（机械制造及其自动化专业论文）基于工业机器人平台的自动供钉系统设计研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 随着数字化装配技术在国内外航空制造业的快速发展，作为其中一项重要的 关键技术，自动钻铆技术的研究与应用也日益成熟。目前，国外的自动钻铆技术 已经发展到了一个相当高的水平，并且向着更加灵活的机器人钻铆系统以及多功 能集成的方向发展。相比之下，国内的自动钻铆技术还处在比较落后的阶段，采 用的自动钻铆机大部分是进口国外已经淘汰的产品，应用领域也很有限。在上述 背景下，浙江大学建立了一套应用于飞机壁板对接装配的双机器人联合钻铆试验 系统，并自主研发了若干机器人自动钻铆终端执行器，其中包括集钻锪、涂胶、 供钉插钉、铆接于一体的多功能终端执行器，本文研究的主要对象是该执行器的 插钉装置以及为该插钉装置提供并输送铆钉的自动供钉系统。 本文首先阐述自动钻铆技术以及自动供钉设备在国内外航空制造业飞机装 配中的发展与应用现状、研究趋势等，详细介绍了双机器人联合自动钻铆试验系 统的总体构成以及自动供钉装置和插钉装置的详细机械结构，设计了总体工艺流 程和自动供钉、插钉的详细工艺流程。 然后，在满足工艺流程的前提下完成了整套自动钻铆试验系统包括自动供钉 系统的电气控制系统设计，分为电机驱动和气缸驱动两部分进行详细设计，介绍 了系统中使用的各类元器件的工作原理以及功能等，介绍了电气控制柜的制作。 最后，本文通过研究自动供钉系统的整个供钉动作流程，发现了其中存在的 一些问题：平移气缸启动和急停的时候吸盘上的铆钉由于惯性容易掉落、由于气 力太低等原因铆钉在输钉管道中容易卡住、在双机器人铆接的时候插钉机构的顶 杆气缸是否能顶住铆枪的冲击力等。针对上述问题，根据力学原理和流体力学原 理等进行分析计算，得出铆钉不易掉落和卡住的最低气源气压，适合不同型号铆 钉的输钉管的尺寸，以及插钉装置的顶杆气缸能够顶住铆枪冲击力的必要条件 等，提出改进方案，并进行实验验证。实验结果表明，当气源气压为o 6 o 7 朋翰 时，能保证铆钉吸盘传递与管道传输的可靠性，与计算结果符合。 关键词：工业机器人，飞机壁板，自动钻铆，供钉 n 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w t l lt l l e触 d e v e l o p m e n t o f d i g 妇l a l s s e m b l e t e c 王l i l 0 1 0 9 ) r i na v i a t i o n m a n u f i a c t u r i n gi l l d u s 缸ya th o m ea n da b r o a d ，a so n ei n l p o r t a n tk e y - t e c h i l 0 1 0 9 ) ro f m e m ，t l l er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n0 fa u t o m a t i cd r i l l i n g & r i v e t i n gt e c l l l l o l o g ) ，h a s a l s o i i l c r e 2 l s i i 塔l y m a ：t u r e d a tp r e s e n t ，e x t e m ma u t o m a t i c d 矗l l i i l g & r i v e t i i 培 t e c l l i l o l o g yh a sa l r e a d yd e v e l o p e dt oac e n a i l ll l i g hl e v e l ，a n dd e v e l o p st o w a r d st om e d i r e c t i o nt l l a tm u l t i 如n c t i o n a li n t e g m t i o na n dt ot h er o b o td r i l l i i 培r i v e t i l l gs y s t e m w 1 1 i c hi sm o r ef l e x i b l e c o m p a r e d 晰t ht h a t ，i n t e m a la u t o m a t i cd r i l l i i l g & r i v e t i i 培 t e c l l l l o l o g ) ，i ss t i ua tab a c k w a r ds t a g e ，l ea u t o m a t i cd n l l i n g & r i v e t i n gm a c h i i l e s u s e dm o s n ya r et h eo b s o l e t ep r o d u c t sw k c hw e r ei 1 1 1 p o r t e d 丘。o mf o r e i g nc o u n t i e s ，t h e 印p l i c a t i o na r e ai sa l s ov e 巧l i m i t e d a g a i l l s tt l l i ss i n 脚i o 珥z h e j i a i l gu n j v e r s 时h a s b u i l tad u a l - r o b o ts y n e r ：醪d r i l l i n g & r i v e t m gt e s ts y s t e mb a s e do n1 i i l l 【i i l g 锄d a s s e m b l yo fa i r c r a rw a i l l s c o t a n dp r o d l j c e ds o m ea m o m a t i c 嘶l l i n g & r i v e t i i l g t e m i n a lp e 0 m e r sw h i c ha p p l yt 0r o b o td m l i n g & r i v e t i l l gs y s t e mi 1 1 d e p e n d e n t l y m l u d i n gam u l t i 劬c t i o n a lt e 册i n a lp e r f o m e rw h i c hg 抽e r s 嘶l l i n g ，g l u ed a u b i n g ， r i v e t sf e e d i i l g & i i l s e r t i n ga n dr i v e t i n gt o g e t h e r ，t l l er i v e ti i l s e r t i n gd e v i c ea 1 1 dt l l e a u 幻m a t i cr i v e tf e e d i n gs y s t e mw h i c hp r o v i d e sa 1 1 ds e n d sr i v e t sf o rm i si n s e n i n g d e v i c ea r et i l em a i l lt a 玛e t ss t u d i e di 1 1t l l ep a p e r a tf i r s t ，t 1 1 ed e v e l o p m e n ta j l d 印p l i c a t i o ns i m a t i o 如r e s e 矧m i i l gd i r e c t i o no fm e a u t o m 撕c 航l l i n g & r i v e t i n gt e c h i l o l o g ) ，孤da u t o m a t i c 凼e tf e e d i i l gd e v i c e si nt l l e a i r c r a ra s s e m b l yo f 血e 加ma r l de 】【t e m a la v i a t i o n m 缸m f a c t u r i n gi i l d l l s t r y a r e e x p o u i l d e di 1 1t l l i sa n i c l e ，m et o t a lf o mo fn l e ( l - r o b o ts y n e 砭；) ，嘶l l i n g & r i v e t i n g t e s ts y s t e ma i l dt l l em e c h 砌s ms 仃u c t u r eo ft h ea u t o m a t i cr i v e tf e e d i i l gm a c l l i n ea i l d t 1 1 er i v e ti n s e r t i n gd e v i c ea r ei m r o d u c e d t h et o t a lp r o c e s sf l o wa 1 1 dt ：h ep r o c e s sn o w o fn l ea m o m a t i cr i v e t f e e d i n gm a c l l i n ea n d t 1 1 er i v e ti n s e i r t i n gd e v i c ei se s t a b l i s h e d t h e n ，t l l ee l e c t r i c a lc o i l l r o ls y s t e mo fm e c l 瑚l i s m 鼬m c t u r eo ft h ed l 臆l - r o b o t s y n e r g yd r i l l i n g & r i v e t i l l gt e s ts y s t e m 姐d 也ea 1 j t o m a t i cr i v e tf e e d i l l gs y s t e ma r e d e s i g n e da f t e rt 1 1 ep r e c o n d i t i o nt h a tt l l ep r o c e s sf l o wi sm l f i l l e d d e s i g nt l l es y s t e mb y 弧的 p a r t sw 1 1 i c h a r e m o t o r - d r i v i i l g锄dp n e u m a l c i c d r i v h 培 t l l e 氕m c t i o n 趾l d n t 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p e r a ：t i o i l a lp r i n c i p l eo f 廿l ee l e m e n t sa n dc o m p o n e n t si s i m r o d l l c e dd e t a j l e d t h e m a l ( i 1 1 9o fe l e c t r i c a lc o n 仃d 1c a b i i l e t si si n 仰d u c e d f i i l a l l y ，b yr e s e a r c gt 1 1 ew h o l e r i v e tf e e d i n gn o wo fn l ea m o m a t i cr i v e tf e e d i n g s y s t e m ，s o m ep r o b l e m se ) 【i s t e n t ：m e r i v e t sa r ee a s i l yt od r o pd o w nb e c a u s eo fm e i n e n i aw h e nt i l e 仃a n s l a t i o na i rc y l i n d e rs t a r tt om o v ea n ds t o ps u d d e n l m 位r i v e t sa r e e a s i l ys t u c ki i lt 1 1 ep i p eb e c a u s et 1 1 ea i rp r e s s u r ei st o ol o w ，i f t l l es u s t a i na i rc y l i n d e r c o u l db e a rt h ew a l l o po ft l l er i v e t m gg u nw h e nt l l er o b o t sa r er i v e t i n g ，a 1 1 ds oo n a g a i n s tt 1 1 ep r o b l e m sm e n t i o n e d ，a n a l y z ea n dc a l c u l a t e b a s e do nm em e c h a m c s p 面i p l ea n dh y d r o m e c h a m c sp r i n c i p l e ，o b t a i nm el o w e s ta i rs u p p l yp r e s s u r em a t m a k er i v e t sd r o pd o w na n ds t i r l ki m p o s s i b l e ，t l l es i z e0 ft 1 1 ep i p ew l l i c hi ss u i t a b l ef o r d i a e r e m 够p eo fr i v e t s ，a n dt 1 1 en e c e s s a 巧c o n d “i o i l sm a tt h es u s t a i na i rc y l i r l d e ro f t h e i i l s e n i n gd e v i c ec o u l db e a rt h e 、a l l o po ft l l er i v e t i n gg u n ，t t l ei m p r 0 v e ds c h e m e sa r e 缸i v a n c e d ，a n dt e s tt 1 1 e mb ye x p e r i m e n t s t h er e s u l t si 1 1 d i c a t et l l a tt 1 1 e a i rs u p p l y p r e s s l l r eb e t 、) 旧e n0 6 m p aa n do 7 m p ac o u l d e n s u r e 吐l ed e p e n d a b i l i t ) ，o ft 1 1 es e e d i n g o ft h er i v e t s ，a c c o r d i n gw i mt h er e s u h so fc a l c u l a t e k e y w o r d ：i n d l l s 缸yr o b o t ，a 沁r mw a i n s c o t ，a u t o m a t i cd r i l l i n g & 鼬v e t i n g ，& v e t f e e d i n g i v 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 衷心感谢我的导师柯映林教授! 感谢柯老师给我们创造了优越的科研环境和 良好的学习机会。柯老师不仅学识渊博、治学严谨求实、具有新颖的学术思想， 还擅长多项体育运动，经常组织我们一起参加篮球、羽毛球等体育活动，让我们 在学习的同时身体也得到了锻炼。柯老师给了我很多机会去参与现场的项目实 践，让我增长了见识，增加了实干经验，在此，衷心的感谢柯老师的指导和关怀! 。感谢方强副教授这两年多对我的指导和帮助，方老师不仅在学业上给我指 导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀。从课题的选择到最终完成， 方老师都给予我细心的指导和不懈的支持，这对我的硕士论文帮助很大，衷心的 感谢方老师! 感谢控制组的余进海老师、陈国锋硕士、何丹青硕士、陈令凯硕士、潘泽民 博士、费少华硕士、唐昌杰硕士、汪仁硕士、张绍全硕士、陈利鹏硕士、周庆慧 硕士对我的帮助。与他们一起相互学习，共同进步的时光值得永远怀念。 感谢李江雄教授、毕运波老师、董辉跃老师、刘刚老师、王青老师、俞慈君 老师、蒋君侠老师、屈稳太老师、章明老师、黄浦缙老师、黄小东老师、曲巍崴 老师、朱卫东老师，他们对我的学习和工作提供了很大的帮助。还要感谢邱宝贵 博士、宦红纶博士、张洪双博士、盖宇春博士、应征博士、刘楚辉博士、边柯柯 博士、程亮博士、严伟苗博士、金涨军博士、姜杰凤博士、姜晓强博士、杨迪博 士、郭英杰博士、谢坤硕士、尚剑涛硕士、李敏硕士、冯小波硕士、杜江硕士、 魏明哲硕士、胡宝海硕士、冯照和硕士、张兵硕士、曹国顺硕士、郑思渊硕士、 刘春硕士、朱生茂硕士、张雷硕士、侯鹏辉硕士、钱大鹏硕士、顾金伟硕士、梁 琴硕士、胡佳硕士、赵伟硕士、黎蛰鳌硕士、金正琪硕士、闫国瑞硕士等，与他 们一起学习工作的时光令我难忘。 感谢我的家人一直以来对我的支持和鼓励，特别感谢我的母亲克服了很多困 难支持我完成了硕士阶段的学习。家人的支持就是我的动力，他们的理解和关爱 是我感到家的温暖。 感谢在百忙当中抽出时间参加论文答辩、评审和评阅的各位专家! 龚辉 2 0 1 1 年1 2 月于求是园 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 【本章摘要】本章主要阐述了本丈研究的意义；分析了国内外航空制造业自动钻铆技术以及 自动供钉技术的发展现状和应用，对传统自动钻铆技术与机器人自动钻铆进行比较，最后介 绍了本文的主要研究内容。 1 1 研究背景 在飞机的轻合金组合件、壁板、部件的制造中，铆接方法能保证机体部件所 要求的工件寿命和可靠性，因此仍然是应用最广的一种不可卸的连接方式。铆接 结构的制造过程( 包括装配工序和铆接工序) 是在装配夹具中安装零件，并用铆 钉进行连接【l 】，这一过程我们称之为“铆接装配”飞机制造中铆接装配占有十 分重要的地位，据估算，飞机装配劳动量约占整个飞机制造劳动量的4 0 到5 0 ， 其中铆接占3 0 ，这就要求铆接装配技术必须具有一定的效率f 2 】。当代飞机制 造技术的发展越来越重视对疲劳寿命、密封、防腐等的要求，为了满足飞机对各 种性能的要求，航空制造领域发展了各种先进技术，其中自动钻铆技术就是非常 重要的一项技术。国外铆接装配技术几十年的应用证明，与手工钻铆装配相比， 采用自动钻铆机后效率至少提高1 0 倍，并能节约安装成本，改善劳动条件，更 主要的是能够确保安装质量，大大减少人为因素造成的缺陷。因此，采用自动钻 铆机已经成为飞机性能的主要工艺措施之一【3 】。 目前，虽然国内已经陆续引进和研制了一些自动钻铆设备，但是还未形成生 产力，大部分装配任务还是人工进行，装配对象也仍然以机翼组件为主。并且仅 仅在转包生产民机部件装配中应用了该项技术，还没有应用在国内自主研制生产 的飞机的装配过程中【4 】。国内飞机装配仍大量采用手工作业，仅自动钻铆技术 在支线飞机和转包生产中有少量应用，自动化装配技术研究仍然处于起步阶段， 与国外相比存在着巨大的差距【5 】。国外飞机制造行业的自动钻铆技术包括自动供 钉技术都已经发展到了相当高的水平，而国内自动钻铆技术的应用跟航空制造技 术先进国家相比还处于一个较低的水平【6 】而且由于种种技术保密方面的原因， 中国很难从国外学习获得这些技术，这就更加显现了发展航空制造业和自主研发 自动装配于自动钻铆技术具有多么重要的经济价值和战略意义【7 1 。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 在实现缩短生产周期、降低成本的目标中，飞机装配过程是各大飞机制造公 司作为重点关注的问题【8 1 。现代飞机装配中，劳动密集且耗时耗力的装配工作是 低成本飞机制造的最大障碍【9 】【l0 1 。而作为飞机装配中最为重要也是最为繁琐的 部分，铆接在目前国内飞机铆接装配中仍然以人工为主，即由两个工人分别使用 风动铆枪和顶铁来操作的铆接方式。一架飞机的铆钉使用量少则几十万颗，多则 上百万颗，用人工钻铆效率极低，铆接质量难以保证【。另外，人工铆接方式 不仅对工人的体力和耐力提出了很严格的要求，而且由于风动铆枪噪音极大，使 得工人工作环境恶劣，更加影响工人的正常工作。使用自动钻铆技术不仅仅可以 明显提高铆接的工作效率、改善工人的工作坏境、大大降低工人工作强度和节省 人力资源，而且可以保证飞机部件的铆接质量，使得飞机的铆接结构在疲劳寿命、 密封性、防腐性以及减轻机构重量等方面达到一个很高的水平【l2 1 。图1 1 所示 为用于空客a 3 8 0 的自动钻铆、涂胶机器人系统。 图1 1 用于空客a 3 8 0 的自动钻铆、涂胶机器人系统 本人所在项目组近年来承担并完成了多项飞机大部件数字化装配的国家重 大项目，对数字化装配系统有着广泛而深入的研究，建立了若干基于机器人自动 钻铆的实验平台( 包括单机器人钻铆实验平台和双机器人协同自动钻铆实验平 台) ，研究了机器人自动钻铆技术并基本掌握了该技术的应用和开发。在能够熟 练设计和应用定位器来完成飞机零部件的阵列支撑和定位技术的基础上，本项目 组正在将机器人自动钻铆技术运用在飞机的铆接装配过程中为解决大飞机零部 件自动化装配问题奠定了良好的基础。 针对上述背景，浙江大学联合西安飞机公司、陕西飞机公司，就某型号运输 机壁板部件对接装配过程中的对接缝制孔设计了一套机器人自动制孔系统，旨在 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 实现飞机大部件对接装配过程中制孔的高精度要求和自动化要求；与此同时，建 立了一套基于飞机壁板对接装配的双机器人联合钻铆试验系统，主要功能包括： 验证大型壁板组件双机器人联合钻铆系统设计布局合理性j 验证多工位终端执行 器性能及可靠性、验证机器人铆接过程的稳定性、验证基于压力机构的制孔锪窝 深度的控制方法以及验证基于弹夹储钉的铆钉插钉、送钉方案可行性等。该试验 系统包括壁板托架、两台可沿壁板航向平台移动的k u k a 机器人、移动平台控 制系统、自动钻铆控制系统、自动钻铆终端执行器( 根据加工对象或者工艺要求 的不同可更换不同的执行器) 、相对应的自动供钉系统及其控制系统等，涉及到 的技术有伺服电机驱动高精度传动控制技术、机器人空间准确定位技术、自动制 孔技术、自动铆接技术和i o 逻辑控制技术等 本文来源于“9 8 5 工程”课题自筹项目“双机器人联合钻铆试验系统”，该项 目研究的主要内容包括验证多工位自动钻铆终端执行器的性能及可靠性；验证基 于弹夹储钉的铆接插钉、送钉方案可行性；验证机器人铆接过程稳定性等等，对 于改善国内普遍的人工铆接装配的现状，缩短中国与国外飞机制造与强国在自动 钻铆装配领域的差距，全面提升我国飞机制造业铆接装配自动化程度和技术水平 有着重要意义和价值。 1 2 飞机装配中自动钻铆技术的发展现状 1 2 1 国内外飞机装配中自动钻铆技术的发展现状 目前，世界航空制造业中铆接的机械化和自动化已经成为飞机部件铆接技术 发展的必然趋势。铆接的机械化和自动化不仅能使生产效率大大提高，而且能保 证产品的铆接质量显著提高。手工钻铆需要完成钻孔，下料手工打磨去毛刺，装 紧固件等多个工序，而自动钻铆技术在一个动作周期内即可完成所有工序，极大 降低了工人的劳动强度。手工和自动钻铆相比，前者往往在工件结合部有空隙或 者夹渣，直接影响了飞机的装配质量，自动钻铆则很好的避免了这些问题。手动 钻铆最快2 分钟只能做一个紧固，自动钻铆可以达到每分钟1 7 个，效率大大提 高。据有关资料报道，b 7 4 7 机铆率达6 2 ，伊尔7 6 的机铆率达5 4 5 ，空中 客车a 3 0 0 机铆率为4 5 ，而民用飞机的机铆率则可高达9 0 以上，其中美国波 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 音7 6 7 机身的机铆率达到了9 7 左右【1 3 】【1 4 1 自动钻铆技术开始起步的时间大约是二十世纪中期，从最早的手动钻铆，经 历了半自动化钻铆以及全自动化钻铆等阶段逐渐发展成熟为现有的较为成熟的 应用于航空制造业飞机装配领域的自动钻铆技术【2 1 。美国是最早发展使用和发展 自动钻铆技术的国家，早已将自动钻铆机等设备使用在飞机铆接装配生产线上， 经过了五十多年的发展与进化，该项技术已经被世界上各航空工业发达的国家广 泛采用1 5 1 自动钻铆机最早的生产厂商是美国的g e m c o r ( 美国通用电气机械公司) ， 该公司生产的自动钻铆机是系列化的产品，质量较为可靠并且配备有各种数控托 架。该公司自动钻铆机的销量已达几千台之多，其中一部分配有定位系统。在生 产的众多型号中，较早的型号有g 2 0 0 、g 4 0 0 等，较通用的型号为g 3 0 0 ，而g 9 0 0 型号的功能比较齐全，包括g 9 0 0 在内的部分型号具有无头铆钉钻铆的功能，自 动定位系统( 即数控托架) 的主要型号包括g 6 3 、g 7 9 、g 8 6 等等【6 】。 美国e l e c t r o i m c t ( e i ) 公司是一家研制和开发自动化卧式铆接装配系统 的公司，成立于1 9 8 6 年。该公司生产的e 4 0 0 0 系列的自动钻铆系统采用了电磁 铆接技术，在空客公司a 3 2 0 、a 3 4 0 以及a 3 8 0 等机型机翼的铆接装配中的得到 了广泛的应用，电磁铆接技术的特点是速度快、电磁力大，适合大型机翼壁板和 大铆钉的铆接装配另外，卧式铆接结构在铆接时几乎没有后坐力，铆接质量高。 e i 公司基于c a t i a v 5 平台开发的脱机编程系统实现了数字化铆接2 0 0 3 年，该 公司在为空客公司建立的两条1 6 5 米长的装配生产线中使用了8 台e 4 3 8 0 设备， 分别对a 3 8 0 上下壁板进行加工铆接【3 】 相比之下，其他航空工业发达国家的自动钻铆技术一般从美国引进，经过国 产化以后来使用于本国的航空工业发展。如苏联在上世纪七十年代曾经从美国引 进g e m c o r 公司的g 3 0 0 和g 6 6 6 两款自动钻铆机，经过改进和发展以后已经在 各飞机制造厂广泛应用，其机身、机翼装配的机铆系数已经达到了7 0 ，但是 二由于其自动钻铆机的控制系统落后，所以没有办法进入国际市场。法国也是在从 美国引进自动钻铆机的基础上进行国产化，并且也曾经打入过国际市场，其中较 多的产品型号为r e c o u l e se tf i l s 公司的p r e c a 3 0 0 和p r e c a 6 0 0 ，不过该公司现在 已经倒闭。德国则在凭借雄厚的资金保证的基础上大量引进先进自动钻铆技术的 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 同时，自身也积极研制和开发自动铆接装配系统，所以虽然其起步较晚，技术仍 然比较先进【9 1 。 自动钻铆技术的研制在我国的起步大约在上世纪七十年代，某些部门对各种 型号的自动钻铆机开展过相关的研制，但是由于当时对自动钻铆机的需求不是那 么迫切，同时没有型号需求牵引等相关的原因，使得研制工作没有继续下去。直 到八十年代中期，国外客户要求在一些外协加工项目中的零部件铆接装配时必须 使用自动钻铆机，以保证铆接的高质量要求，于是自动钻铆机在我国再次得到了 应用与发展。但是国内的自动钻铆机基本上是引进国外的产品( 包括g e m c o r 公司的g 4 0 0 、g 9 0 0 以及a p s 公司的i m s 3 3 5 等) ，自主研发和生产的能力十分欠 缺【2 】。本人所在的课题组近年来自主研制了一些用于机器人平台的自动钻铆终端 执行器，包括单功能钻锪终端执行器和多功能自动钻铆终端执行器，目前仍处在 试验和初步应用的阶段。 1 2 2 传统自动钻铆技术与机器人自动钻铆的比较 自动钻铆技术在发展的过程中不断吸收包括自动控制技术、计算机仿真技 术，机器人技术、传感技术以及通信技术等等领域的技术和工艺，最终使得自动 钻铆技术成为一门多学科、多技术的综合性技术并且向着更加多功能集成化、智 能化和网络化的方向发展【2 1 。近年出现的机器人钻铆技术更是因为结合了机器人 技术，突破了传统自动钻铆机对加工位置和加工灵活性的局限，将自动钻铆技术 推向了一个更高的高度。 图1 2m p a c 多壁板装配单元自动钻铆机 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 传统的自动钻铆机一般采用的是类似卧式铣床的构造，即应用钻铆机固定、 铆接工件移动的形式( 如图1 2 所示) 对壁板部件进行铆接加工，。这就对加工 的工件有很严格的局限性。这一类自动钻铆机的结构限制了其只能加工较为平坦 的壁板部件，而且对已经装配到机身的壁板部件进行铆接非常困难，如机身壁板 的下表面、机身与机翼结合处附近的铆接就很难用传统的自动钻铆机来完成。然 而对于自动供钉装置而言，这种钻铆机固定的形式给供钉提供了较为良好的条 件，固定的传输路径与外界条件降低了自动供钉的难度。 相比之下，机器人自动钻铆技术由于运用了机器人手臂的空间运动能力，大 大增加了钻铆机在飞机铆接装配中的应用范围。这种自动钻铆方式是固定壁板部 件不动，安装在机器人手臂顶端的自动钻铆终端执行器跟随机器人的摆动调整位 姿，并借助激光跟踪仪定位，可以对包括机身大面积外壁、机身壁板上表面以及 下表面、比如机身机翼结合处这些空间较为狭小的地方等进行铆接操作，大大提 高了飞机铆接装配中的自动化程度，同时将自动铆接的精度等也提高到了一个相 当高的水平但是，机器人自动钻铆的高灵活性也相应地给自动供钉系统提出了 比较高的要求。位置多变的终端执行器导致了供钉路径的多变，这使得供钉有很 大的不确定性和难度，这也是本文工作和研究的主要问题。 机器人自动钻铆技术降低了工人的劳动强度、改善了劳动环境、大大提高了 铆接的质量和效率、很大程度地提高了飞机装配铆接的自动化的程度，是未来航 空制造业飞机装配领域自动钻铆技术的发展趋势和发展方向。 1 3 自动钻铆技术中供钉技术的发展现状 为了保证自动铆接的自动化程度以及工作效率等，在自动钻铆技术中自然而 然会涉及到一个铆钉自动输送的问题，即自动供钉技术。自动供钉设备为自动钻 铆机自动提供并输送铆钉，自动供钉技术是自动钻铆技术中一个必不可少的组成 部分，随着航空制造业飞机装配的自动钻铆率不断提高以及自动钻铆技术的不断 发展，对自动供钉技术也相应地提出了高要求。法国a h g 紧固件公司提出，自 动钻铆机停机故障中由送钉系统造成的因素占了9 0 ，可见自动供钉技术在飞机 制造业自动钻铆技术中扮演着非常重要的角色，可靠的自动供钉设备是自动钻铆 机高效并高质量完成铆接的保证和前提 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1国外自动钻铆技术中供钉技术的发展现状 实现装配过程中铆钉供给的传送方式一般有两种：已排列好的带状铆钉传送 和零散铆钉自动选排传送。带状传送是将铆钉依次装在一条塑料带上，然后直接 或间接地与铆接设备连接在一起；零散铆钉输送是通过具有选排输送功能的装置 将铆钉一个一个送入工作位置【”】。目前飞机装配中的自动供钉系统主要采用后 者作为工作方式。从2 0 世纪5 0 年代初开始，美国、俄罗斯( 前苏联) 等航空制 造业强国就已经发展了一系列自动钻铆设备和系统【1 6 儿1 7 】，也出现了相配套的一 系列自动供钉系统。 图1 3 钻铆机的核心部件上铆头 g e m c o r 公司出产的d r i v m a t i cg4 0 0 3 9 a 型自动钻铆机，配有四个滑板式料 斗，各种不同的料斗可安装在自动钻铆机上，而该自动钻铆机所配备的料斗装置， 可以输送几种尺寸和规格的铆钉【l 】。该公司生产的g 4 0 0 和g 9 0 0 自动钻铆机的沉 头铆钉自动供钉系统由直动插板式料斗、刚性输送轨道和进钉器三个部分组成。 铆钉零散地沿着斜面聚集在料斗底部的倒梯形腔内，选料插板顶部按照铆钉的外 形轮廓设计有形槽，这些插板是上下往复运动的，位姿合适的铆钉可以在插板运 动时自行进入形槽内，然后当插板运动到最高位置时，形槽内的铆钉经过料仓出 口进入刚性传送轨道，轨道末端设有进钉器，用来将铆钉顶入钻铆机。该供钉机 构可以提供四种不同型号的铆钉，而四套带插板妁科斗共用一条输送管道，料斗 可沿导轨移动，只要移动料斗将装有所需型号铆钉的料斗的出口对准输送轨道即 可实现铆钉选型【1 6 】。如图1 3 所示为自动钻铆机的核心部件上铆头，典型的上 铆头是由钻孔主轴、供钉装置、挤压装置、铣削主轴、自动同步跟踪照相机组成， 加工速度达到每分钟完成1 9 个紧固件。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 法国a h g 紧固件公司与达索飞机公司联合研制了一套新型的自动钻铆机供 钉系统，该系统由存储铆钉的储存料斗、输送铆钉的送钉管道以及铆钉自动分选 器三部分组成，这种新型的供钉系统可以大大提高自动钻铆机的生产效率。一般 情况下，自动供钉系统的铆钉从储存料斗中出来时杂乱无章，很容易卡死在进入 送钉管道的地方，从而造成停机。所以该新型供钉系统把分选器增加在了铆钉料 斗中，这样就可以把不合格的铆钉分选出去，从而防止了不合格的铆钉进入送钉 管道。另外，这个系统配备多个铆钉料斗，这些料斗可分别存放不同直径、不同 长短的铆钉，以供使用时选择。该系统可用于自动钻铆机，也可以用于机器人铆 接系统【1 8 】【1 9 】。 意大利b c 公司生产的t j l s p a c e 龙门机器入自动钻铆加工系统配备有铆钉 自动筛选装置，该装置能够自动识别和高效传送超过1 0 0 种规格型号的铆钉采 用该公司开发的专用数据库软件，即可集中管理所有型号的铆钉，并可按照材料、 直径、铆接形式等的不同进行管理【2 0 1 由于自身结构形式的限制，现阶段常用的自动钻铆机有着装配柔性低、适用 面窄等诸多不利，并且只对某些结构组件铆接效率高，还有很多部位自动钻铆机 不能到达，大量铆钉仍需人工铆接，既耗时又耗资巨大。所以目前国外对于自动 钻铆技术的研究方向正在朝着机器人钻铆、全自动铆接机和坐标测量机的柔性自 动化装备系统方向发展【2 1 】【2 2 1 而自动钻铆机的供钉系统都是根据钻铆机的功能 要求和加工对象来设计的，自动钻铆机的发展趋势也要求了自动供钉技术的发展 方向，只有更加灵活轻便、高可靠性、多样化、可自如提供多种型号铆钉的自动 供钉系统才能满足日益发展的自动钻铆机的要求 1 3 2 国内自动钻铆技术中供钉技术的发展现状及应用 我们国家在飞机装配自动钻铆技术领域起步较晚，目前还没有自行研制成熟 的自动钻铆机和自动供钉系统，主要还是依靠引进国外技术的成熟的产品。从 r 。- 2 0 世纪八十年代以来，国内几家主要的飞机工业集团陆续从国外引进了多套自 动钻铆机，也自主研发了一些自动供钉系统。 1 9 8 5 年，西飞公司引进一台从波音公司退役的二手设备g 4 0 0 ( 如图1 4 所 示) ，1 9 9 2 年引进g 9 0 0 ，配备有最早期的自动供钉装置一一料斗装置。1 9 9 3 年又 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 引进了g e m c o r 公司生产的g 4 0 2 6 s x x 一1 2 0 型自动钻铆机，用于麦道公司 m d 9 0 - 3 0 等飞机的机翼壁板的铆接装配生产【2 3 】【2 4 1 。1 9 9 8 年西飞又引进了a p s 公司的蹦s 3 3 5 钻铆机，取代了g 4 0 0 机床。与此同时，成飞公司也先后引进了 g 4 0 2 6 、i 蝴s 3 3 5 钻铆机，沈飞公司也引进了法国的p i 迮c a3 0 0 和b i 的t 厄的 b a 9 6 【2 5 1 。2 0 0 0 年陕飞公司引进了g e m c o r 公司的g r s 6 r 3 0 1 2 0 ，配备有自动 供钉装置和法线传感器，但均未配置全自动定位系统【3 】。 图1 4 西飞引进的g e m c o r g 4 0 0 自动钻铆机 图1 5 成飞的g 4 0 2 6 s x x 1 4 4 型自动钻铆机 西飞公司自主研制的振动式供钉系统，用于为g e m c o r 公司生产的 g 4 0 2 6 s x x 一1 2 0 型自动钻铆机进行州机翼装配时提供无头铆钉。该供钉装置共 有六个振动盘水平一字排列，可提供六种规格的无头铆钉，铆钉的选型依靠抓钳 沿着平行于振动盘安装的导轨滑动来实现。抓钳从振动盘铆钉出口处夹住单个铆 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 钉，然后向下摆动一定角度，将铆钉投入输钉管道入口，然后向管内吹气将铆钉 输送到进钉器内，再由进钉器顶入铆接动力头的前端空腔内，进行铆接1 6 1 。 图1 6 用于k u k a 机器人的多功能自动钻铆终端执行器 图1 7 用于多功能终端执行器的自功供钉装置 本人所在项目组近几年在航空制造业飞机装配领域也做出了显著的贡献，为 包括成飞、西飞、陕飞在内的国内几家飞机公司承担并完成了多项飞机大部件数 字化装配的项目。为了跟上国际自动钻铆技术发展迅速的趋势和大方向，我们自 主研发了几套用于机器人自动钻铆的终端执行器，包括只钻铆的单功能终端执行 器和包含钻铆、注脚、插钉铆接于一体的多功能终端执行器( 见图1 6 ) ，该自 动钻铆终端执行器使用于机器人自动钻铆系统，图中使用的是k u k a 机器人同 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 时研制了一套为多功能终端执行器的插钉机构输送铆钉的自动供钉系统，这也是 本文研究的主要课题对象如图1 7 所示为用于为多功能自动钻铆终端执行器 输送铆钉的自动供钉装置。 。 1 4 本文的主要研究内容 飞机装配的自动钻铆过程包括了自动钻锪、自动注胶、自动送钉、自动插钉 和自动铆等工序，当前国内的飞机自动装配还处于起步阶段，自动钻铆设备基本 依靠进口，同时由于自身技术落后，在使用中故障不断，其中多为铆钉输送系统 不畅引起口6 】【2 7 1 。为解决将工业机器人使用在飞机壁板自动钻铆系统中以实现机 器人自动钻铆这一技术难题，本人所在实验室搭建了一套双机器人联合钻铆试验 系统，本文的主要研究对象是与机器人自动钻铆终端执行器配套的自动供钉机构 以及自动钻铆终端执行器中的插钉机构。如上所述，自动钻铆技术是飞机大部件 对接装配过程中较为重要的关键技术。这一技术涉及的问题有机器人准确定位问 题、制孔精度控制问题( 锪窝深度控制等) 、自动供钉方案设计问题与自动铆接 问题等。其中，为终端执行器供钉的选钉、输送装置的结构设计、气动系统设计、 电机系统设计等问题就是本文所研究的内容。 具体研究内容如下： 第一章，阐释了国内外航空制造业飞机装配自动钻铆领域中的自动钻铆技术 与自动供钉技术的发展现状和应用，以及它的研究趋势等，对传统自动钻铆技术 与机器人自动钻铆进行比较，阐述了本文的研究背景以及研究意义等。 第二章，简单介绍了双机器人联合钻铆试验系统的总体机械结构、工艺流程 以及各个组成部分的功能等，对几种供钉方式进行比较，最终确定本文研究的供 钉系统采用的供钉方式，详细分析了自动供钉装置和插钉装置的机械结构和工艺 流程，以及该装置各个组成部分的功能和工作原理。 第三章，分析电气控制系统的功能需求，根据其性能要求进行该控制系统的 设计，从电气控制和气动控制两个部分详细分析了自动供钉系统的控制系统组 成，详细介绍了各个元器件的功能和原理，最后介绍了电气控制柜的组成与制作 等。 第四章，针对实验中存在的平移气缸启动和急停的时候吸盘上的铆钉由于惯 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 性容易掉落、由于气力太低等原因铆钉在输钉管道中容易卡住、在双机器人铆接 的时候插钉机构的顶杆气缸是否能顶住铆枪的冲击力等问题，通过力学分析和流 体力学分析，计算得出铆钉不易掉落和卡住的最低气源气压、适合不同型号铆钉 的输钉管的尺寸、以及插钉装置的顶杆气缸能够顶住铆枪冲击力的必要条件等， 并通过实验进行验证。 第五章，总结全文的工作，展望进一步工作的内容和方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章机械结构与构成 第二章机械结构与构成 【本章摘要】本章介绍了双机器人联合钻铆试验系统的总体结构以及各个组成部分的功能 等，设计了总体工艺流程；对几种供钉方式进行比较，最终确定本文研究的供钉系统采用的 供钉方式；详细分析了自动供钉装置和插钉装置的机械结构与工艺流程，以及该装置各个组 成部分的功能和工作原理 2 1 试验系统总体结构 为攻克在飞机壁板自动钻铆系统中使用工业机器人实现机器人自动钻铆这 一技术难题，本人所在实验室搭建了一套双机器人联合钻铆试验系统，本文所述 研究均基于此试验系统展开和进行。下面首先介绍该试验系统的总体结构组成。 双机器人联合钻铆试验系统包括两组布置在壁板柔性定位工装两侧的机器 人移动平台底座以及上面的两台工业机器人( k u k a ) 、自动钻铆终端执行器及 其自动供钉系统、壁板柔性定位工装、支架平台等辅助机构以及各个部分的控制 系统等。该试验系统的三维总体构成如图2 1 所示( 图中只显示了一侧的机器 人以及移动平台等，另一侧的未显示) 。 2 1 1 机器人及其平台 图2 1 双机器人联合钻铆试验系统构成 7 该试验系统的移动平台底座是两组平行布置在柔性定位工装两侧的装有导 轨的铸铁平台，可供工业机器人的移动平台沿着导轨来回移动，拖动机器人在不 浙江大学硕士学位论文第二章机械结构与构成 同的位置完成钻铆动作。机器人移动平台底座两端装有限位开关来限制移动平台 的行程，最大行程为6 7 0 0 m m 。为了确保机器人本身的定位精度，本项目组在某 型号中机身数字化装配项目机器人自动钻铆系统的机器人平台底座中安装了 h e i d e n h a i n 公司的增量式光栅尺；而为了考虑成本等原因，本试验系统的底 座平台只安装了零位开关用于机器人移动平台找零，并根据电机旋转编码器的反 馈进行定位，定位精度也已满足要求。机器人及其平台底座的三维图形如图2 2 所示 图2 2 机器人及其平台底座三维图 系统使用的是k l 刀认公司的b 6 02 型号工业机器人，该机器人具有六个 自由度且各个关节均为旋转关节，可实现航向移动、垂直方向移动、终端执行器 调姿以及执行器轴向压紧壁板等动作，在钻铆过程中能够满足终端执行器的各种 位置与位姿要求，其承载重量为3 6 0 k g ，臂展范围为2 8 2 6 衄，可以满足自动铆接 对机器人强度、运动范围等的要求。 2 1 2 柔性定位工装 柔性工装的类型和构造取决于装配产品的结构、定位方法、工艺装备的协调 方法等，但是所有的夹具都由下列基本构件组成： 浙