柔性导轨制孔机器人及变刚度技术研究现状

何凤涛,陈爱民,张德远,李少敏,刘春剑,唐 辉

(1.成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610031；2.北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191)

随着航空工业的发展,许多新型、高性能的飞机不断被研发制造,如C919、ARJ21大飞机，歼20战斗机，F35战机等,对于解决低成本、高效蒙皮自动化制孔问题的需求越来越迫切[1-4]。随着机器人、传感器、自动控制及计算机技术的发展,各飞机制造业厂商和科研机构设计制造了相应的自动化制孔设备[5-6]。

目前,中外自动化制孔设备分为大型专用自动化制孔设备、工业机械臂式自动化制孔设备、轻型自动化制孔设备三大类。轻型自动化制孔设备是各种航空制孔设备中较为典型的代表,设备整体重量轻、制作成本低、占用空间小、人力节约,将飞机整机作为工件,实现以小制大[7-8]。在轻型自动化制孔设备中,应用于飞机装配较多的是柔性导轨制孔机器人,操作简单、可自主移动、加工效率高、成本低,受到中外学者及飞机制造商的广泛关注[9-10]。

然而,柔性导轨制孔机器人由于其导轨弯曲适应性不足,限制了其适用不同曲面蒙皮的能力,只适用于在飞机大部件、小曲率表面制孔,如平展机翼、大型机身表面等,对于具有大曲率、双曲度表面不适用,如战斗机内表面、进气道内表面等。如何提高柔性导轨曲面适应能力,同时又能保证导轨具有一定强度的刚性是急需解决的一大难题[11-13]。变刚度技术有效解决刚性与柔性之间矛盾的问题。使导轨具有可变刚度,可提升其曲面适应能力,又能保证导轨具有足够的刚度承载导轨系统的自身重量。借鉴变刚度技术,为具有变刚度功能的刚柔并济导轨的设计和制造提供灵感。变刚度导轨通过负压吸附的方式固定在飞机蒙皮表面,制孔机器人沿着可变刚度柔性导轨前后移动,可实现在曲面蒙皮上的自动化制孔,提高制孔质量和效率,提升其适应不同曲面制孔的能力,扩展其应用范围。

1 柔性导轨制孔机器人研究现状

在现代飞机制造过程中,随着飞机制造周期的缩短以及对生产成本的控制,自动化制孔设备趋向于被小型化、轻便精密制孔工具代替[14-15]。另一方面,由于现代飞行器结构的复杂化,为适应复杂表面的加工要求,制孔设备向着柔性化和钻铆装配一体化的趋势发展。柔性导轨制孔机器人是轻型自主式制孔设备中较为典型的一种,用于飞机装配和制造。导轨通过一系列的真空吸盘固定在飞机表面,制孔机器人沿着导轨移动实现自动化制孔,可以降低工装的难度和精度要求并且将飞机整机作为加工对象可以减少工件的安装时间,从而取代传统的五轴制孔设备,具有操作简单、加工精度高、一致性好等特点[16-17]。

1.1 国外研究现状

在2000年左右,美国波音公司针对大型客机自动化制孔的问题,首次提出了柔性导轨制孔机器人的概念,并且设计制造了世界上首台柔性导轨制孔机器人,主要是针对大型客机机身段以及机翼段等蒙皮表面的自动化制孔,此后美国EI(Electroimpact)、AIT(Advanced Integration Technology)、WCI(West Coast Industries)、西班牙Fatronik、MTorres以及法国Alema等公司相继推出了不同形式的柔性导轨制孔机器人,主要为了适应飞机不同部位蒙皮表面的自动化制孔的需求[18-23]。按照柔性导轨不同的配置形式,主要分为4类,包括双导轨式、宽导轨式、偏置导轨式和高扭矩式，如图1所示。双导轨式柔性导轨制孔机器人主要用于机翼蒙皮等大平缓表面的自动化制孔；宽导轨式柔性导轨制孔机器人导轨之间的跨距比较大,覆盖的制孔区域更大,导轨的安装次数较少,可以一次性较大面积制孔,从而提升制孔效率,适用于具有多列孔的机身对接段区域制孔；偏置式柔性导轨制孔机器人主要是针对飞机边缘蒙皮表面自动化制孔的问题；高扭矩式柔性导轨制孔机器人属于双导轨式的加强版,输出功率大,制孔能力强,主要适用于飞机蒙皮表面较大孔径自动化制孔。

图1 国外柔性导轨制孔机器人Fig.1 Foreign flexible track drilling robot

1.2 中国研究现状

与国外相比,中国学者和飞机制造商对于柔性导轨机器人的研究起步较晚,虽已取得了较大进展,但未实现工程化应用。

在2009年,中国首台柔性导轨制孔机器人由北京航空制造工程研究所研制成功，如图2(a)所示，该设备具有4个自由度,用于大飞机机身对接段等区域蒙皮表面自动化制孔[24-27]；上海交通大学也进行了柔性导轨制孔机器人的研制,开发了一套针对柔性轨道自动制孔系统的专用数控系统如图2(b)所示,该系统以PMAC运动控制器为核心,结合工控机、各种执行元件以及检测元件进行构建[28-30]。

Ma等[31]、李军等[32]成功设计并制造柔性导轨自动化制孔机器人,进行了相关实验,取得了良好的效果,并且提高了制孔的一致性以及制孔精度等加工指标,但离实际生产应用还有一段距离，如图2(c)所示。浙江大学成功研制了环形轨道自动化制孔设备,主要是针对大型飞机机身环形对接区域的自动化制孔[33-36],其中环形轨道与地面连接成为一体,稳定、安全,但设备复杂体积庞大,如图2(d)所示。

图2 中国柔性导轨制孔机器人Fig.2 Domestic flexible track drilling robot

2 柔性导轨机器人结构组成

柔性导轨自动制孔机器人主要由3部分组成,包括带有真空吸盘的柔性导轨、姿态调整单元及制孔单元。如图3(a)所示,制孔设备沿着柔性导轨前后移动,制孔单元姿态通过B轴和Y轴进行调节,制孔单元进行Z向进给,完成钻孔过程。其中,柔性导轨由两根弹簧钢带构成,其下等间距安装真空吸盘,用于吸附飞机待制孔表面,将导轨固定;导轨上安装齿条用于制孔沿着X轴向前后精确移动和定位,如图3(c)所示。

柔性导轨制孔机器人的关键部件之一导轨有两个作用,一是随工件弯曲,二是进行传动和导向。初始状态,导轨是平直的,如图3(a)所示,吸附状态时,导轨弯曲吸附在蒙皮表面。导轨需要具有好的弹性适应蒙皮曲率较大的工件,同时根据传动导向的特点,也需要导轨具有较好的局部刚性,足以承载制孔机器人的重力,不会发生较大的局部变形,影响传动精度。导轨需要刚柔并济,可以从变刚度技术出发,重新设计制造具有变刚度功能的柔性导轨。

图3 柔性导轨制孔机器人结构Fig.3 The structure of flexible track drilling robot

3 变刚度技术研究现状

目前,机器人实现变刚度的方式主要分为两种,一是增加材料之间摩擦力即相互作用,二是实现材料在固态和液态两种变化,实现材料刚度的变化[37-40]。

3.1 材料耦合变刚度

材料耦合变刚度是指在外力的影响下,增加材料之间的拮抗作用,使材料本身稳定,包括颗粒阻塞、层干扰、链状干扰等方式。

3.1.1 颗粒阻塞变刚度

颗粒阻塞是指颗粒状固体在受到限制的环境中其流动性降低而具有较高刚体性的特征。颗粒在柔性薄膜或者气囊包裹下,变形容易；对气囊进行抽气,在大气压力的作用下,颗粒物质之间的相互作用增大,达到一种更加稳定的状态,使得整体的刚度显著增加。颗粒阻塞变刚度是较为常见的变刚度方式,成本低,结构简单易得,能实现较大范围的变刚度[41-44]。

颗粒阻塞变刚度的方式分为主动与被动两种变刚度方式。主动式利用真空泵将密闭腔内的气体抽出,在内外压差的作用下,增大颗粒与颗粒之间以及颗粒与膜之间的的摩擦力,从而增加结构的整体刚度。阻塞过程如图4(a)所示,其刚度变化与颗粒尺寸、颗粒膜厚度、颗粒形状以及负压大小有关[45]。圣安娜学校Ranzani等[46-47]制作了变刚度手术机械臂。香港大学Li等[48]提出一种被动式变刚度方法,如图4(b)所示，通过压缩泵对驱动器的空腔部分进行充气,驱动器会发生弯曲,并且会挤压带有颗粒的腔室,颗粒之间的摩擦力增大,机构整体刚度增加；当柔性驱动器的弯曲程度越大,则驱动器的整体刚度越大。被动阻塞变刚度不需要负压装置即可实现刚度的变化,这是其主要的优点,但变刚度范围较小。

图4 颗粒干扰Fig.4 Particle jamming

3.1.2 基于层干扰变刚度

层干扰变刚度方式与颗粒阻塞变刚度方式类似,主要是在负压作用下,增大层状材料层与层之间的摩擦力,从而提高结构的整体刚度[49-51],如图5所示。当真空关闭时,各层独立弯曲,结构抗弯刚度低。真空条件下,层作为一个黏性单元弯曲,结构具有较高的抗弯刚度。

图5 层干扰Fig.5 Laminar jamming

3.1.3 基于链状干扰变刚度

Jiang等[52]提出了一种新的链状颗粒干扰机制,可实现大范围的刚度瞬时变化，如图6所示,几十个立方颗粒被组装成链状结构(CLS),其中一条线穿过颗粒上的孔。CLS的近端被一个固定结构所约束,而远端是自由的。在自然状态下,由于重力的影响,CLS将沿着颗粒的纵向下垂,如图6(a)所示。然而,当外部拉力作用于线如图6(b)所示。当增加施加在线上的拉力,结构的整体刚度提高。通过理论建模确定了颗粒形成链状结构的最佳组合,并进行实验验证,结果表明,这种新型结构能够实现50.7倍的刚度变化，其不足是需要棘轮结构,需提供额外的拉力。

图6 链状干扰Fig.6 Chain-like jamming

3.2 材料相变变刚度

材料相变变刚度是指在磁场、温度等外界条件的变化,使材料能够在液态和固态两种状态之间进行转化,液态时刚度低,固态时刚度高,从而实现整体结构的变刚度功能。材料相变变刚度分为磁流体变刚度和低温合金变刚度两种方式[53]。

3.2.1 磁流变体变刚度

磁流体被称为磁流变液,它不但有液体材料的流动性,又有具有固态材料的磁性,以及通过改变外加磁场强度改变材料整体刚度的特性。2010年,日本国立科技大学Taniguchi等[54]利用磁流体效应设计并制作了一种能实现变刚度功能的移动式机器人,如图7(a)所示,移动机器人的驱动腿由橡胶包裹的磁流变液构成,如图7(b)所示,通过外加磁场强度的变化可以控制每条腿的变形以及腿的刚度变化,实现整体移动。

图7 磁流体Fig.7 Magnetofluid

2018年,Julie[55]利用3D打印技术打印了一个由塑料管组成的三维晶格结构,将油和微小铁颗粒组成的混合物填充到塑料管中。常态下,微小铁颗粒是在油中随机分布的,混合体是可流动性强。当磁铁靠近晶格结构,微小铁颗粒将均匀排布,使混合体黏稠,流动性降低,从而晶格变硬,实现整体变刚度,如图8所示。

图8 磁流体晶格Fig.8 Ferrofluid lattice

3.2.2 低熔点合金变刚度

低熔点合金变刚度是指利用低熔点合金(熔点低于232 ℃)在不同外界温度的作用下,从固态到液态之间相互转化从而实现变刚度的功能[56-57]。2016年,Farshid等[58]将低熔点合金嵌入软体机械臂中,利用嵌入材料内部的电阻丝加热材料,使材料在固液之间进行转变,进而实现机械臂整体刚度变化。2017年,Hao等[59]、Yuan等[60]将低熔点合金材料嵌入软体机械臂,软体模块包括实现弯曲功能的顶部结构以及实现变刚度功能的底部多层结构,具体如图9所示。将熔点为62 ℃的低熔点合金嵌入硅橡胶体内,并且在不同位置引出四条可以加热的发热导线,将加热电源与任意两条连接,对在不同位置的低熔点合金进行加热,从而实现机械臂的整体刚度的变化。该方法可以产生较大的刚度变化,但加热时间长,相应慢,并且整体的刚度不能再任意范围内变化。

图9 低熔点合金Fig.9 Low melting point alloy

以上几种是机器人常用的变刚度方式。被动阻塞方式通过结构的主动变形,对带有颗粒的腔室进行挤压,实现整体刚度的变化,优点是不需要额外的真空驱动方式,但是会影响整体结构的运动；主动负压阻塞变刚度可实现刚度的任意调节,随真空压力的增大而增大,但需要额外的负压装置,小型化和轻量化是个潜在的问题；层干扰变刚度原理与颗粒阻塞变刚度原理类似,通层干扰方式主要是通过负压作用,增大片状材料层与层之间的摩擦力,整体变刚度的效果较好,但是对整体结构的柔顺性以及适应性有一定的影响；链状干扰变刚度效果好,反应快,但需提供额外的拉力。磁流体及低熔点合金材料是通过增加外界物理场(温度、磁场等),使材料发生固液之间转变,从而实现刚度的变化,但是刚度变化的范围较小。

4 结论

目前中外的航空自动化制孔设备趋于小型化、轻便化,改变传统的以大制小的方式,实现以小制大。柔性导轨制孔机器人作为小型化制孔设备中的典型代表,应用较为广泛,但也存在一定局限性。柔性导轨制孔机器人的关键部件之一柔性导轨,由于材料以及结构的限制,弯曲适应性不足,只适合于飞机大部件、小曲率表面的制孔和装配。导轨需同时具有一定的整体柔性和一定的局部刚性。可以借鉴变刚度技术,重新设计制造导轨,使得导轨刚柔并济,从而提升其适应曲面工件的能力。

变刚度方式主要包括颗粒阻塞、层干扰、链状干扰、磁流体效应、低熔点合金5种方式,每种方式各有优缺点。可根据变刚度范围、制造成本、航空装配实际工况选择合适的变刚度方式,设计变刚度导轨。可以想象,柔性可变刚度导轨,可自适应任何曲率的蒙皮表面,包括单曲率、双曲率和复杂曲率蒙皮表面。同时开发设计新的传动方式,使得制孔机器人能沿着变刚度导轨自由行走,从而实现复杂曲面蒙皮的自动化制孔。