王 禹，李 岸

（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

引言

飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造的最終環(huán)節(jié)，在飛機(jī)制造的裝配過程中需保證零件與零件、零件與工裝、工裝與工裝之間的協(xié)調(diào)，進(jìn)而保證零部件裝配的準(zhǔn)確度。由于飛機(jī)機(jī)身體積龐大、零部件數(shù)目多、形狀復(fù)雜等原因，裝配工作量占飛機(jī)制造勞動(dòng)總量的40%～50%，使得飛機(jī)的制造成本較高、制造周期較長(zhǎng)、制造質(zhì)量難以保障[1]。飛機(jī)零部件間的連接方式包括鉚接、焊接、螺栓連接等[2]，因鉚接具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，成為飛機(jī)部件連接所使用的最廣泛的方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于飛機(jī)機(jī)體裝配疲勞失效而導(dǎo)致的事故中，結(jié)構(gòu)連接部位出現(xiàn)問題的約占70%，而在連接處由于疲勞出現(xiàn)裂紋的占到了80%[3]。國內(nèi)學(xué)校科研院所研究的鉆鉚末端執(zhí)行器中鉚接方式大都是氣鉚、電磁鉚接，本文以伺服電機(jī)為壓鉚過程動(dòng)力源，設(shè)計(jì)一款壓鉚行程可控的自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器。

1 鉚接系統(tǒng)組成以及功能模塊確定

1.1 鉚接系統(tǒng)組成

鉚接系統(tǒng)由鉚接機(jī)器人系統(tǒng)、工作臺(tái)、釘庫組成。鉚接機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)器人、自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器，機(jī)器人負(fù)責(zé)攜帶自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到指定位置，自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器具備接收鉚釘、定位、鉚接功能。工作臺(tái)具有固定、升降、翻轉(zhuǎn)功能，用來調(diào)節(jié)工件的位姿。釘庫存有10 種型號(hào)鉚釘，釘庫負(fù)責(zé)將正確型號(hào)的鉚釘通過氣泵吹入至自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)中。鉚接系統(tǒng)的整體布局如圖1 所示。

圖1 鉚接系統(tǒng)整體布局

1.2 功能模塊確定

經(jīng)分析后確定自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器應(yīng)具備以下功能模塊：

1）移位模塊：該模塊主要負(fù)責(zé)為自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器中需要運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)提供動(dòng)力源。主要由上伺服結(jié)構(gòu)、平移結(jié)構(gòu)、鉚接結(jié)構(gòu)組成，上伺服結(jié)構(gòu)參與穿釘與壓鉚過程，平移臺(tái)結(jié)構(gòu)參與接收鉚釘、釘孔定位、穿釘、鉚接過程，鉚接結(jié)構(gòu)主要完成壓鉚加工任務(wù)。

2）定位與檢測(cè)模塊：該模塊主要任務(wù)為釘孔的精確定位以及修正和檢測(cè)鉚釘是否準(zhǔn)確穿入釘孔內(nèi)。自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器由機(jī)器人攜帶至預(yù)定作業(yè)位置，在設(shè)備運(yùn)作過程中會(huì)產(chǎn)生一定量偏差，定位與檢測(cè)模塊采集釘孔位置信息以及與工件面的相對(duì)位置信息對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)并修正，以實(shí)現(xiàn)鉚釘軸線與釘孔軸線共線，保障鉚釘?shù)臏?zhǔn)確穿釘位置。待鉚釘穿入釘孔內(nèi)，檢測(cè)模塊將檢測(cè)鉚釘是否穿入釘孔內(nèi)。

3）附加模塊：該模塊主要組成部分為整體框架單元。整體框架單元是各個(gè)結(jié)構(gòu)安裝的基臺(tái)，負(fù)責(zé)設(shè)備的各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的固定、支承和保護(hù)。

2 自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 落釘與推釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

落釘與推釘結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)接收和存放來自釘庫鉚釘并將其推至穿釘結(jié)構(gòu)中，主要由鉚釘下落槽結(jié)構(gòu)、氣缸、推釘槽、推釘舌結(jié)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)如下頁圖2 所示。從釘庫吹來的鉚釘首先落到鉚釘下落槽結(jié)構(gòu)中，推釘槽結(jié)構(gòu)可以固定推釘舌結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，氣缸控制推釘舌結(jié)構(gòu)在推釘槽內(nèi)的行程，氣缸本身對(duì)運(yùn)動(dòng)方向也起到固定作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)推釘過程的雙重保障。在鉚釘下落至鉚釘結(jié)構(gòu)進(jìn)行推釘過程時(shí)，由氣缸帶動(dòng)推釘舌結(jié)構(gòu)將鉚釘推至穿釘結(jié)構(gòu)中。當(dāng)采用氣缸作為動(dòng)力源時(shí)，其推壓力的大小可以通過減壓閥進(jìn)行控制，推釘速度和回程速度可通過速度控制閥進(jìn)行控制。

圖2 落釘與推釘結(jié)構(gòu)

2.2 穿釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

穿釘結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)將鉚釘穿入釘孔內(nèi)，此過程需要較高的定位精度，且鉚釘是否能準(zhǔn)確穿入釘孔內(nèi)也需檢測(cè)，所以穿釘過程需與檢測(cè)模塊進(jìn)行配合使用。穿釘結(jié)構(gòu)主要由環(huán)形彈簧、穿釘爪、穿釘頂柱組成，結(jié)構(gòu)如圖3-1 所示。鉚釘通過推釘結(jié)構(gòu)將鉚釘推入穿釘爪內(nèi)，待穿釘結(jié)構(gòu)到達(dá)修正釘孔位置時(shí)，穿釘頂柱進(jìn)行下壓，由于對(duì)穿釘爪兩側(cè)壁的擠壓作用，使得兩側(cè)壁向外擴(kuò)大，動(dòng)作如圖3-2 所示，在穿釘完畢后，穿釘頂柱返回，兩側(cè)內(nèi)壁由于環(huán)形彈簧收縮的作用使得穿釘爪兩側(cè)壁回到初始位置。

圖3 穿釘結(jié)構(gòu)及其動(dòng)作

2.3 上伺服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上伺服結(jié)構(gòu)作為自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器的輔助結(jié)構(gòu)，輔助穿釘結(jié)構(gòu)完成穿釘過程，輔助鉚接結(jié)構(gòu)完成壓鉚過程。具體過程如下：鉚釘從穿釘爪結(jié)構(gòu)穿至釘孔內(nèi)過程中，需有結(jié)構(gòu)能提供從上向下的直線運(yùn)動(dòng)，而且要求行程也是可控的，在鉚接過程中，由于動(dòng)力來源于自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器正下方的鉚接結(jié)構(gòu)，鉚接方式采用至下向上鉚接，在鉚釘?shù)纳媳砻鎽?yīng)有結(jié)構(gòu)來將鉚釘固定住，來配合鉚接結(jié)構(gòu)完成壓鉚過程。結(jié)合以上思想，上伺服結(jié)構(gòu)如圖4 所示。上伺服結(jié)構(gòu)由帶頭螺柱、伺服電機(jī)、內(nèi)螺紋連接套筒、同步帶、同步帶輪、滾珠軸承組成。工作時(shí)，由伺服電機(jī)帶動(dòng)后同步帶輪進(jìn)而帶動(dòng)同步帶將動(dòng)力傳遞到前同步輪，前同步帶輪與內(nèi)螺紋套筒靠鍵傳遞動(dòng)力，內(nèi)螺紋套筒通過內(nèi)螺紋將動(dòng)力傳遞到帶頭螺柱，形成螺柱的上下直線運(yùn)動(dòng)，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成帶頭螺柱的直線運(yùn)動(dòng)，不僅使得運(yùn)動(dòng)形式滿足要求，而且行程也達(dá)到了可控的目的。

圖4 上伺服結(jié)構(gòu)

2.4 鉚接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉚接結(jié)構(gòu)主要功能是完成鉚釘?shù)膲恒T動(dòng)作，主要由箱體、鉚接頂頭、法蘭盤、RV-20E 減速器、伺服電機(jī)、滾珠軸承、滾針軸承、偏心軸推桿、滾針軸承、偏心軸與減速器連接結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖5 所示。箱體作用是支撐和固定偏心軸、偏心軸推桿、法蘭盤、鉚接頂頭等結(jié)構(gòu)。根據(jù)鉚釘壓鉚前后長(zhǎng)度變化區(qū)間，從而確定偏心軸的偏心距。根據(jù)壓鉚力大小來確定偏心軸的直徑。由于體積和壓鉚力大小的限制，選擇RV-20E減速器將力按一定比例縮小，這樣可以選擇較小功率的伺服電機(jī)，極大節(jié)省了空間、成本。法蘭盤對(duì)鉚接頂頭的運(yùn)動(dòng)具有導(dǎo)向的作用。偏心軸與RV-20E 減速器通過偏心軸與減速器連接結(jié)構(gòu)連接進(jìn)而傳遞動(dòng)力。進(jìn)行壓鉚時(shí)，伺服電機(jī)通過鍵帶動(dòng)RV-20E 減速器，再通過偏心軸與減速器連接結(jié)構(gòu)將動(dòng)力傳遞到偏心軸，使得偏心軸帶動(dòng)偏心軸推桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過銷軸帶動(dòng)鉚接頂頭做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。將伺服電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成鉚接頂頭的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 鉚接結(jié)構(gòu)

2.5 檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)工作情況以及自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器中各個(gè)結(jié)構(gòu)間的位置關(guān)系，選擇INCA Model XS 掃描儀作為檢測(cè)設(shè)備，安裝在平移臺(tái)結(jié)構(gòu)上，其安裝形式如下頁圖6 所示。Model XS 掃描儀在一個(gè)壓鉚過程中需工作兩次：第一次檢測(cè)，在自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器到達(dá)預(yù)定位置后，檢測(cè)模塊對(duì)代加工區(qū)域內(nèi)鉚釘釘孔信息進(jìn)行收集，將孔位信息通過TCP/IP 協(xié)議傳遞至工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)孔位信息發(fā)出符合釘孔型號(hào)的鉚釘發(fā)送命令；第二次檢測(cè)，在穿釘過程結(jié)束后，掃描儀掃描釘孔內(nèi)是否存在鉚釘。

圖6 INCA Model XS 掃描儀安裝位置

2.6 平移臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平移臺(tái)結(jié)構(gòu)作為自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器中轉(zhuǎn)換工位的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也負(fù)責(zé)掃描過程、推釘過程、穿釘過程、鉚接過程中所有需要定位的過程，具有不可替代的作用。平移臺(tái)結(jié)構(gòu)由平移臺(tái)、齒輪齒條、伺服電機(jī)組成，結(jié)構(gòu)如圖7 所示。平移臺(tái)的作用是將INCA Model XS 掃描儀、穿釘結(jié)構(gòu)、壓鉚固定結(jié)構(gòu)固定。齒輪齒條與伺服電機(jī)的作用是通過上位機(jī)與PLC 控制相關(guān)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到指定位置，進(jìn)行工位的轉(zhuǎn)換以及為相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，在自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器處于推釘過程時(shí)，將穿釘爪結(jié)構(gòu)移至推釘結(jié)構(gòu)位置，使其結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，以便氣缸將鉚釘推至穿釘爪結(jié)構(gòu)中，處于穿釘過程時(shí)，將穿釘結(jié)構(gòu)移至鉚釘釘孔正上方，以便實(shí)現(xiàn)穿釘過程，處于壓鉚過程時(shí)，將壓鉚固定結(jié)構(gòu)移至鉚釘正上方，以便實(shí)現(xiàn)壓鉚過程。

圖7 平移臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.7 自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

總結(jié)上述結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器三維圖

3 自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 控制系統(tǒng)組態(tài)

由于作業(yè)過程的復(fù)雜性，本文所研究的自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器功能較多，相關(guān)結(jié)構(gòu)也比較繁多，且多數(shù)作業(yè)過程需由多個(gè)結(jié)構(gòu)參與完成，為了有效控制各個(gè)過程以及結(jié)構(gòu)間的相互配合，設(shè)計(jì)了詳細(xì)的控制集成方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器的有效控制。自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器控制架構(gòu)如圖9 所示。由上位機(jī)工控機(jī)通過TCP/IP 與PLC 進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集發(fā)送給工控機(jī)，由工控機(jī)向相關(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)送指令。整個(gè)自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器可分為伺服控制模塊、氣動(dòng)控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及機(jī)器人外部自動(dòng)控制模塊。伺服控制模塊可分為上伺服模塊、平移伺服模塊、壓鉚伺服模塊。氣動(dòng)控制模塊分為推釘過程和托板螺母上料模塊。

圖9 自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器系統(tǒng)PLC 組態(tài)

3.2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

自動(dòng)鉚接末段執(zhí)行器氣動(dòng)模塊硬件包括氣動(dòng)三聯(lián)件、調(diào)壓閥、五位三通、執(zhí)行氣缸、接近開關(guān)等組成部分，主要負(fù)責(zé)對(duì)推釘結(jié)構(gòu)中的氣缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。鑒于氣動(dòng)元件的數(shù)目以及工作流程，若單獨(dú)控制每個(gè)氣動(dòng)元件不僅會(huì)導(dǎo)致線路繁多，也會(huì)在出現(xiàn)故障時(shí)增加解決問題的難度，所以本文選用集成閥島，可以實(shí)現(xiàn)閥島與現(xiàn)場(chǎng)上位機(jī)的即時(shí)通信，極大簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的調(diào)試，以及性能的檢測(cè)、診斷、維護(hù)等工作。每個(gè)氣缸都配有磁石，這不僅能將氣缸的位置信息實(shí)時(shí)提供給PLC，而且這也增加了控制系統(tǒng)的縝密性。氣動(dòng)回路如圖10 所示。

圖10 推釘結(jié)構(gòu)氣動(dòng)回路

4 結(jié)語

本文采用壓鉚方式設(shè)計(jì)一款自動(dòng)鉚接末端執(zhí)行器。介紹了設(shè)備的工作原理和工作流程，并針對(duì)加工系統(tǒng)提出了集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過分析末端執(zhí)行器應(yīng)具備的功能，進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)和模塊的設(shè)計(jì)，包括落釘與推釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、穿釘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、上伺服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉚接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平移臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、托板螺母匣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)?；谝蕴W(wǎng)構(gòu)建了一套集鉚接平面法矢檢測(cè)、落釘推釘檢測(cè)、穿釘、鉚接的末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)。對(duì)設(shè)備中的氣動(dòng)元件進(jìn)行了氣動(dòng)回路圖的繪制。