機器人自動制孔系統(tǒng)應用研究

魏顯奎

摘要：針對我國飛機產品高質、高效自動制孔要求以及飛機研制和生產中對智能自動制孔系統(tǒng)應用的迫切需求，面向異形異質復雜部件的高質、高效自動制孔問題，重點研制多功能末端執(zhí)行器，突破末端執(zhí)行器結構優(yōu)化與集成、視覺定位與補償、孔位法向檢測、壓緊力檢測與控制、機器人自動制孔系統(tǒng)集成控制等關鍵技術，形成機器人自動制孔系統(tǒng)。試驗件的工藝驗證表明，該套機器人自動制孔方案可以滿足產品的加工要求，提升飛機裝配質量和效率。

關鍵詞：自動制孔;末端執(zhí)行器;離線編程;視覺補償;法向檢測;工業(yè)機器人

0 ? ?引言

由于飛機部件裝配生產模式仍然以工人手工群體性作業(yè)為主，在操作工人畫線定位、使用氣鉆等工具進行制孔時，受人員熟練操作程度及個人技能影響，裝配過程中存在制孔一致性差、返工多、效率低等問題，且傳統(tǒng)裝配方法常暴露出干涉不均、毛刺、分層等質量問題，難以滿足部件壁板裝配的精度要求，影響生產效率和裝配質量。

國內外研究機構對機器人自動制孔系統(tǒng)開展了大量研究，國外技術發(fā)展的頂尖水平主要以美國ElectroImpact公司、德國KUKA公司和德國BRTJE公司等為代表，且相關設備已在多款機型上成功應用，提高了裝配工藝水平[1]。但國外設備價格昂貴、交貨期長、維護成本大，核心技術受制于人。國內的研究起步較晚，但經過航空相關科研院所和智能制造企業(yè)的共同努力，已取得初步的研究成果[2]，比如中國航空制造技術研究院、浙江大學、西北工業(yè)大學、上海拓璞數(shù)控科技有限公司等國內單位開展的機器人制孔系統(tǒng)研究。

針對公司飛機壁板組件裝配需求，開展機器人自動制孔設備研發(fā)，通過機器人自動制孔項目的研究，突破末端執(zhí)行器設計與集成、離線編程等關鍵技術，實現(xiàn)了機器人自動制孔在飛機壁板組件上的應用，提高了部件裝配質量及生產效率，降低了成本，提升了企業(yè)的科技創(chuàng)新能力。

1 ? ?機器人自動制孔系統(tǒng)組成

機器人自動制孔系統(tǒng)主要由機器人、車體、末端執(zhí)行器、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

設備加工能力如表1所示。

1.1 ? ?機器人自動制孔系統(tǒng)主要機械組成

1.1.1 ? ?制孔末端執(zhí)行器

制孔末端執(zhí)行器是基于工業(yè)機器人的飛機制孔系統(tǒng)關鍵部件之一，主要由壓腳單元、伺服進給單元、主軸單元、視覺測量單元、法向測量單元、光柵尺檢測單元、排屑裝置和氣動控制單元等多個機械單元構成，如圖2所示。末端執(zhí)行器主要負責系統(tǒng)的加工和信息采集等功能，其重量、結構形式和體積等參數(shù)都會直接影響制孔的質量。機器人與末端執(zhí)行器之間采用懸掛式鏈接，其可達性、可操作性和關節(jié)使用度優(yōu)良。

1.1.2 ? ?可移動式機器人升降第七軸

可移動式機器人升降第七軸是機器人自動制孔系統(tǒng)的重要組成部分，可以根據實際加工需求移動位置，在使用時用自帶的固定機構與地面固定，這樣就能滿足在不同工位上使用的要求。可移動式機器人升降第七軸主要由立柱、滑座、支腿、可升降腳輪、進給軸、光柵尺和操作臺等組成，如圖3所示。

1.2 ? ?機器人集成控制系統(tǒng)組成

機器人制孔系統(tǒng)包含多個硬件系統(tǒng)，每套系統(tǒng)均具有獨立的控制系統(tǒng)，如圖4所示。在制孔過程中，能實現(xiàn)數(shù)字化測量系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制，形成完整可靠的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)高質、高效制孔。

末端執(zhí)行器采用西門子SIMOTION-D數(shù)控系統(tǒng)進行控制，機器人與數(shù)控系統(tǒng)之間采用PROFINET總線進行信號交互，保證了數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性和穩(wěn)定性。

進給運動采用SINAMIC S120交流伺服系統(tǒng)控制，主軸為變頻器控制，數(shù)控系統(tǒng)內置西門子可編程控制器，為設備在可靠工作前提下發(fā)揮其各種功能提供了保證。

采用多源數(shù)據耦合測控的制孔精度實時檢測、制孔質量綜合評估、制孔系統(tǒng)狀態(tài)實時映射與控制等技術，實現(xiàn)機器人、末端執(zhí)行器、工裝間協(xié)同運動及作業(yè)。

2 ? ?機器人自動制孔系統(tǒng)關鍵技術

實現(xiàn)變曲率飛機壁板的自動化制孔，涉及離線編程與仿真技術和末端執(zhí)行器設計技術等多種關鍵技術。

2.1 ? ?離線編程技術

機器人制孔離線編程系統(tǒng)以飛機部件產品的工藝數(shù)模為數(shù)據來源，通過獲取產品的加工孔工藝信息（如孔直徑、孔深、孔位坐標、孔位法向信息等）來實現(xiàn)機器人制孔任務的規(guī)劃。離線編程軟件工作流程如圖5所示。

（1）根據加工孔的類型、尺寸信息完成孔位的篩選，并進行加工排序。

（2）通過關聯(lián)工藝數(shù)據庫，實現(xiàn)由孔位工藝信息自動匹配制孔工藝，并可通過手動添加的方式規(guī)劃制孔工藝。

（3）利用DELMIA的仿真功能對加工任務進行仿真驗證，排除任務規(guī)劃中的不合理之處。

（4）按照加工代碼規(guī)范對離線規(guī)劃的加工任務進行后置處理，輸出符合控制系統(tǒng)要求的機器人制孔程序。

2.2 ? ?末端執(zhí)行器設計技術

2.2.1 ? ?視覺定位補償

視覺系統(tǒng)由智能相機、鏡頭、相機座和環(huán)形光源等組成，如圖6所示。相機對產品上基準釘拍照，獲取二維圖像，并對基準釘邊緣特征進行圓擬合。圖像采集后發(fā)送信號給圖像采集卡，圖像采集卡把模擬信號轉換為數(shù)字信號[3]，通過圖像處理與分析軟件對待測工件的圖像進行分析與計算，計算出基準釘2D坐標值后，將指令發(fā)送給機器人，對要加工的孔位進行修正，保證孔位精度。相機工作流程如圖7所示。

2.2.2 ? ?孔位法向測量

法向檢測單元是末端執(zhí)行器的核心部件，關系到制孔的垂直度，會影響鉚接質量和產品壽命。