基于工業機器人的飛機部件柔性化裝配系統研究

黃 希，王 恒，田 威，馬海波

（1. 南通大學 機械工程學院，南通 226019；2. 南京航空航天大學 機電學院，南京 210016）

0 引言

飛機作為一種復雜產品，其研制過程改型頻繁，結構和外形的調整對制造設備的柔性化要求日趨迫切。此外，為了縮短制造周期，節約成本，在批量生產時也對設備的柔性化提出了技術需求。飛機制造質量的關鍵環節在于裝配，裝配質量直接影響到飛機的總體性能指標，因此，飛機制造對設備柔性化和自動化的需求最迫切的是裝配系統[1,2]。目前國內外已經廣泛應用的自動鉆鉚設備在提高自動化水平和裝配質量方面效果突出，但是在柔性化水平上還略顯不足，因此，國內外學者都在探索一種新的柔性裝配系統，其中研究的熱點集中在工業機器人載體的應用。盡管已有德國Br?tje和美國ELECTROIMPACT公司推出了類似產品，但在系統定位精度、離線編程、末端執行器集成等方面還存在一定的提升空間，同時這些技術對我國進行了封鎖[3]。

本文的目的是為了進一步完善柔性裝配系統的理論體系，突破國外技術的封鎖，對系統的組成和工作模式、精度補償以及離線編程等關鍵技術進行探索，為基于工業機器人的飛機部件柔性化裝配系統的研制提供理論支持。

1 系統組成與工作流程分析

1.1 柔性裝配系統組成

飛機部件的裝配工作包括定位、夾緊和連接，其中定位和夾緊主要是通過工裝來實現，連接主要包括制孔和鉚接，由末端執行器和自動化平臺實現。根據飛機部件的制造任務需求和柔性化技術需求，本文討論的飛機部件柔性裝配系統主要由柔性工裝、機器人、末端執行器、地軌、控制器和激光跟蹤儀等組成，如圖1所示。柔性工裝為陣列式POGO柱結構，對工件的適應范圍廣泛；末端執行器安裝的機器人的法拉盤上，機器人裝配在地軌的滑臺上，以便實現更大的加工范圍，末端執行器具備制孔和鉚接功能；激光跟蹤儀實現系統坐標系關系建立和機器人定位精度補償研究。

圖1 系統組成

1.2 系統工作流程分析

根據對基于工業機器人的飛機部件柔性化裝配系統的功能需求分析，系統主要工作包括柔性工裝重構任務、機器人工作任務、末端執行器任務三大部分，由于本系統屬于一個異構的、多軸、開放式數控系統，系統控制流程由工件三維數模決定，以此為數據源生成各個任務的控制程序，并最終完成相應的生產任務。

具體工作流程包括離線編程、精度補償和加工三個階段，詳細工作流程如圖2所示。首先，根據產品數模分析工裝、機器人和末端執行器的任務，通過離線編程平臺完成對柔性工裝、機器人和末端執行器的任務規劃，接著應用精度補償功能模塊實現對機器人的定位精度補償，最后將數控程序下載到控制器，控制相關功能部件完成整個裝配加工流程。

圖2 系統工作流程

2 系統精度補償技術

2.1 精度補償需求分析

飛機裝配的精度和制造質量在很大程度上取決于制孔的精度，制孔的精度除了表征孔的加工質量以為還包括孔位精度和孔的軸線與蒙皮法向的重合精度（下面簡稱“法向精度”）。其中，系統的絕對定位精度與孔位精度相關，刀具的姿態定位精度與孔的軸向精度相關。

根據系統的組成，其位置定位精度在很大程度上取決于工業機器人的絕對定位精度，但是傳統工業機器人通常強調重復定位精度，而絕對定位精度是其薄弱環節，一般在2-3mm左右，無法滿足飛機制造的定位精度要求（≤0.5mm），因此通過一定的技術手段提高機器人的絕對定位精度是一個重要的技術前提[4,5]。

法向精度是一個相對概念，表征的是刀具軸向與待加工的法向之間的偏差。因此，其精度取決于兩個方面：1）系統本身的姿態定位精度；2）產品物理實體與CAD數模的一致程度。

2.2 精度補償方法

根據上述需求分析，為了確保系統的制造質量，必須首先通過絕對定位精度補償和法向精度補償發發保障系統的位置和姿態定位精度。

1）絕對定位精度補償方法

工業機器人是一種半閉環的伺服控制系統，其末端關節的絕對定位精度與桿件制造誤差、裝配誤差、負載變化、環境條件等多因素的綜合影響，主要分為幾何因素和非幾何因素。根據對影響因素的分析，提出了一套應用激光跟蹤儀來標定機器人定位誤差，從而實現對其絕對定位精度的補償。

直接標定機器人末端關節定位精度的研究思路，忽略機器人本體的幾何參數對各個關節定位誤差的影響，將機器人視為一個黑箱結構，通過先進的激光跟蹤儀測量手段，綜合考慮空間網格、溫度和負載等影響因素，建立理論定位坐標與實際定位坐標之間的對應關系，運用神經網絡技術獲得機器人絕對定位精度補償模型。

本方法是以機器人較高的重復定位精度為基礎，以實現補償后的絕對定位精度趨近于重復定位精度為研究目標。假設在一個足夠小的立方體網格區域內（如圖3所示），任一點的絕對定位誤差與網格四周八個頂點的絕對定位誤差具有一致性或者內在的關聯，探索這一區域內的定位精度補償方法成為可能。通過測量實驗獲得立方體網格頂點空間定位理論坐標與實際坐標之間的關聯，在此基礎上建立網格內任一點定位精度的補償模型。

圖3 精度補償基本思想

2）法向精度補償方法

法向精度的誤差主要包括兩個因素：工件的制造誤差（蒙皮表面）、機器人的定位姿態誤差。根據利用激光跟蹤儀的實測，比較好的品牌的工業機器人（如KUKA）的姿態定位精度較高，小于0.1°，這與飛機制造行業對法向精度小于0.5°的要求小很多，因此可以忽略，重點考慮檢測蒙皮的法向與刀具軸向夾角的方法和補償這個法向夾角的方法。

根據上述分析，提出了基于工業機器人的法向精度補償方法，在末端執行器前端安裝四個位移傳感器，檢測距蒙皮的距離，再通過數據處理計算法向與軸線的偏差，最后計算機器人需要調整的姿態，以補償上述法向誤差，法向精度補償方法原理如圖4所示。

圖4 法向精度補償方法

3 全軟件數控系統離線編程技術

根據第一節中對系統組成和工作流程的分析，該系統屬于一個異構的、多軸數控系統，需要完成對機器人、末端執行器、柔性工裝和地軌的單元的控制任務，其特點與傳統數控系統區別較大。根據對當前數控技術發展的分析，構建了如圖5所示的全軟件數控系統構架。全軟件型結構的開放式數控系統是建立在實時操作系統和標準數字伺服驅動器接口基礎上，是全部由軟件實現數控系統功能的系統。這種結構的數控系統具有較好的價格優勢和可伸縮性，將是未來開放式數控系統發展的主要方向。

圖5 數控系統結構

由于該數控系統的自身特點，其控制策略的生成是一個技術難點，包括了機器人軌跡規劃、機器人姿態規劃、柔性工裝重構策略、末端執行器任務規劃等，而這些策略都直接與加工對象CAD模型建立關聯，基于產品CAD模型的系統控制程序的自動生成是系統廣泛應用的關鍵。

目前國內也有部分學者對離線編程技術進行可研究，并取得了一定的進展，其研究主要是兩種模式[6,7]：一是在已有CAD平臺上進行二次開發；二是從幾何建模到上層的軌跡規劃進行全面獨立開發。這兩種方法盡管都可行，但是前者對CAD軟件本身的依賴性較大，后者技術的穩定性和成熟度要差一些。為此，提出了一種類似于傳統CAM的數控編程模式，獨立開發一套前處理軟件，完成運動控制軌跡規劃和工藝規劃，利用成熟CAD平臺導出的產品幾何信息和材料信息，并在DELMIA平臺上進行驗證。具體的離線編程流程如圖6所示。首先通過CAD模型導出加工點位信息和材料信息，然后再前處理軟件中進行坐標系轉換、點位規劃、姿態規劃、工藝規劃和加工參數規劃等，最后將生成的控制程序在DELMIA中進行驗證和反復修正，并最終生成可用的離線編程程序。

4 試驗驗證

應用以上關鍵技術，結合行業的實際需求，實際開發了一套基于工業機器人的飛機部件柔性裝配試驗系統，系統包括工業機器人、末端執行器、地軌、工裝、激光跟蹤儀、控制系統等組成，能夠完成壁板的制孔任務，如圖7所示。

圖6 數控系統離線編程流程

在該試驗系統上，對常見的航空鋁合金進行了制孔試驗驗證，具體的技術指標如表1所示，試驗結果表明，該系統在定位精度、加工節拍、制孔質量等方面均能夠滿足行業需求，為該技術的進一步推廣應用打下了良好的基礎。

表1 系統技術指標

圖7 飛機部件柔性裝配試驗系統

5 結論

以工業機器人為基本平臺，與末端執行器、地軌及工裝集成，能夠實現飛機裝配的自動化和柔性化，極大提高飛機裝配的質量和縮短研制周期。通過精度補償技術能夠有效解決機器人絕對定位精度低的不足，為將工業機器人應用于飛機裝配打下了基礎。此外，突破基于工業機器人的飛機部件柔性裝配系統離線編程技術也是保證系統方便可靠應用的一個技術難點，在通用CAD軟件平臺的基礎上，通過對前處理編程軟件的開發，能有效解決這一關鍵技術。實際研制的試驗系統驗證結果表明，系統的技術指標達到飛機制造的精度、質量和效率等方面的要求，為技術的推廣應用打下了基礎。

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