一种用于飞机表面处理的自动地勤系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种与飞机相关联的地面装置，特别是涉及一种用于飞机表面处理的自动地勤系统。


背景技术：

2.包括除漆、打磨、清洗、喷漆、以及表面检查等一系列机械构件的表面处理工作，劳动量大、工作环境恶劣且十分单调，由人力去做这些工作，不仅对工作人员的身心均造成较大的伤害，而且效率低下，质量也没法保证。因此机械构件的表面处理，目前大部分情况下已由各种各样的工业机器人来进行。
3.最常见的工业机器人便是汽车喷漆用的喷涂机，包括往复机、采用仿形导轨的硬仿形喷涂机、以及由计算机控制喷涂轨迹的软仿形喷涂机三类，其中以软仿形喷涂机所需的自由度最多，其用于汽车喷涂时，一般需要至少三个自由度，同时往往还需要汽车本身跟随喷涂机的喷头进行一定的姿态调整。
4.相较于外形相对简单的汽车，飞机的外形更为复杂，喷涂时需要的自由度更多；并且飞机很重且强度较低，不能像汽车那样跟随着喷涂机的喷头进行姿态调整，且不能像汽车那样精确地移动到设计的工作位置，这进一步提升了对喷涂机自由度的需求，现有的工业机器人无法在飞机这个尺度上满足自由度的需求，无法用于飞机整体的表面处理。因此，现有的飞机目前依然全部采用人工的方式进行表面处理，依靠具有20个以上的自由度的人臂来满足飞机喷涂对喷枪的自由度的需求。
5.相较于汽车，飞机上喷涂的标识是有功能的，除了型号、国籍、以及航空公司的标识之外，还包括发动机上的警示标识、干线/支线标识等，一旦飞机的功能、航班或者是归属的航空公司等发生了变化就需要批量更换，且即使未发生大的变动，每五年依然需要重新喷涂。而靠人工去完成飞机的重新喷涂，效率极低。2013年，阿联酋航空的21架飞机的重新喷涂工作，整个机库昼夜不停的连续工作了273天才完成。目前单架飞机的喷涂工作的最短时长世界纪录由海南海航斯提斯喷涂服务有限公司于2015年创造，时间是6天——仍然是一个难以让人接受的数值。
6.随着计算机技术的发展，现有的多轴联动数控机床，已经能够在cae和cam技术下做到自动生成走刀脚本以加工复杂的机加件。


技术实现要素：

7.本实用新型提供一种用于飞机表面处理的自动地勤系统。
8.解决的技术问题是：飞机的外形复杂、自重大、强度低，不能采用工业机器人进行喷漆等表面处理工作，采用人力进行飞机表面处理时效率很低，导致飞机长时间处于维护状态而不能发挥作用。
9.为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：一种用于飞机表面处理的自动地勤系统，用于对飞机整体或局部进行表面处理；包括表面处理设备、用于带动表面处
理设备进行表面处理的机械臂、用于带动机械臂在三维空间进行长距离位移的伺服平台、用于对飞机进行建模的三维扫描仪、用于确定飞机停放位置以及姿态的姿态定位仪、以及分别与上述各部件电连接的自动控制系统；
10.所述表面处理设备为清洗设备、打磨设备、除漆设备、喷涂设备、以及外观检查设备中的一种。
11.进一步，所述外观检查设备为自动变焦摄像机，所述自动变焦摄像机与图形处理设备电连接。
12.进一步，所述伺服平台绕飞机一周间隔设置，每个所述伺服平台与飞机上一个区域对应、且所有伺服平台均包含3个平移自由度；所述伺服平台包括地轨、垂直于地轨滑动设置在地轨上的活动轨道、以及滑动设置在活动轨道上的升降台；所述活动轨道与地轨、以及升降台与活动轨道分别通过轨道动力装置连接；所述轨道动力装置与自动控制系统电连接。
13.进一步，所述地轨包括多条平行于飞机长度方向设置在飞机左右两侧的机身地轨，以及垂直于飞机长度方向设置在飞机后方的机尾地轨，所述升降台包括设置在飞机左机翼前方的左前升降台、设置在飞机右机翼前方的右前升降台、设置在飞机左机翼后方的左后升降台、设置在飞机右机翼后方的右后升降台、以及设置在飞机尾翼后方的机尾升降台；所述活动轨道包括设置在机身地轨上的机身活轨，以及设置在机尾地轨上的机尾活轨，所述升降台与活动轨道一一对应，所述机尾升降台通过对应的机尾活轨设置在机尾地轨上，其余升降台通过对应的机身活轨设置在机身地轨上。
14.进一步，每根所述机身活轨包括靠近飞机设置的副机身活轨以及远离飞机设置的主机身活轨两个分段，所述副机身活轨与主机身活轨对接连接并通过电控锁定装置锁定、且飞机左右两侧相邻的两个机身活轨上的对接缝的最小间距不小于飞机的最大轮距，所述电控锁定装置与自动控制系统电连接；所述伺服平台系统还包括两条用于将副机身活轨挪动到不妨碍飞机进出的位置的活轨转移轨道，所述活轨转移轨道垂直于机身地轨设置在飞机机头左右两侧、并贴靠位于飞机同一侧的各机身地轨端部设置；所述活轨转移轨道上滑动设置有用于带动副机身活轨移动的电动转移车，所述电动转移车与自动控制系统电连接。
15.进一步，所述升降台上设置有用于防止升降台突然降落的防坠安全器；所述活动轨道、升降台、以及机械臂上分别设置有安全触边，所述安全触边与自动控制系统电连接；所述升降台底部设置有旋转平台a，所述旋转平台a的旋转轴竖直设置、且旋转平台a与自动控制系统电连接。
16.本实用新型一种用于飞机表面处理的自动地勤系统与现有技术相比，具有如下有益效果：
17.本实用新型中，通过对待处理的飞机进行三维扫描生成模型，然后采用cae技术对模型进行网格划分，使标准模型外表面分割成多个大小相同的工作区域，再采用cam技术，生成表面处理设备的路径，将数控车床的走刀脚本的编写技术应用到软仿形中，从而使编写像飞机这样具有复杂形状的物体的软仿形程序成为可能；
18.本实用新型中，通过姿态定位仪对飞机进行位置和姿态定位，然后根据其实际位置调整表面处理设备的路径，从而克服飞机入场后难以像汽车那样精确地移动到设计的工
作位置的问题；
19.本实用新型中，通过设置多个伺服平台来完成飞机的表面处理工作，每个伺服平台对应飞机上的一个区域，从而将整个较为复杂的飞机转化成一个个规模小且外形简单的小工作区，极大地减少了对于飞机喷涂过程中工作平台的自由度的需求，并极大地减少了伺服机构的工作行程；
20.本实用新型中，通过带有三个平移自由度的伺服平台来满足表面处理设备的长程低精度的移动，通过伺服平台上的机械臂来满足表面处理设备短程高精度的移动与旋转，从而将每个伺服平台所对应的飞机区域进一步细化为结构更简单的小区域，允许机械臂在一个小区域工作完成后在伺服平台带动下进行下一个区域的工作，机械臂所需的自由度大为减小，常规的六关节机械臂即可满足需求；同时编写表面处理设备的路径的难度大为减小，无需进行复杂的插补；
21.本实用新型克服了多个伺服平台一同工作时相互干扰、以及干扰飞机进出的问题，将整个工作区域划分为机身左右两侧和机尾三个相互隔绝的区域，机身每侧又由机翼隔开成前后两个区域，合计为左前、右前、左后、右后、机尾五个由飞机部件隔开的区域，从而极大程度上避免了各个伺服平台的相互干扰；同时还针对可能影响到飞机进出的部件（副机身活轨）设计了活轨转移轨道，使之能在飞机进出时转移到别处；
22.本实用新型中包含一系列防碰撞、防跌落装置，从而克服了伺服机构工作行程较长时可能出现的碰撞以及突然跌落问题。
附图说明
23.图1是本实用新型一种用于飞机表面处理的自动地勤系统在使用时的操作流程图；
24.图2是本实用新型一种用于飞机表面处理的自动地勤系统的结构示意图；
25.图3是左前升降台的结构示意图，右前升降台、左后升降台、以及右后升降台与左前升降台结构相同，只是设置位置不同，
26.图4是机尾升降台的结构示意图；
27.图5是副机身活轨的结构示意图；
28.其中，1
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飞机，21
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机身地轨，22
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机尾地轨，23
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活轨转移轨道，231
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电动转移车，31
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主机身活轨，32
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副机身活轨，33
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机尾活轨，41
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左前升降台，42
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右前升降台，43
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左后升降台，44
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右后升降台，45
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机尾升降台，5
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旋转平台a，6
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机械臂，7
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表面处理设备。
具体实施方式
29.如图2所示，一种用于飞机表面处理的自动地勤系统，用于对飞机1整体或局部进行表面处理；包括表面处理设备7、用于带动表面处理设备7进行表面处理的机械臂6、用于带动机械臂6在三维空间进行长距离位移的伺服平台、用于对飞机1进行建模的三维扫描仪、用于确定飞机1停放位置以及姿态的姿态定位仪、以及分别与上述各部件电连接的自动控制系统。
30.飞机1在机库中移动依靠牵引车来进行，且由于飞机1重且脆，无法随意调整姿态，很难将其停在一个精确的位置上，因此需要在飞机1入场后进行定位，并根据飞机1的实际
位置调整表面处理设备7的路径。
31.本实施例中，设置有5个伺服平台，分别如下：
32.左前伺服平台，负责飞机1机身左前部分的无人自动化作业，且包括左半部机头和左翼的前半部分工作区域；
33.右前伺服平台，负责飞机1机身右前部分的无人自动化作业，且包括右半部机头和右翼的前半部分工作区域；
34.左后伺服平台，负责飞机1机身左后部分的无人自动化作业，且包括左翼的后半部分工作区域；
35.右后伺服平台，负责飞机1机身右后部分的无人自动化作业，且包括右翼的后半部分工作区域；
36.机尾伺服平台，负责飞机1尾翼的无人自动化作业。
37.表面处理设备7为清洗设备、打磨设备、除漆设备、喷涂设备、以及外观检查设备中的一种。并根据工艺需求安装到机械臂6上。
38.外观检查设备为自动变焦摄像机，自动变焦摄像机与图形处理设备电连接。相较于汽车，飞机1的尺寸要大的多，因此飞机1上存在很多人难以抵达的地方，这个时候采用摄像机以及图像处理设备进行外观检查，效率要高得多，且能自动化处理。此外，如果需要对飞机1表面局部的瑕疵进行手动修补，可以无需搭建脚手架或者其它供人到达工作区域的工具，直接手动操纵机械臂6，观察着外观检查设备传来的图像进行操作。本实施例中，外观检查设备与图像处理设备通过5g网络进行连接。
39.伺服平台绕飞机1一周间隔设置，每个伺服平台与飞机1上一个区域对应、且所有伺服平台均包含3个平移自由度；也即能够在三维空间中自由移动到任意一点，伺服平台负责长距离的位移，机械臂6负责小范围内的位移和旋转。
40.如图2
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4所示，伺服平台包括地轨、垂直于地轨滑动设置在地轨上的活动轨道、以及滑动设置在活动轨道上的升降台；活动轨道与地轨、以及升降台与活动轨道分别通过轨道动力装置连接；轨道动力装置与自动控制系统电连接。
41.本实施例中，轨道动力装置为由电机带动的齿轮齿条装置，其中，升降台底部的齿轮与活动轨道顶部的齿条啮合，活动轨道底部的齿条与地轨上的齿条啮合。类似于在齿轨铁路上运行的火车，这种轨道动力装置不易发生滑脱，因而精度较高。
42.地轨包括多条平行于飞机1长度方向设置在飞机1左右两侧的机身地轨21，以及垂直于飞机1长度方向设置在飞机1后方的机尾地轨22，升降台包括设置在飞机1左机翼前方的左前升降台41、设置在飞机1右机翼前方的右前升降台42、设置在飞机1左机翼后方的左后升降台43、设置在飞机1右机翼后方的右后升降台44、以及设置在飞机1尾翼后方的机尾升降台45；活动轨道包括设置在机身地轨21上的机身活轨，以及设置在机尾地轨22上的机尾活轨33，升降台与活动轨道一一对应，机尾升降台45通过对应的机尾活轨33设置在机尾地轨22上，其余升降台通过对应的机身活轨设置在机身地轨21上。
43.这种伺服平台的结构能够减少机身地轨21的数量，机身每侧的地轨是共用的。本实施例中采用的升降台是同一种型号，但由于飞机1尾翼是整个飞机1在地面时的最高的位置，因此机尾活轨33要比机身活轨高一些，以满足尾翼的表面处理需求。
44.如图5所示，每根机身活轨包括靠近飞机1设置的副机身活轨32以及远离飞机1设
置的主机身活轨31两个分段，副机身活轨32与主机身活轨31对接连接并通过电控锁定装置锁定、且飞机1左右两侧相邻的两个机身活轨上的对接缝的最小间距不小于飞机1的最大轮距，电控锁定装置与自动控制系统电连接；伺服平台系统还包括两条用于将副机身活轨32挪动到不妨碍飞机1进出的位置的活轨转移轨道23，活轨转移轨道23垂直于机身地轨21设置在飞机1机头左右两侧、并贴靠位于飞机1同一侧的各机身地轨21端部设置；活轨转移轨道23上滑动设置有用于带动副机身活轨32移动的电动转移车231，电动转移车231与自动控制系统电连接。
45.机身活轨垂直于飞机1的行进方向设置，因此其势必会挡到飞机1的进出，本实施例中通过将机身活轨分为两段，将可能被飞机1压到的副机身活轨32做成可转移的，在飞机1进出的时候转移到别的位置。由于活轨转移轨道23与机身地轨21垂直，副机身活轨32底部的齿轮无法在活轨转移轨道23上使用，因此需要在活轨转移轨道23上再设置一个电动转移车231来带动副机身活轨32移动。
46.升降台底部设置有旋转平台a5，旋转平台a5的旋转轴竖直设置、且旋转平台a5与自动控制系统电连接。带动升降台在活动轨道上移动的齿轮设置在旋转平台a5底部。升降台同样基于电机带动的齿轮齿条来进行升降，且整个平台采用配重方式，以减少电机的动力要求。
47.本实施例中，机械臂6为常见的六关节机械臂6，对于结构较为简单的民航客机而言，直接把机械臂6安装到升降台上，即可满足需求。但对于那些有着高机动需求，因此带有复杂的鸭翼、襟翼、边条、以及可动尾翼的战斗机而言，还需要设置额外的旋转平台以增加机械臂6的自由度，为了避免混淆，我们将机械臂6底部设置的旋转平台称作旋转平台b，机械臂6通过旋转平台b架设在升降台上。旋转平台b应带有两个与旋转平台a5不同的旋转自由度，这样旋转平台a5与旋转平台b结合，给机械臂6又添加了三个旋转自由度。
48.升降台上设置有用于防止升降台突然降落的防坠安全器，以避免较为精密的机械臂6在升降台发生突然降落时被摔坏，这是一种较为成熟的安全设备，这里不再赘述其详细结构。
49.活动轨道、升降台、以及机械臂6上分别设置有安全触边，安全触边与自动控制系统电连接。这里是为了避免发生碰撞，本实用新型中，由于有很多长距离移动，因此需要设置这样的安全措施，一旦安全触边检测到碰撞，就立马停止发生碰撞的部件。
50.如图1所示，一种用于飞机表面处理的自动地勤系统的使用方法，用于操作上述的一种用于飞机表面处理的自动地勤系统进行飞机1的表面处理，并包括以下步骤：
51.步骤一：取一架与待处理的飞机1同型号的飞机拖入飞机自动化表面处理系统中，作为标准飞机，用三维扫描仪建立标准飞机的模型，作为标准模型；在飞机自动化表面处理系统现场建立坐标系，用姿态定位仪确定飞机自动化表面处理系统中的标准飞机的位置及姿态，作为标准位置及标准姿态，测完将标准飞机拖出去；
52.由于本实用新型中三维扫描的目的是为了获取轮廓集合数据，飞机1表面的图案不需要。因此三维扫描仪应选用激光抄数机，激光抄数机对于飞机1表面反射率及光滑度的要求不高，并且建模较快。标准模型宜为点云模型，点云模型能够很好地匹配各种cae、cam软件，并且还能用来辅助求取飞机1的位置及姿态偏差。
53.步骤二：根据标准模型、标准位置及标准姿态编写软仿形程序，生成伺服平台的工
作路径作为标准平台路径、生成机械臂6的工作路径作为标准臂路径、并确定表面处理设备7的工艺参数作为处理设备参数；
54.采用cae技术对标准模型进行网格划分，使标准模型外表面分割成多个大小相同的工作区域，然后采用cam技术，生成标准平台路径和标准臂路径。市面上的cae软件和cam软件种类很多，这里不再赘述，实际使用中根据需求自由选择。一个可行的方案选用catia进行网格划分，采用robotmaster生成标准平台路径和标准臂路径。但应注意，飞机1本身以及距飞机1外表面一定范围内应作为危险区域，标准平台路径以及标准臂路径不能与危险区域有交叉，以免发生碰撞。这里的标准平台路径以及标准臂路径都是仅适用于飞机1停靠的位置与标准飞机停靠时的位置及姿态完全相同时的路径，实际使用中，飞机1不可能恰好停靠的如此精准，因此后续还需要进行调整。
55.软仿形程序编写完成后，应建立数据库，将对应型号的飞机1的标准模型、标准模型、标准位置、标准姿态、以及相应的软仿形程序存储起来，以方便以后调用。
56.步骤三：将待处理的飞机1拖入飞机自动化表面处理系统中，用姿态定位仪确定待处理的飞机1的位置及姿态，与标准位置及标准姿态相比较，得出位置偏差与姿态偏差；
57.这里还可以用三维扫描仪对待处理的飞机1进行一次粗略的扫描，并与标准模型相比较，得出形状偏差。但这种方式应用范围很窄，仅需要应用于那些因事故等原因而有一定程度的形变的飞机1。正常的飞机1在生产时公差控制的很严格，相较于标准飞机不会有影响到表面处理设备7路径的形状偏差，是不需要进行这种扫描的。
58.步骤四：根据位置偏差与姿态偏差，修正标准平台路径和标准臂路径，得到实际平台路径和实际臂路径；对于发生过严重形变的飞机1，则需要将形状偏差也考虑进去。这里的实际平台路径和实际臂路径同样不能与危险区域有交叉。
59.步骤五：根据实际平台路径操纵伺服平台、根据实际臂路径操纵机械臂6、并根据处理设备参数操纵表面处理设备7，从而完成飞机1的表面处理。
60.本实施例中，自动控制系统包括上位机以及与一一对应设置在每个受控体中的下位机，其中伺服平台以及机械臂6的下位机为能够输入新程序的单片机，实际平台路径和实际臂路径等软仿形程序输入后能够在接收到上位机的指令后执行软仿形程序。表面处理设备7的下位机同样需要为能够输入新程序的单片机，以喷涂设备为例，处理设备参数中不仅要包含喷漆的压力等简单的参数，还要包含喷漆时应避开的区域，如发动机/雷达等区域，还要根据位置切换不同颜色的漆。此外，自动控制系统还应包含用于测量现场的温度、湿度、及风速等环境参数的环境传感器，以根据环境状况处理设备参数，使修正表面处理设备7在最佳状态下工作。
61.同时，飞机1周围还设置有用于监控伺服平台与飞机1距离的距离传感器，距离传感器与上位机电连接，上位机实时监控其距离信息，如果伺服平台在工作中出现与飞机1过近的情况，则应立马将其停下来。
62.以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。