體積V≤ 0.5V0、D≤ 0.05 mm為約束條件，建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，并將獲得的拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行二次建模及其剛強(qiáng)度校核，從而確定最優(yōu)的框架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同一工況下的最大變形量為0.026 mm，質(zhì)量為20.2 kg，減重達(dá)43%，在質(zhì)量減輕的同時(shí)，最大變形量也降低了0.014 mm，使得框架結(jié)構(gòu)性能進(jìn)一步提升。

（2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預(yù)測(cè)制孔末端執(zhí)行器框架尺寸厚度的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)末端執(zhí)行器模型的對(duì)稱性簡(jiǎn)化，以此來進(jìn)行靜力學(xué)分析，獲取相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練樣本，樣本為包括3類框架組件材料、位移、質(zhì)量的5維向量，共80組樣本。最終訓(xùn)練獲得的網(wǎng)絡(luò)模型均方誤差MSE值為0.06，具備良好的預(yù)測(cè)效果。通過該網(wǎng)絡(luò)模型確定制孔末端執(zhí)行器的關(guān)鍵尺寸值，并結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法完成制孔末端執(zhí)行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)不再簡(jiǎn)單依靠經(jīng)驗(yàn)判斷，為末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開辟了新思路、新方法。