基于伺服驅動的釘孔穩定涂膠方法研究*

章易鐮，范云飛

（1.上海拓璞數控科技股份有限公司，上海 201108；2.上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

為保證飛機壁板氣密性要求，壁板緊固件通常采用濕安裝工藝，即在緊固件釘孔涂膠，從而實現連接點的密封[1-3]。而目前手工緊固件濕安裝多以手工涂膠為主，隨著航空密封連接技術的大面積推廣應用，手工涂膠勞動效率低、勞動力密集、涂膠質量不穩定的問題越來越突出，尤其在某些要求嚴格的場合，手工涂膠幾乎無法達到要求的質量[4-6]。手工涂膠工藝存在涂膠不均勻、零件表面溢膠、一致性差等問題，不僅一次性合格率低、需要返工，而且后期還存在溢膠清理成本[7]。另外，手工涂膠存在職業危害風險，工人不宜長期作業。針對上述存在的問題，采用自動化涂膠可以高效、高質量完成涂膠作業，且改善了工人作業環境[8-9]。在國內外飛機制造業中，在自動鉆鉚裝備上已應用自動涂膠工藝，然而自動涂膠多采用氣動涂膠，無法精密穩定控制涂膠劑量。以美國的Gemcor公司和Electroimpact公司為例，其在研制的自動鉆鉚機中普遍采用氣動的涂膠系統[10-11]，由于氣壓控制的不穩定性和密封膠隨時間變化而產生的黏度變化，其自動涂膠的一致性較差，需要用戶設置時間函數曲線或經常調整涂膠參數以滿足使用要求。

綜上所述，在航空鉆鉚裝配中，急需開發一種自動化精密涂膠系統來滿足飛機鉆鉚裝配質量的穩定性需求[12]。本文通過伺服電機和伺服電缸組成的伺服直線運動系統進行擠膠，伺服控制器能夠實時監控密封膠擠出量，這種自動化涂膠方式能夠實現穩定、連續涂膠。

1 伺服涂膠系統設計及試驗平臺搭建

1.1 系統

伺服涂膠系統由6 自由度工業機器人、伺服涂膠末端執行器和控制系統等組成，如圖1所示。其中伺服涂膠末端執行器由伺服直線運動系統（伺服電機和伺服電缸）和出膠裝置（伺服推桿、擠膠頭、膠管和膠嘴）兩部分組成，如圖2所示?？刂葡到y通過伺服電機的編碼器讀數實時判斷擠膠頭位置并精確控制擠膠頭位移，從而精確控制出膠量。工作流程如下：

圖1 涂膠試驗平臺Fig.1 Sealant applying experiment platform

（1）機器人將末端執行器送至釘孔位置。

（2）按照上位機設定的參數，伺服電機驅動伺服電缸執行精確的位移運動，通過擠膠頭將密封膠從膠管中擠出設定體積。

（3）機器人帶動末端執行器遠離工件，完成一次釘孔涂膠。

1.2 末端設計計算

設計涂膠膠筒規格為30CC，內徑為22.5mm，規劃單次最小出膠量為0.004mL（擠膠頭進給量為0.01mm時出膠量達到0.00397mL）。

伺服涂膠的擠出力應大于氣動涂膠擠壓力，原氣動擠膠壓力為0.6MPa時，內徑22.5mm 膠筒的對應擠壓力為238N，考慮安全系數1.5，設定擠出力需大于357N，即伺服推桿的設計推力。

選用的伺服電缸為FTP 品牌E53系列，絲桿導程P=10mm，傳動效率η=0.85；推力輸出為F=357N時的電機輸入扭矩應達到0.67N·m，計算如下：

綜上所述，由于氧化石墨烯具有電子遷移率高、比表面積大、表面含氧官能團豐富等優異特質，使復合材料在有機染料的吸附光催化降解領域表現出非常優異的性能。

選用西門子1FK7032-2AK71-1RH0伺服電機，其額定輸出扭矩0.8N·m>0.67N·m，選型滿足要求。此時，伺服電缸的額定推力為427N，可以達到357N的擠出力，滿足設計使用要求。

1.3 上位機軟件開發

圖2 伺服涂膠末端執行器Fig.2 Servo sealant applying actuator

開發了用于系統操作的上位機軟件，界面如圖3所示，包含了伺服涂膠系統用戶登錄界面、伺服涂膠顯示界面（包括狀態、涂膠量、當前位置、速度、位移量）和伺服涂膠設置界面（包括目標涂膠量、速度）。

1.4 用于試驗對比的傳統氣動涂膠系統

傳統氣動涂膠系統采用精密劑量控制器對膠管進氣量進行精密控制，設備主要包括劑量控制器、氣管、涂膠膠管、膠管活塞等，如圖4所示，控制系統將設定的進氣量換算成信號通斷時間以觸發劑量控制器充氣并推動膠管活塞，從而實現氣動涂膠。傳統氣動涂膠系統無法精密控制出膠量，主要原因在于氣動涂膠系統通過氣壓驅動活塞實現擠膠，氣壓恒定的情況下，密封膠的擠出量受密封膠黏度的變化而變化，而密封膠在固化過程中黏度逐漸增大、出膠量逐漸減小，導致涂膠過程不穩定。

2 工藝試驗設計

圖3 上位機界面Fig.3 Host interface

圖4 氣動涂膠裝置Fig.4 Pneumatic sealant applying device

在飛機裝配工藝中，對釘孔涂膠的質量要求為緊固件安裝完成后，釘頭周邊應有連續的密封膠擠出[13]。為達到目標，需要嚴格控制涂膠量和涂膠的均勻性。在涂膠量的控制上，若涂膠量過少，則緊固件和釘孔間無法形成有效的密封層，產品的氣密性無法保證；若涂膠量過多，則緊固件安裝完成后將有大量密封膠擠出，影響自動鉆鉚效果和增加人工清理成本。本文提出的伺服涂膠方法相比傳統的氣動涂膠方法在涂膠量控制上有著明顯優勢，而在涂膠的均勻性控制上，可通過優化膠嘴設計改善密封膠沿釘孔周向流出的一致性來實現，并非伺服涂膠特有的優勢。因此，本文的工藝試驗主要用于驗證涂膠量的穩定性，并分別定量分析伺服涂膠和氣動涂膠在混膠24h 內的涂膠效果。由于釘孔涂膠量難以直接測量，因此，分別在平板試件上進行多次涂膠，稱重記錄每次涂膠后的試件質量變化。規劃工藝試驗分為4個部分：混膠0h伺服涂膠的涂膠情況、混膠24h伺服涂膠的涂膠情況、混膠0h 氣動涂膠的涂膠情況、混膠24h 氣動涂膠的涂膠情況；并定性分析伺服涂膠的釘孔涂膠效果。

2.1 試驗條件

涂膠設備為圖1中的伺服涂膠系統和圖4中的氣動涂膠裝置。密封膠采用PPG的雙組份密封膠，其中A組分為PS870C336654SK，B組分為PS870C336。

為了定量分析涂膠效果，采用厚度為2mm的平板試件，驗證平板狀態下伺服涂膠、氣動涂膠的每次涂膠量，如圖5所示。

在涂膠前和每次涂膠后，采用精度為0.01g的電子秤對試件整體進行稱量，通過質量變化反映每次涂膠量，如圖6所示。

圖5 平板試件Fig.5 Test piece

圖6 精密電子秤Fig.6 High-precision electronic balance

2.2 試驗方法

利用工裝夾持平板試件，在平板試件上模擬實際產品釘孔涂膠，在混膠0h和混膠24h 多次涂膠，驗證伺服涂膠、氣動涂膠下的涂膠量穩定性，如圖1所示，具體步驟如下：

（1）對雙組份密封膠進行混膠后，即刻（即混膠后0h）將密封膠分別裝入伺服涂膠和氣動涂膠膠管中。

（2）稱量并記錄平板試件質量，然后固定于工裝上。

（3）針對伺服涂膠試驗，設置每次涂膠推桿均移動固定位移增量，且每次涂膠后，拆下試件，稱量并記錄試件總重，一共涂膠7次。

（4）針對氣動涂膠試驗，設置氣壓為0.5MPa，每次涂膠保持通氣固定時間，且每次涂膠后，拆下試件，稱量并記錄試件總重，一共涂膠7次。

（5）第2天同一時刻（即混膠后24h），重復步驟2～4，完成試驗。

3 試驗分析

3.1 混膠0h涂膠試驗對比

圖7為混膠0h伺服涂膠、氣動涂膠的試驗效果。通過圖7（a）可以觀察到，伺服涂膠的每次出膠量基本相同，涂膠一致性好；圖7（b）中，氣動涂膠的每次出膠量存在波動，穩定性較差。

圖8為混膠0h伺服涂膠和氣動涂膠累計涂膠與單次涂膠情況對比。從圖8（a）可以看出，伺服涂膠的膠量分布曲線線性度好，涂膠質量穩定、一致，而氣動涂膠的膠量分布曲線線性度較差，涂膠質量穩定性不佳。由圖8（b）可見，伺服涂膠的單次涂膠量波動較小，一致性好，而氣動涂膠的單次涂膠量波動較大，一致性較差。

圖7 混膠0h伺服涂膠和氣動涂膠試驗效果Fig.7 Experimental results of servo and pneumatic sealant application at 0h

3.2 混膠24h涂膠試驗對比

圖8 混膠0h伺服涂膠和氣動涂膠累計與單次涂膠情況對比Fig.8 Comparison of cumulative and single-time sealant application between servo control and pneumatic control at 0h

圖9 混膠24h伺服涂膠和氣動涂膠試驗效果Fig.9 Experimental results of servo and pneumatic sealant application after 24h

圖9為混膠24h伺服涂膠、氣動涂膠的試驗效果，通過圖9（a）可以發現，伺服涂膠的每次出膠量基本相同，涂膠質量一致性好；而圖9（b）中氣動涂膠的每次出膠量波動較大，穩定性較差。

圖10為混膠24h伺服涂膠和氣動涂膠累計涂膠與單次涂膠情況對比。由圖10（a）可見，伺服涂膠的膠量分布曲線仍然具備很好的線性度，涂膠質量穩定、一致，而氣動涂膠的膠量分布曲線線性度較差且較0h 更差，穩定性不佳。由圖10（b）可見，伺服涂膠的單次涂膠量波動較小，而氣動涂膠的單次涂膠量波動較大，一致性較伺服涂膠差。

3.3 混膠0h與24h涂膠情況對比

對伺服涂膠在混膠0h和混膠24h的涂膠情況進行對比，由圖11（a）可以看出，其曲線基本重合，表明伺服涂膠的涂膠膠量受時間的影響小，涂膠穩定。對氣動涂膠在混膠0h和混膠24h的涂膠情況進行對比，如圖11（b）所示，可以看出，氣動涂膠在混膠24h時的涂膠量較混膠0h時的涂膠量明顯減少，受時間影響大。

上述差異的主要原因是：隨著時間的推移，在混膠24h后，密封膠的流動性會變差、黏性增大，相應的出膠阻力增大，使得氣動涂膠在相同氣壓和時間等參數下涂膠膠量減少。而伺服涂膠由于采用位移控制，即保證從膠管擠出的密封膠體積恒定，因此，當密封膠流動性、黏度等特性發生變化時，最終的涂膠膠量依舊保持穩定。

圖10 混膠24h伺服涂膠和氣動涂膠累計與單次涂膠情況對比Fig.10 Comparison of cumulative and single-time sealant application between servo control and pneumatic control after 24h

3.4 典型產品試件釘孔涂膠試驗

選取某典型產品試件，整個過程全部采用程序控制自動涂膠，工業機器人帶動末端執行器按程序自動依次定位到釘孔窩口，自動完成涂膠。試驗結果表明，釘孔窩口涂膠劑量均勻、填充穩定，能夠滿足航空緊固件濕安裝要求，如圖12所示。

4 結論

本文對伺服涂膠系統進行了方案設計和試驗對比分析，主要工作成果包含以下方面：

（1）提出伺服精密涂膠方法并設計制造了伺服驅動涂膠末端執行器，形成了精密伺服涂膠系統。

（2）對伺服驅動的涂膠末端執行器進行了設計選型計算。試驗發現，設計選型和配置滿足自動涂膠需求，可以實現快速、穩定、安全的涂膠作業。

（3）開發了涂膠系統上位機軟件，用于顯示涂膠狀態、已涂膠量、推桿當前位置、速度和位移量，并提供目標涂膠量和推桿速度設置功能。

圖11 伺服涂膠和氣動涂膠混膠0h與混膠24h涂膠情況對比Fig.11 Comparison of servo and pneumatic sealant application at 0h and after 24h

圖12 釘孔伺服涂膠效果圖Fig.12 Servo sealant application for fastener holes

（4）與氣動涂膠系統進行對比試驗，試驗證明，相對于氣動涂膠，伺服涂膠方法能夠持續穩定涂膠且受密封膠隨時間固化的影響較小。

（5）采用伺服涂膠系統對釘孔窩口進行自動涂膠，試驗證明，基于伺服驅動的釘孔穩定涂膠方法能保證窩口涂膠劑量均勻、填充穩定，滿足航空緊固件濕安裝要求。