一种八腿真空吸附式制孔系统机构的设计

一种八腿真空吸附式制孔系统机构的设计

在过去的10年里，以b77、b787、a340、a380和c-17为代表的新型军民飞机集中反映了先进飞机配置技术的现状和发展趋势。它体现在基于特定产品数据的数字标准协调系统中，并实施了数字尺寸技术。经过设计模拟和虚拟现实技术，实现了装配过程的优化，应用了柔性模块柔性服装技术、加工和检测单元。它被集成到一系列自动化设备系统中，以实现飞机结构的自动安装。世界航空发达国家的飞机自动化装配技术,已从由单台数控自动钻铆机和数控托架组成的自动化钻铆系统向有自动化装配工装、模块化加工单元、数字化定位和检测系统、复杂多轴数控系统和离线编程与仿真软件等组成的自动化装配系统发展。飞机自动化装配系统的发展主要为两个方向。一种是成本较高的、适用于批量较大产品的大型专用自动化装配系统,如MPAC、VPAC等。另一种是成本较低的、适用于批量较小产品的轻型自动化装配系统,该种系统的发展方向为轻型化、柔性化、模块化,其典型代表有基于工业机器臂自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统、自主移动式自动化装配系统。基于工业机器臂自动装配系统是利用市场上通用的工业机器臂为设备本体,配合相应的末端执行器组成的自动化装配系统,是当前最多的一种轻型自动化装配系统解决方案,主要系统集成商有宝捷公司、EI公司等。国内有成都飞机工业(集团)有限责任公司开发的壁板类部件/组件/零件数字化柔性装配、制孔系统,沈阳飞机工业(集团)有限公司和北京航空航天大学联合开发的以ABB公司的IRB6640-235/2.25型工业机器人为设备本体的飞机部件级机器人制孔系统等。柔性轨道系统是由波音公司提出的轻型自动化装配系统解决方案,由在产品表面吸附的柔性轨道,在其上有小车沿轨道滑动到相应位置,进行自动化制孔的,EI、AIT、宝捷公司都有成熟的系统,北京航空制造工程研究所也已经研发出原型系统。自主移动式轻型自动制孔系统(爬行机器人)是一种最新的轻型自动化装配系统解决方案。自主移动式轻型自动化装配系统与柔性轨道制孔系统同属于轻型、柔性自动化装配系统,二者都利用真空吸盘将自身吸附在工件上制孔,这也是与一般的大型数控自动化装配系统最大的不同。但与柔轨系统相比具有一些重要的优点,比如设备安装简单,简化了安装工作及安装系统所用的工装,因此投入生产前的准备时间大大缩短,应用的灵活性也更高。目前国内外仅有西班牙MTorres公司自行走机器人开始投入应用。自主移动式轻型自动制孔系统符合轻型化、柔性化、模块化的发展方向,可实现几大目标:(1)柔性好,可适应多种工件,用于多个项目;(2)实施周期短;(3)成本较低,采购成本和运行成本低,可在现有的装配型架上使用,不需要特别的工装,对型架的影响和改动最小化;(4)重量轻。1通讯、控制等多学科的研究自主移动式自动制孔系统是个复杂的机电一体化系统,涉及到机械、电子、通讯、控制等多个学科和技术领域。其中机械系统是自主移动式自动制孔系统的执行机构,机械结构设计与其控制、驱动等系统的设计密切相关,其设计质量的高低直接影响到自动制孔系统的整体性能,如移动、调姿、进给制孔等。1.1标准坐标自主移动本文设计的自主移动式机器人自动制孔系统需满足的功能:(1)在一定范围内实现5坐标自主移动:X向移动(前进方向)、Y向移动、Z向(法向)进给、A角(绕X轴)侧滚、B角(绕Y轴)俯仰摆动;(2)能够保证在倒吊工作面和铅直工作面上进行移动和制孔;(3)满足一定直径的机身全环向位置的制孔;(4)安装和调试时间较短。1.2自主流动性状自动制孔系统设计要点综合考虑轻型自动化装配系统的柔性化、模块化发展方向和自主移动式机器人自动制孔系统的功能指标,自主移动式机器人自动制孔系统的机构设计如图1所示。主要设计要点是:(1)考虑其机身对接带全环向位置制孔的工作环境、刚度、制孔精度、制孔效率等因素,自主移动式自动制孔系统采用八腿式移动机构。(2)移动平台采用内外框交替前进的方式移动。(3)考虑到平台的内外框交替移动方式和布置的对称性,采用八足对称布置于内外框的布置形式。(4)腿的机构形式采用升降式结构设计,保证刚性和负载能力,足部采用真空吸盘以保证自主移动式机器人自动制孔系统能够在倒吊工作面和铅直工作面上工作。1.3末端执行器制孔(1)首先,将自主移动机构安放在工件表面,依靠真空吸盘吸附于工件表面。(2)移动时,内外框架腿部电机驱动丝杠带动真空吸盘交替松开;在X向电机和丝杠驱动下,实现沿X向的移动;然后依靠外框架腿部电机驱动丝杠带动吸盘沿Z向放下,吸紧;如此重复直至到达预期位置。(3)到达制孔区域,在八条腿吸紧后,在内框架的制孔范围内,未端执行器可以通过内部框架的X、Y电机驱动丝杠,沿导轨运动至制孔位置。通过安装在末端执行器安装板上的末端执行器,检测制孔位置的法线方向;通过内部框架X、Y丝杠导轨进行X、Y方向调整;通过八条腿Z向丝杠导轨,进行Z向和A、B角(即绕X、Y轴转动方向)调整,从而保证主轴与制孔位置法向重合。(4)发送指令给末端执行器制孔。进行法向调整时,通过框架和腿部连接处的被动补偿连接件进行XY方向的位置补偿,这是本结构设计的关键之一。被动补偿连接件作为一个独立模块的优点是,其设计变动不会影响其他部件,可以根据法向调整角度范围进行更换。2封闭形数学模型根据上一节的运动过程可知,自主移动机构的运动主要可分为移动,框架法向调姿,内部框架位置调整。其中,最为复杂的是框架法向调姿运动,该阶段机构运动关系复杂,故本节对该阶段的机构进行自由度分析。自由度分析方法有螺旋理论法、群论和李代数法、虚位移法等。本文采用虚位移法对该阶段的机构进行自由度分析。虚位移法自由度计算公式如下F=p∑i=1fi-L∑j=1Κj(1)F=∑i=1pfi−∑j=1LKj(1)式中:i为运动副数目;fi为第i个运动副的自由度(i=1,2,…,P);j为机构的封闭形数目;Kj为第j个末杆的自由度(j=1,2,…,L)。根据机构运动过程分析可知,法向调姿阶段中八条腿吸紧,故腿底端的真空吸盘与工件共同视为机构图中的机架。此时,内外框相对固定,可视为同一构件。末端执行器在内框XY向两自由度的运动与机器人的法向调姿运动相互独立,分析时可不予考虑。进行相关简化后,得到的法向调姿阶段机构如图2所示,该机构为多闭链并联机构。根据图论可知,封闭形数目:L=P-N+1=28-22+1=7。封闭形依次为:封闭形Ⅰ:1-5-2-16-15-14-1;封闭形Ⅱ:1-5-2-13-12-11-1;封闭形Ⅲ:1-5-2-4-3-1;封闭形Ⅳ:1-5-2-10-9-8-1;封闭形Ⅴ:1-5-2-22-21-20-1;封闭形Ⅵ:1-5-2-19-18-17-1;封闭形Ⅶ:1-5-2-7-6-1。因为该机构结构特殊,在该多闭链机构中,各个单闭链之间存在特殊的几何关系,使整个系统出现虚约束,宜将所有单闭链机构的虚位移矩阵放在同一坐标系中统一考虑。取腿Z2的球面副中心点B为共同基点,将坐标系原点置于其上,建立如图2所示参考坐标系。qBi为B点转动副绕X轴的转动,qBj为B点转动副绕Y轴的转动,qBk为B点转动副绕Z轴的转动,q5k为构件5沿Z轴方向的滑动,其他变量意义类似。1Ⅰ,1Ⅱ,1Ⅲ,1Ⅳ,1Ⅴ,1Ⅵ,1Ⅶ分别为封闭形Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ断开机架后的末杆。q5k,q14k,q11k,q3k,q8k,q20k,q17k,q6k为移动量,方向为(0,0,1);q15j,q12j,q4j,q9j,q21j,q18j为移动量,方向为(0,1,0);q16i,q13i,q10i,q22i,q19i,q7i为移动量,方向为(1,0,0);qBi,qFi,qEi,qAi,qDi,qHi,qGi,qCi为转动量,其轴线上的单位向量为(1,0,0);qBj,qFj,qEj,qAj,qDj,qHj,qGj,qCj为转动量,其轴线上的单位向量为(0,1,0);qBk,qFk,qEk,qAk,qDk,qHk,qGk,qCk为转动量,其轴线上的单位向量为(0,0,1)。虚位移矩阵为42×44的矩阵,由于矩阵较大,先在统一坐标系中分别列出各封闭形的虚位移矩阵,再综合求秩。由虚位移计算公式计算得到各封闭形的虚位移矩阵。封闭形Ⅰ:1-5-2-16-15-14-1δqBiδqBjδqBkδq5kδqFiδqFjδqFkδq14kδq15jδq16iδθx1000100000δθy0100010000δθz0010001000δSx0000000001δSy000000-xF010δSz00010xF0100该矩阵前4列记为B16×4,后6列记为F16×6,则该矩阵记为[B16×4F16×6];同样可得其他封闭形虚位移矩阵,限于篇幅不一一列出。综合所有封闭形虚位移矩阵,可得法向调姿机构的虚位移矩阵M。Μ=[B16×4F16×6B26×4E26×6B36×4A36×5B46×4D46×6B56×4Η56×6B66×4G66×6B76×4C76×5]42×44将各点坐标代入矩阵M,求秩得K=41。故L∑j=1Kj=K=4