采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)貨艙門結(jié)構(gòu)的自動(dòng)鉆鉚

發(fā)布日期：2012-03-31    蘭生客服中心    瀏覽：6110

　　作為全球飛機(jī)客艙門和貨艙門制造領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，歐直公司一直在尋找優(yōu)化其生產(chǎn)過(guò)程的柔性解決方案。他們得到的建議是不僅要為新的飛機(jī)項(xiàng)目，而且還要為以前繼承下來(lái)的項(xiàng)目找到新的具有成本效益的自動(dòng)化解決方案。在保證經(jīng)濟(jì)性和高品質(zhì)的指導(dǎo)方針下，德國(guó)寶捷（Broetje-Automation GmbH）推薦了一種最先進(jìn)的鉆鉚設(shè)備集成方案�；诰嬖瓌t，

　　寶捷公司研發(fā)了一種新型生產(chǎn)單元，它使用的關(guān)節(jié)臂機(jī)器人配有新型末端執(zhí)行器，用于在單通道飛機(jī)貨艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)心鉚釘?shù)陌惭b。寶捷的工程師與客戶一起組成的一個(gè)工作小組，就機(jī)器人單元的要求與設(shè)計(jì)布局共同進(jìn)行了討論，以求將新型的自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)最優(yōu)化地集成到現(xiàn)有的貨艙門生產(chǎn)線之中。該分析研究結(jié)果產(chǎn)生了這種配有多功能末端執(zhí)行器且具有高定位精度的機(jī)器人，它可以用于制孔和安裝實(shí)心鉚釘，如圖1 所示。
　　　　　　　　　　　　

客戶要求和目標(biāo)
　　貨艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配原來(lái)都是采用手工工藝（如圖2 所示），用臨時(shí)緊固件在蒙皮內(nèi)部預(yù)定位之后，手工制做所有的孔，部分孔進(jìn)行锪窩�？孜挥稍诿善�(nèi)部預(yù)制的孔來(lái)確定，之后手工插入實(shí)心鉚釘并壓鉚。
　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　鉚釘?shù)氖止ぐ惭b

　　歐直公司要求采用柔性的自動(dòng)化解決方案，包括制孔和緊固能力，并可與產(chǎn)品運(yùn)輸裝置結(jié)合起來(lái)。該解決方案應(yīng)能在貨艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)上安裝1200 個(gè)實(shí)心鉚釘。這個(gè)自動(dòng)化解決方案的主要焦點(diǎn)集中在采用輕型自動(dòng)化方式的方向上，以及用最小的占地面積將其集成到現(xiàn)有生產(chǎn)線之中。

項(xiàng)目要求如下：
　�。�1） 采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)手臂機(jī)器人系統(tǒng)，三維定位精度±0.3mm ；重復(fù)精度±0.15mm。
　�。�2）多任務(wù)末端執(zhí)行器采用自動(dòng)制孔和鉚接循環(huán)；涂密封膠；鐓緊力最大為3t。
　�。�3）循環(huán)時(shí)間（定位、制孔、鉚接）為10.25s。
　�。�4）產(chǎn)品定位能力可確保結(jié)構(gòu)的邊距得到保證。
　�。�5）有緊固件自動(dòng)輸送系統(tǒng)。
　�。�6）產(chǎn)品運(yùn)輸裝置考慮到符合人體工學(xué)的裝卸流程。
　�。�7）所需最大占地面積： 5m×6m。

輕型自動(dòng)化概念
　　在上述要求下所得到的緊固系統(tǒng)就是輕型自動(dòng)化解決方案。寶捷自動(dòng)化公司采取的途徑是，將手工工藝的優(yōu)點(diǎn)與那些在知名的重型緊固自動(dòng)化系統(tǒng)中已實(shí)現(xiàn)了的典型優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合。手工操作的特點(diǎn)是高柔性和低投入，但其表現(xiàn)和質(zhì)量水平依賴于工人自身；重型緊固自動(dòng)化系統(tǒng)則有高性能并能持續(xù)保持高品質(zhì)，但同時(shí)它也要求有更高的投入而其柔性居中。

　　把關(guān)鍵的柔性性能與自動(dòng)壓鉚工藝相結(jié)合的成果就是寶捷公司的RACe 系統(tǒng)——即機(jī)器人裝配單元（Robot Assembly Cell）。

　　寶捷在這里面臨著一個(gè)重大的風(fēng)險(xiǎn)，即是否可以將標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)手臂機(jī)器人系統(tǒng)用于航空工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行制孔和緊固。標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度只有大約±2.5mm，但有著良好的重復(fù)定位精度±0.05mm。典型的航空工業(yè)生產(chǎn)的要求是絕對(duì)定位精度要達(dá)到±0.3mm，重復(fù)精度達(dá)到±0.05mm，并在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行離線編程。

1 單元控制CELL-CONTROL
　　為了滿足這些要求，寶捷自動(dòng)化公司研發(fā)了一種包含校準(zhǔn)和補(bǔ)償方法的組合包，從而讓一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人達(dá)到足夠的精度。在生產(chǎn)中不使用任何其他外部測(cè)量?jī)x器（比如激光跟蹤儀）的前提下，這套組合包可確保絕對(duì)定位精度達(dá)到±0.3mm。該組合包的主要組成部分包括一套機(jī)器人校準(zhǔn)工藝和3 種補(bǔ)償方法，如圖3所示。他們已經(jīng)集成到由寶捷公司研發(fā)的RACe 控制系統(tǒng)（即單元控制Cell-Control®）里了。
　　　　　　　 

　　在機(jī)器人單元進(jìn)行調(diào)試時(shí)，精度組合包將一次性完成設(shè)置，這樣生產(chǎn)就不會(huì)受到外部測(cè)量裝置的干擾。

2 校準(zhǔn)和補(bǔ)償方法的說(shuō)明
　　（1）校準(zhǔn)：確認(rèn)機(jī)器人的實(shí)際幾何形狀，增加基準(zhǔn)精度。
　�。�2）壓力補(bǔ)償：源于機(jī)器人液壓-氣動(dòng)平衡系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)干擾補(bǔ)償。
　�。�3）網(wǎng)格補(bǔ)償：補(bǔ)償網(wǎng)格覆蓋了已確定的機(jī)器人工作包線，以獲得最大的定位精度。
　�。�4）溫度補(bǔ)償：這個(gè)方法考慮了溫度對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響。

　　通過(guò)采用作為單元控制Cell-Control® 一部分的精度組合包，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人就可以滿足航空工業(yè)生產(chǎn)的要求了。因此，本機(jī)器人在輕型自動(dòng)化解決方案中是一個(gè)具有成本效益的定位系統(tǒng)。

　　圖4展示的是采用KUKAKR360 機(jī)器人及其在激活和非激活校準(zhǔn)和補(bǔ)償方法后對(duì)定位精度的評(píng)估。激光跟蹤儀的測(cè)量結(jié)果表明定位精度的誤差在±0.3mm范圍以內(nèi)。
　　　　　　　　　　　　
　　為歐洲直升機(jī)公司制定的自動(dòng)化解決方案

該自動(dòng)化解決方案如圖5所示，主要部件是：
　　·KUKA KR360 機(jī)器人系統(tǒng)；
　　·精度組合包；
　　·制孔和實(shí)心鉚釘安裝的多任務(wù)末端執(zhí)行器；
　　·用于2 個(gè)不同貨艙門的產(chǎn)品運(yùn)輸車；
　　·緊固件自動(dòng)輸送系統(tǒng)；
　　·除屑除塵裝置；
　　·安全設(shè)備；
　　·帶有單元控制Cell-Control軟件的控制系統(tǒng)。
　　　　　　　　　　　　　　
1 機(jī)器人
　　多任務(wù)末端執(zhí)行器的可達(dá)性分析和重量估算要求為該應(yīng)用項(xiàng)目選用KUKA KR360-L240 型機(jī)器人。其他關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括足夠的有效載荷和機(jī)器人機(jī)體的剛度，以避免在定位精度方面的負(fù)面影響。

　　該機(jī)器人由KRC2 控制系統(tǒng)控制，并包括一個(gè)PROFIBUS 總線和以太網(wǎng)接口，用于與整個(gè)機(jī)器人單元的主控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。

　　機(jī)器人單元的占地空間要求最小化，這就必須采取附加措施來(lái)滿足終端用戶的安全規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。因此這臺(tái)機(jī)器人裝備了KUKA 的“安全機(jī)器人”選項(xiàng)。這項(xiàng)功能允許縮小安全區(qū)域。

2 末端執(zhí)行器
　　末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)成通過(guò)安裝平頭和埋頭受剪鉚釘將內(nèi)蒙皮與貨艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)相連接。這種應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)在于夾具和鐓緊單元的設(shè)計(jì)要保證在內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜干涉外形中實(shí)現(xiàn)可達(dá)性。末端執(zhí)行器如圖6 所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　此外，貨艙門有一個(gè)封閉的由內(nèi)蒙皮構(gòu)成的區(qū)域，產(chǎn)品的這一部分按照“僅鉆孔”模式（包括锪窩）加工。

　　因此，壓鉚的整個(gè)夾緊和鐓緊單元是可拆卸的。

多任務(wù)末端執(zhí)行器有4 個(gè)功能：
　　·制孔；
　　·涂密封膠；
　　·實(shí)心鉚接（插入和壓鉚）；

　　·測(cè)量（定位）。

　　實(shí)現(xiàn)上述前3 個(gè)功能的裝置安裝在末端執(zhí)行器基礎(chǔ)框架上的一個(gè)直線橫向滑板上。在鉆孔和鉚接循環(huán)期間，產(chǎn)品通過(guò)壓力腳和夾緊/鐓緊單元從兩側(cè)被夾持。

　　用來(lái)測(cè)量定位點(diǎn)的第4個(gè)裝置是安裝在壓力腳旁邊的激光線傳感器。它在控制系統(tǒng)中作為第2 個(gè)工具中心點(diǎn)來(lái)處理。
　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　產(chǎn)品的定位

末端執(zhí)行器包含以下主要部件：
　　·包括直線橫向滑板的基礎(chǔ)框架；
　　·壓力腳襯套夾緊力以100~500N 的氣動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；
　　·鉆頭主軸扭矩： 3Nm；
　　·主軸速度：250~10000r/min；
　　·鉆頭夾具接口：HSK32E；
　　·鉆頭進(jìn)給單元；
　　·進(jìn)給速度0~1500mm/min；
　　·锪窩重復(fù)精度：±0.012mm；
　　·涂密封膠裝置；
　　·鉚釘安裝單元，鐓緊力為3t；
　　·除屑和除塵。

　　末端執(zhí)行器裝備有最先進(jìn)的各種電驅(qū)動(dòng)或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的裝置，沒(méi)有使用或提出使用液壓子系統(tǒng)。

3 產(chǎn)品的定位
　　貨艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配公差要求對(duì)內(nèi)蒙皮的實(shí)際位置進(jìn)行探測(cè)，以保持邊距的指定公差，如圖7所示。因此，安裝在末端執(zhí)行器上的激光線傳感器對(duì)定位細(xì)節(jié)或特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，如臨時(shí)鉚釘、孔和邊緣。測(cè)量結(jié)果被用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，以補(bǔ)償實(shí)際產(chǎn)品的位置/ 方向。也可以在兩種測(cè)量細(xì)節(jié)或特點(diǎn)之間插值以確保在一定的區(qū)域內(nèi)有正確的邊距。

4 鉚釘選擇系統(tǒng)
　　該機(jī)器人單元配備了針對(duì)8 種不同鉚釘?shù)木o固件自動(dòng)選擇和輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)按照零件數(shù)控程序?qū)⒕o固件輸送到末端執(zhí)行器上。在夾持產(chǎn)品時(shí)，可以根據(jù)測(cè)量出的厚度決定所用緊固件的長(zhǎng)度。

5 產(chǎn)品運(yùn)載
　　該產(chǎn)品的運(yùn)載裝置能夠裝載兩個(gè)不同的貨艙門，設(shè)計(jì)焦點(diǎn)是產(chǎn)品定位的重復(fù)精度和一個(gè)符合人體工學(xué)的裝卸過(guò)程。產(chǎn)品夾緊單元如圖8所示。
　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　產(chǎn)品夾緊單元

該產(chǎn)品裝載過(guò)程包括兩個(gè)主要步驟：
　　第1步：手工將產(chǎn)品定位在兩個(gè)較低的支撐點(diǎn)上。
　　第2步：通過(guò)氣動(dòng)曲桿夾持產(chǎn)品。

6 控制系統(tǒng)
　　該機(jī)器人單元完全是數(shù)控控制的，所有的功能都可以在一個(gè)單獨(dú)的控制面板上執(zhí)行。

　　末端執(zhí)行器和所有的外圍設(shè)備，包括安全設(shè)備都是通過(guò)安裝在一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)上的BECKHOFF SoftPLC 來(lái)控制的，控制系統(tǒng)配有PROFIBUS 總線和一個(gè)SERCOS 接口，用于與數(shù)字和模擬I / O 裝置以及與數(shù)控軸伺服驅(qū)動(dòng)器的通訊。SERCOS總線的應(yīng)用保證了系統(tǒng)內(nèi)的高性能通訊。這使得無(wú)需硬停機(jī)就可以得到一些諸如控制锪窩精度的特性。

　　操作人員通過(guò)安裝在工業(yè)計(jì)算機(jī)上的單元控制® 軟件（如圖9 所示）來(lái)操控機(jī)器人單元。除了顯示器，單元控制還包含數(shù)控控制系統(tǒng)和用于機(jī)器人定位的高精度組合包。
　　　　　　　　　　　　　　
7 數(shù)控零件編程
　　該項(xiàng)目的另一個(gè)重要特點(diǎn)是對(duì)離線編程和數(shù)控零件編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

　　根據(jù)客戶的要求，選用了一個(gè)基于DELMIA V5 和FasTIP 的解決方案。DELMIA有能力建立起完整的工作單元，定義機(jī)器人的任務(wù)和末端執(zhí)行器，并進(jìn)行仿真和碰撞分析。作為DELMIA 在鉚接解決方案方面的擴(kuò)展，F(xiàn)asTIP為鉚接和多層材料鉆孔在規(guī)劃、編程和驗(yàn)證新零件程序方面提供了加強(qiáng)的功能。PIK是為離線編程系統(tǒng)（OLP）定制的軟件。

　　該項(xiàng)目范圍包括了兩個(gè)貨艙門的PIK 和數(shù)控零件編程的開(kāi)發(fā)。

　　帶有OLP 系統(tǒng)的數(shù)控零件編程要求從CAD 模型中導(dǎo)入加工流程和幾何數(shù)據(jù)。PIK 提供了兩種不同的方法可以從CAD 模型中導(dǎo)入諸如緊固件型號(hào)、材料厚度、材料夾層信息等必需的數(shù)據(jù)。使用包括所有必需數(shù)據(jù)的“用戶已定義特征（UDF）”是第一個(gè)解決方案；另一個(gè)解決方案是從點(diǎn)位信息和附加色彩信息中導(dǎo)入數(shù)據(jù)的自動(dòng)化過(guò)程。

　　內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜外形干涉的貨艙門具有挑戰(zhàn)性，需要一套完整的機(jī)器人和末端執(zhí)行器的仿真。因此，包括碰撞分析的數(shù)控零件程序的離線仿真是作為系統(tǒng)的一部分而提供的。該軟件使客戶能夠快速啟動(dòng)，創(chuàng)建無(wú)碰撞的數(shù)控零件程序。

結(jié)束語(yǔ)
　　這臺(tái)新型機(jī)器人裝配單元通過(guò)采用寶捷公司的精度組合包在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行有效集成，驗(yàn)證了輕型自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目是一個(gè)從基于手工的生產(chǎn)工藝轉(zhuǎn)化為全自動(dòng)輕型自動(dòng)化解決方案的成功案例，解決了復(fù)雜產(chǎn)品可達(dá)性的挑戰(zhàn)。

輕型自動(dòng)化解決方案的優(yōu)勢(shì)是：
　　·低投入；
　　·對(duì)地基的要求最少；
　　·所需占地空間減少了；
　　·投資償還期縮短；
　　·在離線編程系統(tǒng)OLP 下實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞生產(chǎn)。

　　從2009 年4 月以來(lái)，這臺(tái)機(jī)器人單元已成功應(yīng)用到實(shí)行三班倒的生產(chǎn)安排之中。

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