王 禹，李 岸

（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110870）

引言

飞机装配是飞机制造的最终环节，在飞机制造的装配过程中需保证零件与零件、零件与工装、工装与工装之间的协调，进而保证零部件装配的准确度。由于飞机机身体积庞大、零部件数目多、形状复杂等原因，装配工作量占飞机制造劳动总量的40%～50%，使得飞机的制造成本较高、制造周期较长、制造质量难以保障[1]。飞机零部件间的连接方式包括铆接、焊接、螺栓连接等[2]，因铆接具有重量轻、强度高等优势，成为飞机部件连接所使用的最广泛的方式。据统计，由于飞机机体装配疲劳失效而导致的事故中，结构连接部位出现问题的约占70%，而在连接处由于疲劳出现裂纹的占到了80%[3]。国内学校科研院所研究的钻铆末端执行器中铆接方式大都是气铆、电磁铆接，本文以伺服电机为压铆过程动力源，设计一款压铆行程可控的自动铆接末端执行器。

1 铆接系统组成以及功能模块确定

1.1 铆接系统组成

铆接系统由铆接机器人系统、工作台、钉库组成。铆接机器人系统包括机器人、自动铆接末端执行器，机器人负责携带自动铆接末端执行器运动到指定位置，自动铆接末端执行器具备接收铆钉、定位、铆接功能。工作台具有固定、升降、翻转功能，用来调节工件的位姿。钉库存有10 种型号铆钉，钉库负责将正确型号的铆钉通过气泵吹入至自动铆接末端执行器对应结构中。铆接系统的整体布局如图1 所示。

图1 铆接系统整体布局

1.2 功能模块确定

经分析后确定自动铆接末端执行器应具备以下功能模块：

1）移位模块：该模块主要负责为自动铆接末端执行器中需要运动的结构提供动力源。主要由上伺服结构、平移结构、铆接结构组成，上伺服结构参与穿钉与压铆过程，平移台结构参与接收铆钉、钉孔定位、穿钉、铆接过程，铆接结构主要完成压铆加工任务。

2）定位与检测模块：该模块主要任务为钉孔的精确定位以及修正和检测铆钉是否准确穿入钉孔内。自动铆接末端执行器由机器人携带至预定作业位置，在设备运作过程中会产生一定量偏差，定位与检测模块采集钉孔位置信息以及与工件面的相对位置信息对其进行检测并修正，以实现铆钉轴线与钉孔轴线共线，保障铆钉的准确穿钉位置。待铆钉穿入钉孔内，检测模块将检测铆钉是否穿入钉孔内。

3）附加模块：该模块主要组成部分为整体框架单元。整体框架单元是各个结构安装的基台，负责设备的各个组成结构的固定、支承和保护。

2 自动铆接末端执行器结构设计

2.1 落钉与推钉结构设计

落钉与推钉结构负责接收和存放来自钉库铆钉并将其推至穿钉结构中，主要由铆钉下落槽结构、气缸、推钉槽、推钉舌结构组成，机构如下页图2 所示。从钉库吹来的铆钉首先落到铆钉下落槽结构中，推钉槽结构可以固定推钉舌结构的运动轨迹，气缸控制推钉舌结构在推钉槽内的行程，气缸本身对运动方向也起到固定作用，实现了对推钉过程的双重保障。在铆钉下落至铆钉结构进行推钉过程时，由气缸带动推钉舌结构将铆钉推至穿钉结构中。当采用气缸作为动力源时，其推压力的大小可以通过减压阀进行控制，推钉速度和回程速度可通过速度控制阀进行控制。

图2 落钉与推钉结构

2.2 穿钉结构设计

穿钉结构主要负责将铆钉穿入钉孔内，此过程需要较高的定位精度，且铆钉是否能准确穿入钉孔内也需检测，所以穿钉过程需与检测模块进行配合使用。穿钉结构主要由环形弹簧、穿钉爪、穿钉顶柱组成，结构如图3-1 所示。铆钉通过推钉结构将铆钉推入穿钉爪内，待穿钉结构到达修正钉孔位置时，穿钉顶柱进行下压，由于对穿钉爪两侧壁的挤压作用，使得两侧壁向外扩大，动作如图3-2 所示，在穿钉完毕后，穿钉顶柱返回，两侧内壁由于环形弹簧收缩的作用使得穿钉爪两侧壁回到初始位置。

图3 穿钉结构及其动作

2.3 上伺服结构设计

上伺服结构作为自动铆接末端执行器的辅助结构，辅助穿钉结构完成穿钉过程，辅助铆接结构完成压铆过程。具体过程如下：铆钉从穿钉爪结构穿至钉孔内过程中，需有结构能提供从上向下的直线运动，而且要求行程也是可控的，在铆接过程中，由于动力来源于自动铆接末端执行器正下方的铆接结构，铆接方式采用至下向上铆接，在铆钉的上表面应有结构来将铆钉固定住，来配合铆接结构完成压铆过程。结合以上思想，上伺服结构如图4 所示。上伺服结构由带头螺柱、伺服电机、内螺纹连接套筒、同步带、同步带轮、滚珠轴承组成。工作时，由伺服电机带动后同步带轮进而带动同步带将动力传递到前同步轮，前同步带轮与内螺纹套筒靠键传递动力，内螺纹套筒通过内螺纹将动力传递到带头螺柱，形成螺柱的上下直线运动，将伺服电机的旋转运动转变成带头螺柱的直线运动，不仅使得运动形式满足要求，而且行程也达到了可控的目的。

图4 上伺服结构

2.4 铆接结构设计

铆接结构主要功能是完成铆钉的压铆动作，主要由箱体、铆接顶头、法兰盘、RV-20E 减速器、伺服电机、滚珠轴承、滚针轴承、偏心轴推杆、滚针轴承、偏心轴与减速器连接结构组成，结构如图5 所示。箱体作用是支撑和固定偏心轴、偏心轴推杆、法兰盘、铆接顶头等结构。根据铆钉压铆前后长度变化区间，从而确定偏心轴的偏心距。根据压铆力大小来确定偏心轴的直径。由于体积和压铆力大小的限制，选择RV-20E减速器将力按一定比例缩小，这样可以选择较小功率的伺服电机，极大节省了空间、成本。法兰盘对铆接顶头的运动具有导向的作用。偏心轴与RV-20E 减速器通过偏心轴与减速器连接结构连接进而传递动力。进行压铆时，伺服电机通过键带动RV-20E 减速器，再通过偏心轴与减速器连接结构将动力传递到偏心轴，使得偏心轴带动偏心轴推杆做往复运动，通过销轴带动铆接顶头做往复直线运动。将伺服电机的回转运动转变成铆接顶头的往复直线运动。

图5 铆接结构

2.5 检测模块设计

根据工作情况以及自动铆接末端执行器中各个结构间的位置关系，选择INCA Model XS 扫描仪作为检测设备，安装在平移台结构上，其安装形式如下页图6 所示。Model XS 扫描仪在一个压铆过程中需工作两次：第一次检测，在自动铆接末端执行器到达预定位置后，检测模块对代加工区域内铆钉钉孔信息进行收集，将孔位信息通过TCP/IP 协议传递至工控机，工控机根据孔位信息发出符合钉孔型号的铆钉发送命令；第二次检测，在穿钉过程结束后，扫描仪扫描钉孔内是否存在铆钉。

图6 INCA Model XS 扫描仪安装位置

2.6 平移台结构设计

平移台结构作为自动铆接末端执行器中转换工位的结构，同时也负责扫描过程、推钉过程、穿钉过程、铆接过程中所有需要定位的过程，具有不可替代的作用。平移台结构由平移台、齿轮齿条、伺服电机组成，结构如图7 所示。平移台的作用是将INCA Model XS 扫描仪、穿钉结构、压铆固定结构固定。齿轮齿条与伺服电机的作用是通过上位机与PLC 控制相关结构运动到指定位置，进行工位的转换以及为相关结构进行定位，在自动铆接末端执行器处于推钉过程时，将穿钉爪结构移至推钉结构位置，使其结构对准，以便气缸将铆钉推至穿钉爪结构中，处于穿钉过程时，将穿钉结构移至铆钉钉孔正上方，以便实现穿钉过程，处于压铆过程时，将压铆固定结构移至铆钉正上方，以便实现压铆过程。

图7 平移台结构

2.7 自动铆接末端执行器设计

总结上述结构所设计的自动铆接末端执行器结构如图8 所示。

图8 自动铆接末端执行器三维图

3 自动铆接末端执行器控制系统架构

3.1 控制系统组态

由于作业过程的复杂性，本文所研究的自动铆接末端执行器功能较多，相关结构也比较繁多，且多数作业过程需由多个结构参与完成，为了有效控制各个过程以及结构间的相互配合，设计了详细的控制集成方案，以实现对自动铆接末端执行器的有效控制。自动铆接末端执行器控制架构如图9 所示。由上位机工控机通过TCP/IP 与PLC 进行实时通信，PLC 进行数据采集发送给工控机，由工控机向相关结构发送指令。整个自动铆接末端执行器可分为伺服控制模块、气动控制模块、传感器数据采集模块以及机器人外部自动控制模块。伺服控制模块可分为上伺服模块、平移伺服模块、压铆伺服模块。气动控制模块分为推钉过程和托板螺母上料模块。

图9 自动铆接末端执行器系统PLC 组态

3.2 气动回路设计

自动铆接末段执行器气动模块硬件包括气动三联件、调压阀、五位三通、执行气缸、接近开关等组成部分，主要负责对推钉结构中的气缸进行运动控制。鉴于气动元件的数目以及工作流程，若单独控制每个气动元件不仅会导致线路繁多，也会在出现故障时增加解决问题的难度，所以本文选用集成阀岛，可以实现阀岛与现场上位机的即时通信，极大简化对复杂系统的调试，以及性能的检测、诊断、维护等工作。每个气缸都配有磁石，这不仅能将气缸的位置信息实时提供给PLC，而且这也增加了控制系统的缜密性。气动回路如图10 所示。

图10 推钉结构气动回路

4 结语

本文采用压铆方式设计一款自动铆接末端执行器。介绍了设备的工作原理和工作流程，并针对加工系统提出了集成控制系统设计方案。通过分析末端执行器应具备的功能，进行相关结构和模块的设计，包括落钉与推钉结构设计、穿钉结构设计、上伺服结构设计、铆接结构设计、平移台结构设计、托板螺母匣结构设计、检测模块设计。基于以太网构建了一套集铆接平面法矢检测、落钉推钉检测、穿钉、铆接的末端执行器控制系统。对设备中的气动元件进行了气动回路图的绘制。