机器人打磨飞机蒙皮环氧树脂涂层工艺研究*

时间：2024-07-28

田凤杰，邓聪，韩晓，李论

（1.沈阳理工大学，沈阳 110159；2.中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳 110016）

民用飞机蒙皮为薄板零件，一般厚度为2～4mm，常采用铝合金或铝锂合金材料[1–2]。飞机作业的环境使飞机蒙皮容易收缩变形，加速老化，适航性能差，因此需要高要求的涂层作为保护[3]。聚氨酯涂层耐磨性好、硬度高，并且漆膜光亮平滑，可以降低飞行阻力，多用作蒙皮面漆；而环氧树脂涂层附着力高、抗腐蚀性强，多作为蒙皮底漆[4]。为了使面漆涂层更好地附着于底漆上，对喷涂后再打磨的环氧树脂底漆的厚度和表面粗糙度有严格的要求，且环氧树脂材料具有的粘黏性导致可打磨性较差，难以获得良好的加工质量[5–6]。

近年来，国内外研究人员相继开展了对飞机蒙皮以及漆层打磨设备的相关研究，而针对飞机蒙皮环氧树脂涂层的打磨工艺研究较少[7–8]。目前主要靠人工打磨，磨削过程很难保证材料去除的一致性和稳定性，且工作环境差，严重影响健康，急需一种自动化打磨设备代替手工打磨作业。针对以上问题本文提出了一种机器人自动打磨方案，并通过Deform软件进行仿真模拟，分析比较各工艺参数对去除深度的影响。利用搭建的机器人自动打磨加工系统，采用单因素试验，研究主要打磨参数对去除深度的影响规律，通过回归数学模型进行理论分析验证，并选取最佳工艺参数进行打磨加工，以获得良好的加工质量。

机器人打磨平台搭建

机器人打磨系统平台主要由库卡机器人、控制柜、ATI六维力/力矩传感器、计算机、打磨工具和工作台等组成，如图1所示。打磨工具选用费斯托偏心振动打磨机，通过专用夹具连接到传感器，传感器通过法兰盘安装到机器人末端执行器，如图2所示。传感器通过实时采集其坐标系下x、y、z3个方向的打磨压力值，实现在线测量打磨压力的大小，并将测量数据输送到计算机。计算机将接收的数据进行运算处理，再将信息发送给机器人控制柜，进行调节补偿打磨工具与环氧树脂涂层间的距离，实现恒力打磨。试验材料为铝基材涂覆环氧树脂涂层，尺寸300mm×300mm×2mm。测量仪器为希玛AR932复合型涂层测厚仪。

图1 机器人打磨系统Fig.1 Robot grinding system

图2 打磨工具三维图及实物图Fig.2 Grinding tool 3D map and physical map

磨抛盘磨削工件模型建立与仿真分析

1 磨抛盘去除深度模型建立

目前，对于柔性打磨去除深度模型的建立多基于Preston理论，其标准方程式为[9]：

打磨过程中，磨抛盘与工件垂直接触，接触区域为圆形，如图3所示。设接触区域的半径为R；AB上任意一点与圆心夹角为θ；w为磨抛盘打磨的角速度；t1为磨抛盘与工件表面A点刚接触时刻；t2为磨抛盘打磨过程中，工具表面A点到达接触区域AB连线上某一点时的时刻。打磨去除过程相当于一个累加的过程，磨抛盘的向右进给运动相当于接触区域A点向B点运动的过程，则在AB上任意一点到圆心的距离r可表示为：

图3 打磨工具与工件接触形状Fig.3 Contact shape of grinding tool and workpiece

打磨过程中，由于n＞＞vf，则AB上任意一点的瞬时速度v可近似表示为：

设打磨压力为F，则压强为：

式中，A表示接触面积。

将式（3）和（4）代入式（1）中进行积分，得到：

设机器人加工时进给速度为vf，则有：

代入式（5）得最终去除深度函数为：

由此可见，接触区域内去除深度与工具进给速度成负相关，与工具转速及打磨压力成正相关。

2 磨抛盘磨削工件去除仿真

磨抛盘磨削工件的过程相当于多颗磨粒磨削工件表面的材料去除过程，如图4所示。建立磨抛盘和环氧树脂涂层的三维模型，其中环氧树脂涂层20mm×20mm×1mm，磨抛盘弹性海绵φ5mm×1mm，弹性海绵黏附砂纸φ5mm×0.1mm，锥形磨粒大小根据不同粒度号砂纸计算得出。运用Deform软件对三维模型进行网格划分，并设定合适的模拟步数、边界条件等进行仿真，模拟仿真表面形貌如图5所示。分析模拟加工过程中各打磨参数对去除深度的影响如下。

图4 多颗磨粒磨削示意图Fig.4 Schematic diagram of multiple abrasive grains grinding

图5 模拟仿真形貌Fig.5 Simulation morphology

（1）打磨压力F对去除深度的影响。

取砂纸粒度M= 80，工具进给速度vf=10mm/s，工具转速vs=10000 r/min，打磨压力F= 3～20N，对环氧树脂涂层进行仿真模拟。如图6（a）所示，随着打磨压力增加，材料去除深度有递增趋势，求得去除深度随打磨压力变化的斜率k= 0.8683。

（2）进给速度vf对去除深度的影响。

取砂纸粒度M= 80，打磨压力F=10N，工具转速vs=10000r/min，工具进给速度vf= 5～25mm/s，对环氧树脂涂层进行仿真模拟。如图6（b）所示，随着进给速度增加，去除深度有递减趋势，求得去除深度随工具进给速度变化的斜率k=–0.624。

（3）磨料粒度对去除深度的影响。

设工具进给速度vf= 10mm/s，打磨压力F= 10N，工具转速vs=10000 r/min，砂纸号为80#、120#、180#、240#和320#，对环氧树脂涂层进行仿真模拟。如图6（c）所示，随着磨料粒度的增加，材料去除深度有递减的趋势，求得去除深度随磨料粒度变化的斜率k=–0.2238。

（4）工具转速vs对去除深度的影响。

取砂纸粒度M= 80，打磨压力F=10N，工具进给速度vf=10mm/s，工具转速vs=7000～10000r/min,对环氧树脂涂层进行仿真模拟。如图6（d）所示，随工具转速增大，去除深度有递增的趋势，求得去除深度随工具转速变化的斜k= 0.0189。

根据仿真曲线斜率大小，得到各工艺参数对材料去除深度影响从大到小依次为：打磨压力＞进给速度＞磨料粒度＞工具转速。

试验验证

1 评价指标回归数学模型的建立

根据理论研究、仿真分析和前期试验测试，试验工艺参数选取见表1。打磨前用涂层测厚仪分别测量各工件表面20个样本点的厚度值，打磨后再次分别测量各工件表面样本点的厚度值并对数据进行处理，去除异常点，计算各样本点厚度差并取平均值，即平均去除深度值。

表1 磨抛盘磨削试验方案及试验结果Table 1 Disc grinding test scheme and test results

根据试验数据绘制各工艺参数对去除深度的影响规律曲线如图6所示，经计算得各试验曲线斜率为：

图6 主要工艺参数对去除深度的影响Fig.6 Influence of main process parameters on removal depth

kF= 0.9031，kVf=–0.724，kM=–0.2346，kvs= 0.0206。即试验中各工艺参数对材料去除深度影响从大到小依次为：打磨压力＞进给速度＞磨料粒度＞工具转速，与仿真结果一致。

设去除深度的回归数学模型[10]为：

式中，c，k，t，p，q为回归待定系数。

将式（8）两边同时取对数得：

令lnH=y，lnc=b0，lnF=x1，lnvf=x2，lnvs=x3，lnM=x4，k=b1，t=b2，p=b3，q=b4，则对应的线性回归曲线方程为：

式中，y为评价指标；x1、x2、x3、x4为4个自变量。

代入19组试验数据可建立线性回归方程为：

矩阵方程可表示为：

式中，ε为试验误差；Y为19组试验所测去除深度值组成的数值矩阵，可表示为：

由最小二乘法可得：

最终求解得到回归数学模型：

2 显著性检验与验证试验

为了验证式（14）去除深度数学模型的准确性和可靠性，运用SPSS软件，输入变量为磨料粒度M、打磨压力F、进给速度vf、工具转速vs进行显著性检验，验证结果如表2和3所示。

由表2可以看出了4个主要工艺参数对去除深度变化的影响值是92.8% ＞ 70%，即磨料粒度、打磨压力、进给速度和工具转速4个工艺参数能够明显反映去除深度变化，试验工艺参数的选取可靠。德宾–沃森（DW）为2.009（1.98 ＜ DW ＜ 2.02），则去除深度回归数学模型是可靠的。由表3可以看出，各工艺参数的显著性P= 0或0.001＜ 0.05，故工件去除深度回归数学模型是高度显著的。各工艺参数对工件去除深度影响程度依次为，打磨压力（|t| = 6.097）＞进给速度（|t| = 5.396）＞磨料粒度（|t| = 3.769）＞工具转速（|t|= 2.737），数学模型预测结果与仿真和试验结果一致。

表2 模型摘要分析表Table 2 Model summary analysis table

表3 回归系数分析表Table 3 Regression coefficient analysis table

为了进一步验证数学模型准确性，做了进一步试验验证，试验参数及结果如表4所示，预测值与试验值误差在±7%以内，表明了该数学模型的有效性。

3 稳定性试验验证

根据表4去除深度回归数学模型预测值与试验值误差百分比，选取误差最小的编号为2的工艺参数组合：砂纸粒度为80，打磨压力5N，工具转速10000r/min，工具进给速度10mm/s，进行7次打磨加工试验。

表4 验证试验误差百分比Table 4 Verification test error percentage

打磨前后分别用涂层测厚仪测量工件表面10个等间距样本点的厚度值，如图7（a）和（b）所示，随后计算10个样本点打磨前后的厚度差并取平均值，则得到一次打磨试验时的去除深度平均值，最后重复7次试验得到表5所示的7组平均去除深度值。随机选取其中一次试验，图7（c）和（d）分别是打磨过程和打磨前后对比图，将打磨前后各样本点涂层厚度的记录值绘制成表6，图8是对应表6的数据分析曲线。

图8 单次打磨前后涂层厚度对比图Fig.8 Comparison of coating thickness before and after single grinding

表5 多次试验去除深度平均变化值Table 5 Removal depth average change of multiple tests μm

表6 单次打磨前后涂层厚度对比Table 6 Comparison of coating thickness before and after single grinding μm

由测试结果可以看出，经7次同组工艺参数重复打磨试验得到去除深度平均变化值在4.9～5.2μm之间，在单次打磨试验中，打磨前后涂层厚度平均值由56.3μm降至51.2μm，极差由初始10.1降至6.0，方差由初始12.12降至5.31，涂层表面一致性提高，并且涂层去除深度稳定可控，即打磨后表面质量良好，该机器人自动打磨方案可行。