带电作业“黑科技”——涂覆机器人，大显身手为飞机穿新衣

文|探墓秘史

编辑|探墓秘史

飞机的密封性对于其安全飞行及飞机寿命有着不可忽视的影响，较差的密封性甚至能够危及飞行员的人身安全。随着复合材料在航空领域使用率的提高，飞机机身壁板、机翼骨架、座舱等大量部件都需要采用胶接方式。

因此，飞机的密封涂胶工作在飞机的装配制造过程中占据非常重要的地位，然而，由于飞机大部件的结构特征多样性、结构尺寸变化繁多、非标性等特点，目前国内涂胶工艺仍主要采用人工作业方式完成，该方式存在涂胶量不均匀、质量一致性差、可操作性差、涂胶材料威胁工人健康等问题，严重制约了我国飞机制造业的发展。

针对传统人工作业方式在自动涂胶时的缺陷，以及当前相关研究中存在的不足，本文开展了多功能末端执行器设计、基准识别与补偿、智能工艺路径规划、高精度自动涂覆控制等关键技术研究，研发了一套面向飞机大部件的密封胶自动涂覆机器人系统。

系统基本组成及工作原理

系统基本组成

密封胶自动涂覆机器人系统如图1所示，主要由龙门架、工业机器人、机器人控制柜、轨道、末端执行器和运动控制系统组成，其中工业机器人安装于龙门架上端，同时龙门架固定于双轴同步运动轨道，从而实现工业机器人系统的八轴联动。

该系统采用卧式姿态进行胶液涂覆，防止涂覆过程中胶液的滴落，减小了重力对自动涂覆过程的影响，并且该龙门悬挂式系统扩展了机器人作业空间，使得在移动站位后也不需重新标定基准坐标系，对于大型复杂部件的自动涂覆应用具有实用性。

末端执行器设计

末端执行器是机器人自动涂覆系统实现自动挤胶、刮胶、基准识别、胶形检测等功能的关键部分，其结构形式直接影响涂胶效率和质量。

为了提高涂胶效率，满足不同涂胶工艺的设备快换，本文按作业流程对功能特性进行了层次划分，采用拓扑技术优化设计，并通过有限元仿真方法对末端执行器的关键结构进行强度校核，设计了一种集成多功能涂覆末端执行器，如图2所示。

末端执行器采用针筒式作业方式，主要由伺服电缸、工业相机、激光轮廓扫描仪、摄像头、180°补偿机构、弹性刮胶片、阀门开关、涂胶头和胶筒组成。多功能末端执行器的工作原理如图3所示。

伺服电缸采用二级伸缩缸体，保证涂胶量在被充分满足的情况下缩短了末端执行器尺寸，节省了安装空间，并且通过推动活塞将胶筒内胶液向下挤出，涂胶头胶嘴将成型胶条涂覆在产品表面，密封容腔内部液体流速低、压力稳定，使得胶量均匀，涂胶质量一致性好、精度高。

另一方面，末端执行器姿态有时无法保证弹性刮片与产品的垂直关系，为补偿机器人在涂胶过程中无法达到的姿态角度，设计了180°补偿机构，其包含的旋转电机让主/从动齿传动装置带动随动支座上的弹性刮胶片和激光轮廓扫描仪绕胶筒轴线旋转，并通过集成控制软件设置涂胶路径中弹性刮片与产品的垂直补偿角度，控制伺服电机运动到精确的角度位置，保证了扫描方向与机器人涂胶方向一致，以及弹性刮片与产品的垂直关系，随即刮胶片可将胶条刮薄为胶层，使得胶层厚度均匀一致。

此外，工业相机用于获取实际产品基准点在图像中的坐标值，实现基准识别功能；激光轮廓扫描仪用于获取胶条形状特征数据，判断胶层质量是否满足加工指标；摄像头用于涂胶过程监控，便于工人观察涂胶现场情况，进一步地，弹性刮胶片、涂胶头可根据不同涂胶工艺、涂胶对象进行快速更换，提高了工作效率，扩大了产品实用性。

集成控制系统硬件组态与软件设计

控制系统硬件组态

本系统采用现场总线模式，由KUKA机器人作为本体承载多功能末端执行器完成涂胶、刮胶等工作。

利用上位机PC集成控制的方式实现运动控制、设备监控、数据传输与存储等功能，EL6695端子模块接入KUKA机器人控制柜中实现机器人系统的内部变量映射，并与汇川PLC控制器利用Ether CAT通信方式实现变量地址映射和参数配置。

同时，控制器与2个伺服轴通过Ether CAT总线协议完成电机高速运动响应控制，其他辅助设备的控制则是采用不同的端子模块接入端子耦合模块中实现。

最后，以交换机作为数据交换中心，上位机PC采用Ethernet/IP工业以太网与激光轮廓扫描仪、工业相机、机器人控制系统和PLC控制器取得链接，从而实现对整个加工系统的集成控制，系统网络拓扑架构如图4所示。

控制系统软件设计

集成控制系统采用分层级模块化的方式构建，总体架构分为4层，即设备接口层、逻辑控制层、数据处理层和用户界面层，如图5所示。

1. 设备接口层。主要包括机器人控制接口、激光轮廓仪接口、相机驱动接口和末端执行器接口。
2. 逻辑控制层。用于实现各设备、装置的工作逻辑与流程控制。其中机器人集成控制模块是将机器人控制接口所支持的功能整合在一起，包括坐标系选择、运行模式显示、程序发送等。

自动涂胶逻辑模块定义了机器人自动涂胶的完整过程，当机器人执行自动涂胶离线程序时，该模块被调用控制机器人与末端执行器协同完成自动涂胶任务；末端执行器逻辑模块用于实现末端执行器中的各装置协同工作，包含各项功能的判定条件和互锁机制设置，保证末端执行器稳定、安全的工作。

数据处理层的作用是对机器人程序中的点位数据、基准识别中的图像数据、工艺参数数据以及与控制逻辑层交互的设备数据进行处理和分析。其中基准识别模块是应用机器视觉技术对工业相机拍摄到的图像进行特征识别与检测，获取基准孔实际坐标值与理论坐标值之间的转换关系；机器人点位修正模块是利用基准识别找到的转换关系对机器人离线编程的理论涂胶点坐标进行修正，得到修正后机器人实际涂胶轨迹。

通信模块主要是包含两条通信主线，第1条通信主线是利用TCP/IP协议获取激光轮廓仪和工业相机的数据，第2条通信主线是基于Mod bus TCP通信协议的应用程序编程接口（API），实现与PLC控制器通信，发送控制指令及读取设备状态等。

用户界面层用于接收用户指令和反馈系统运行状态，实现人机交互功能。

其中的模块均采用WPF与C#语言以面向对象方式编程的窗体模块，各窗体模块为数据处理层、逻辑控制层和设备接口层中各功能模块提供输入，并将执行结果和过程信息进行显示。

该控制软件包含主界面（系统准备）、基准识别、自动涂胶、设备管理、状态监测5个界面，具有维护性高、扩展性强、现场操作人员使用方便等特点，系统的控制软件操作界面如图6所示。

系统工艺流程

自动涂覆机器人系统的工作流程如图7所示，其关键的工艺过程如下：

1. 坐标系标定。为让机器人自动涂胶系统按照规划的路径精确运行，需对现场各设备进行坐标系标定，以获取各设备之间的坐标转换关系。
2. 系统自检。系统上电开启后，系统完成自检工作。自检内容包括伺服电机状态、机器人控制系统状态以及通信现场总线状态等，如果系统自检存在错误需进行故障排查，直到系统自检成功。

1. 系统初始化。为了保证设备的稳定运行和参数配置有效性，需初始化机器人系统与运动控制系统，以及上位机与运动控制系统之间的交互数据，可通过上位机控制软件中的初始化模块完成系统初始化。
2. 生成理论离线编程程序（NC程序）。基于DELMIA平台，采用CAA及VBA两种二次开发技术设计了机器人自动涂胶离线编程软件。

通过在自动涂胶离线编程软件中导入产品数模，采用一种梁肋涂胶机器人末端执行器TCP姿态的计算方法，同时结合轮廓面法向提取技术和涂胶中心线离散规划技术，获得末端执行器TCP的姿态角α、β、γ，并设置涂胶轨迹间距、点位间距、涂胶起始点等工艺参数，生成机器人涂胶离线编程程序。

1. 涂胶工艺参数设置。每一类产品的涂胶工艺参数都存在差异，因此，在机器人进行自动涂胶任务前，需对加工产品的涂胶工艺参数进行设置。
2. 基准识别与误差补偿。由于产品存在制造误差、装配误差、产品放置位置误差等，按照理论离线编程程序进行自动涂胶工作可能造成涂胶轨迹精度差，无法满足涂胶质量。

因此本文根据工业相机拍摄到的基准孔图像，采用模式匹配、特征提取和几何元素拟合方法得到基准孔在涂胶工件中的实际坐标值，并利用奇异值分解算法计算出基准实际位置与理论位置的转换关系，使得机器人的涂胶轨迹与飞机产品外形的相对位置关系与仿真环境中一致。

结论

面向飞机大部件的密封胶机器人自动涂覆系统，设计了集成多功能的柔性涂覆末端执行器来实现自动挤胶、刮胶、基准识别和胶条检测。并通过搭建试验平台验证本文提出的基准识别与误差补偿修正算法的有效性，研究了胶条质量影响因素与工艺参数关系。试验结果表明，涂胶轨迹精度为±0.5mm，胶条精度为±0.5mm，涂胶一致性好，完全满足实际工艺要求。

参考文献

1. 雷沛,曾德标,江开林,等.面向飞机大型成型模具的机器人精整技术研究[J].航空制造技术,2020,63(5):74–79,102.
2. 陈甦欣，汪涛.基于视觉的涂胶质量检测方法[J].组合机床与自动化加工技术,2020(7):138–141.
3. 章易镰 , 范云飞 . 基于伺服驱动的钉孔稳定涂胶方法研究 [J]. 航空制造技术 , 2020, 63(14): 76–81.
4. 许斌 , 周新房 , 王伟华 , 等 . 面向飞机长桁壁板的柔性化机器人涂胶系统 [J].航空制造技术 , 2022, 65(19): 100–106, 118.

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