一種八腿真空吸附式制孔系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一種八腿真空吸附式制孔系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在過(guò)去的10年里，以b77、b787、a340、a380和c-17為代表的新型軍民飛機(jī)集中反映了先進(jìn)飛機(jī)配置技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。它體現(xiàn)在基于特定產(chǎn)品數(shù)據(jù)的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，并實(shí)施了數(shù)字尺寸技術(shù)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)模擬和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了裝配過(guò)程的優(yōu)化，應(yīng)用了柔性模塊柔性服裝技術(shù)、加工和檢測(cè)單元。它被集成到一系列自動(dòng)化設(shè)備系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)安裝。世界航空發(fā)達(dá)國(guó)家的飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù),已從由單臺(tái)數(shù)控自動(dòng)鉆鉚機(jī)和數(shù)控托架組成的自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)向有自動(dòng)化裝配工裝、模塊化加工單元、數(shù)字化定位和檢測(cè)系統(tǒng)、復(fù)雜多軸數(shù)控系統(tǒng)和離線(xiàn)編程與仿真軟件等組成的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)發(fā)展。飛機(jī)自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的發(fā)展主要為兩個(gè)方向。一種是成本較高的、適用于批量較大產(chǎn)品的大型專(zhuān)用自動(dòng)化裝配系統(tǒng),如MPAC、VPAC等。另一種是成本較低的、適用于批量較小產(chǎn)品的輕型自動(dòng)化裝配系統(tǒng),該種系統(tǒng)的發(fā)展方向?yàn)檩p型化、柔性化、模塊化,其典型代表有基于工業(yè)機(jī)器臂自動(dòng)裝配系統(tǒng)、柔性軌道自動(dòng)化裝配系統(tǒng)、自主移動(dòng)式自動(dòng)化裝配系統(tǒng)?；诠I(yè)機(jī)器臂自動(dòng)裝配系統(tǒng)是利用市場(chǎng)上通用的工業(yè)機(jī)器臂為設(shè)備本體,配合相應(yīng)的末端執(zhí)行器組成的自動(dòng)化裝配系統(tǒng),是當(dāng)前最多的一種輕型自動(dòng)化裝配系統(tǒng)解決方案,主要系統(tǒng)集成商有寶捷公司、EI公司等。國(guó)內(nèi)有成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司開(kāi)發(fā)的壁板類(lèi)部件/組件/零件數(shù)字化柔性裝配、制孔系統(tǒng),沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的以ABB公司的IRB6640-235/2.25型工業(yè)機(jī)器人為設(shè)備本體的飛機(jī)部件級(jí)機(jī)器人制孔系統(tǒng)等。柔性軌道系統(tǒng)是由波音公司提出的輕型自動(dòng)化裝配系統(tǒng)解決方案,由在產(chǎn)品表面吸附的柔性軌道,在其上有小車(chē)沿軌道滑動(dòng)到相應(yīng)位置,進(jìn)行自動(dòng)化制孔的,EI、AIT、寶捷公司都有成熟的系統(tǒng),北京航空制造工程研究所也已經(jīng)研發(fā)出原型系統(tǒng)。自主移動(dòng)式輕型自動(dòng)制孔系統(tǒng)(爬行機(jī)器人)是一種最新的輕型自動(dòng)化裝配系統(tǒng)解決方案。自主移動(dòng)式輕型自動(dòng)化裝配系統(tǒng)與柔性軌道制孔系統(tǒng)同屬于輕型、柔性自動(dòng)化裝配系統(tǒng),二者都利用真空吸盤(pán)將自身吸附在工件上制孔,這也是與一般的大型數(shù)控自動(dòng)化裝配系統(tǒng)最大的不同。但與柔軌系統(tǒng)相比具有一些重要的優(yōu)點(diǎn),比如設(shè)備安裝簡(jiǎn)單,簡(jiǎn)化了安裝工作及安裝系統(tǒng)所用的工裝,因此投入生產(chǎn)前的準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短,應(yīng)用的靈活性也更高。目前國(guó)內(nèi)外僅有西班牙MTorres公司自行走機(jī)器人開(kāi)始投入應(yīng)用。自主移動(dòng)式輕型自動(dòng)制孔系統(tǒng)符合輕型化、柔性化、模塊化的發(fā)展方向,可實(shí)現(xiàn)幾大目標(biāo):(1)柔性好,可適應(yīng)多種工件,用于多個(gè)項(xiàng)目;(2)實(shí)施周期短;(3)成本較低,采購(gòu)成本和運(yùn)行成本低,可在現(xiàn)有的裝配型架上使用,不需要特別的工裝,對(duì)型架的影響和改動(dòng)最小化;(4)重量輕。1通訊、控制等多學(xué)科的研究自主移動(dòng)式自動(dòng)制孔系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng),涉及到機(jī)械、電子、通訊、控制等多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域。其中機(jī)械系統(tǒng)是自主移動(dòng)式自動(dòng)制孔系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其控制、驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)密切相關(guān),其設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低直接影響到自動(dòng)制孔系統(tǒng)的整體性能,如移動(dòng)、調(diào)姿、進(jìn)給制孔等。1.1標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)自主移動(dòng)本文設(shè)計(jì)的自主移動(dòng)式機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)需滿(mǎn)足的功能:(1)在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)5坐標(biāo)自主移動(dòng):X向移動(dòng)(前進(jìn)方向)、Y向移動(dòng)、Z向(法向)進(jìn)給、A角(繞X軸)側(cè)滾、B角(繞Y軸)俯仰擺動(dòng);(2)能夠保證在倒吊工作面和鉛直工作面上進(jìn)行移動(dòng)和制孔;(3)滿(mǎn)足一定直徑的機(jī)身全環(huán)向位置的制孔;(4)安裝和調(diào)試時(shí)間較短。1.2自主流動(dòng)性狀自動(dòng)制孔系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)綜合考慮輕型自動(dòng)化裝配系統(tǒng)的柔性化、模塊化發(fā)展方向和自主移動(dòng)式機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的功能指標(biāo),自主移動(dòng)式機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)是:(1)考慮其機(jī)身對(duì)接帶全環(huán)向位置制孔的工作環(huán)境、剛度、制孔精度、制孔效率等因素,自主移動(dòng)式自動(dòng)制孔系統(tǒng)采用八腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。(2)移動(dòng)平臺(tái)采用內(nèi)外框交替前進(jìn)的方式移動(dòng)。(3)考慮到平臺(tái)的內(nèi)外框交替移動(dòng)方式和布置的對(duì)稱(chēng)性,采用八足對(duì)稱(chēng)布置于內(nèi)外框的布置形式。(4)腿的機(jī)構(gòu)形式采用升降式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),保證剛性和負(fù)載能力,足部采用真空吸盤(pán)以保證自主移動(dòng)式機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)能夠在倒吊工作面和鉛直工作面上工作。1.3末端執(zhí)行器制孔(1)首先,將自主移動(dòng)機(jī)構(gòu)安放在工件表面,依靠真空吸盤(pán)吸附于工件表面。(2)移動(dòng)時(shí),內(nèi)外框架腿部電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)真空吸盤(pán)交替松開(kāi);在X向電機(jī)和絲杠驅(qū)動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)沿X向的移動(dòng);然后依靠外框架腿部電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)吸盤(pán)沿Z向放下,吸緊;如此重復(fù)直至到達(dá)預(yù)期位置。(3)到達(dá)制孔區(qū)域,在八條腿吸緊后,在內(nèi)框架的制孔范圍內(nèi),未端執(zhí)行器可以通過(guò)內(nèi)部框架的X、Y電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠,沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)至制孔位置。通過(guò)安裝在末端執(zhí)行器安裝板上的末端執(zhí)行器,檢測(cè)制孔位置的法線(xiàn)方向;通過(guò)內(nèi)部框架X、Y絲杠導(dǎo)軌進(jìn)行X、Y方向調(diào)整;通過(guò)八條腿Z向絲杠導(dǎo)軌,進(jìn)行Z向和A、B角(即繞X、Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向)調(diào)整,從而保證主軸與制孔位置法向重合。(4)發(fā)送指令給末端執(zhí)行器制孔。進(jìn)行法向調(diào)整時(shí),通過(guò)框架和腿部連接處的被動(dòng)補(bǔ)償連接件進(jìn)行XY方向的位置補(bǔ)償,這是本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。被動(dòng)補(bǔ)償連接件作為一個(gè)獨(dú)立模塊的優(yōu)點(diǎn)是,其設(shè)計(jì)變動(dòng)不會(huì)影響其他部件,可以根據(jù)法向調(diào)整角度范圍進(jìn)行更換。2封閉形數(shù)學(xué)模型根據(jù)上一節(jié)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可知,自主移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)主要可分為移動(dòng),框架法向調(diào)姿,內(nèi)部框架位置調(diào)整。其中,最為復(fù)雜的是框架法向調(diào)姿運(yùn)動(dòng),該階段機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜,故本節(jié)對(duì)該階段的機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析。自由度分析方法有螺旋理論法、群論和李代數(shù)法、虛位移法等。本文采用虛位移法對(duì)該階段的機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析。虛位移法自由度計(jì)算公式如下F=p∑i=1fi-L∑j=1Κj(1)F=∑i=1pfi?∑j=1LKj(1)式中:i為運(yùn)動(dòng)副數(shù)目;fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度(i=1,2,…,P);j為機(jī)構(gòu)的封閉形數(shù)目;Kj為第j個(gè)末桿的自由度(j=1,2,…,L)。根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析可知,法向調(diào)姿階段中八條腿吸緊,故腿底端的真空吸盤(pán)與工件共同視為機(jī)構(gòu)圖中的機(jī)架。此時(shí),內(nèi)外框相對(duì)固定,可視為同一構(gòu)件。末端執(zhí)行器在內(nèi)框XY向兩自由度的運(yùn)動(dòng)與機(jī)器人的法向調(diào)姿運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立,分析時(shí)可不予考慮。進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)化后,得到的法向調(diào)姿階段機(jī)構(gòu)如圖2所示,該機(jī)構(gòu)為多閉鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)。根據(jù)圖論可知,封閉形數(shù)目:L=P-N+1=28-22+1=7。封閉形依次為:封閉形Ⅰ:1-5-2-16-15-14-1;封閉形Ⅱ:1-5-2-13-12-11-1;封閉形Ⅲ:1-5-2-4-3-1;封閉形Ⅳ:1-5-2-10-9-8-1;封閉形Ⅴ:1-5-2-22-21-20-1;封閉形Ⅵ:1-5-2-19-18-17-1;封閉形Ⅶ:1-5-2-7-6-1。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特殊,在該多閉鏈機(jī)構(gòu)中,各個(gè)單閉鏈之間存在特殊的幾何關(guān)系,使整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)虛約束,宜將所有單閉鏈機(jī)構(gòu)的虛位移矩陣放在同一坐標(biāo)系中統(tǒng)一考慮。取腿Z2的球面副中心點(diǎn)B為共同基點(diǎn),將坐標(biāo)系原點(diǎn)置于其上,建立如圖2所示參考坐標(biāo)系。qBi為B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng),qBj為B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副繞Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng),qBk為B點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)副繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng),q5k為構(gòu)件5沿Z軸方向的滑動(dòng),其他變量意義類(lèi)似。1Ⅰ,1Ⅱ,1Ⅲ,1Ⅳ,1Ⅴ,1Ⅵ,1Ⅶ分別為封閉形Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ斷開(kāi)機(jī)架后的末桿。q5k,q14k,q11k,q3k,q8k,q20k,q17k,q6k為移動(dòng)量,方向?yàn)?0,0,1);q15j,q12j,q4j,q9j,q21j,q18j為移動(dòng)量,方向?yàn)?0,1,0);q16i,q13i,q10i,q22i,q19i,q7i為移動(dòng)量,方向?yàn)?1,0,0);qBi,qFi,qEi,qAi,qDi,qHi,qGi,qCi為轉(zhuǎn)動(dòng)量,其軸線(xiàn)上的單位向量為(1,0,0);qBj,qFj,qEj,qAj,qDj,qHj,qGj,qCj為轉(zhuǎn)動(dòng)量,其軸線(xiàn)上的單位向量為(0,1,0);qBk,qFk,qEk,qAk,qDk,qHk,qGk,qCk為轉(zhuǎn)動(dòng)量,其軸線(xiàn)上的單位向量為(0,0,1)。虛位移矩陣為42×44的矩陣,由于矩陣較大,先在統(tǒng)一坐標(biāo)系中分別列出各封閉形的虛位移矩陣,再綜合求秩。由虛位移計(jì)算公式計(jì)算得到各封閉形的虛位移矩陣。封閉形Ⅰ:1-5-2-16-15-14-1δqBiδqBjδqBkδq5kδqFiδqFjδqFkδq14kδq15jδq16iδθx1000100000δθy0100010000δθz0010001000δSx0000000001δSy000000-xF010δSz00010xF0100該矩陣前4列記為B16×4,后6列記為F16×6,則該矩陣記為[B16×4F16×6];同樣可得其他封閉形虛位移矩陣,限于篇幅不一一列出。綜合所有封閉形虛位移矩陣,可得法向調(diào)姿機(jī)構(gòu)的虛位移矩陣M。Μ=[B16×4F16×6B26×4E26×6B36×4A36×5B46×4D46×6B56×4Η56×6B66×4G66×6B76×4C76×5]42×44將各點(diǎn)坐標(biāo)代入矩陣M,求秩得K=41。故L∑j=1Kj=K=4