面向大型衛星的可移動混聯機器人加工技術

張加波，劉海濤，樂毅,3,*，楊繼之，易茂斌，王云鵬，柔磊

1. 中國空間技術研究院 北京衛星制造廠有限公司，北京 100190

2. 天津大學 機構理論與裝備設計教育部重點實驗室，天津 300072

3. 清華大學 機械工程系，北京 100084

隨著中國載人航天和探月工程的全面實施，超大型航天器的研制任務量成倍增加。其尺寸大(直徑>4 500 mm、長度>9 000 mm)、性能高(徑厚比>1 000，整體弱剛性和局部高剛性的復雜結構)、服役難(±200 ℃高低溫交變環境和15年以上設計壽命對尺寸公差要求極其嚴格)的特點及高精、高效的加工需求對制造方法提出了新的挑戰。以某大型衛星裝配過程為例，要求分布在多塊結構板上的安裝面具有較高的形位公差(如共面度、平面度)，且僅憑裝調很難保證載荷面的安裝精度。因此，在整星部裝完畢后，安裝面需進行再加工。

近年來，以移動機器人為代表的小型加工單元被列為2019年度國外國防制造技術動向之一，成為實現大型航空航天零部件高精、高質制造的新趨勢。例如，德國弗勞恩霍夫協會研制出用于飛機機翼加工的移動機器人；華中科技大學丁漢院士團隊針對大型風電葉片加工研制出移動磨拋機器人；浙江大學研制的移動加工機器人設備被應用于飛機機身鉆鉚；天津大學研制出面向大型航天結構件的移動混聯加工機器人。目前，工業機器人加工大型復雜結構件已成為必然趨勢。

移動機器人加工大型航天器的主要難點在于裝備加工精度與制造工藝。Zhao等基于工業數控系統研制了一套可移動機器人加工系統，通過將數控加工工藝方法(如刀具補償、坐標系框架變換等)移植到工業機器人上，使其具備了數控機床的加工能力。在精度補償方面，南京航空航天大學石章虎等開展了基于誤差相似性的移動機器人定位誤差補償技術研究，結果顯示系統綜合定位誤差平均值由補償前的1.045 mm降低到0.227 mm。Susemihl等則使用雙目視覺相機對移動機器人進行引導，將移動機器人的位置精度由1.6 mm降低至0.1 mm，并建立了移動機器人坐標與空客A320機翼的誤差轉換關系。在工藝方面，北京理工大學王西彬等采用機器人行星復合銑削大型鋁合金構件，加工效率提升21.34%以上，表面粗糙度降低幅度超過33.33%。天津大學Xiao等基于Trimule平臺建立了一套雙臂混聯機器人鏡像加工系統用于加工薄壁結構件，能夠將4 mm薄壁件加工精度控制在±0.05 mm以內。漢堡技術大學的Brillinger等為解決移動加工機器人加工過程中測量遮擋問題，提出移動激光跟蹤儀的工藝方法，同時證明了該方法不會影響激光跟蹤儀的檢測精度。

目前的研究主要將可移動串聯機器人應用于大型結構制孔，其定位加工策略以局部法向找正為主。而采用移動式混聯機器人加工大型結構件如衛星等還鮮有報道。因此，提出了一種面向大型衛星整體結構的可移動混聯機器人加工新方法。首先，描述了可移動機器人加工實驗的方案；其次，提出了可移動混聯機器人加工的定位策略；接著，闡述構建移動式混聯機器人加工系統的方法；最后，開展了面向大型衛星結構件的可移動混聯機器人加工實驗。

1 可移動機器人加工定位策略

衛星上存在很多較大的載荷，如太陽翼、數傳天線等，其載荷壓緊面和安裝孔分布在多塊衛星結構板上。即便是由高精度機床加工出的壓緊面，受裝配誤差影響，也很難保證安裝面的尺寸精度。為滿足精度要求，需要在衛星部裝完畢后，對這些安裝面進行再次加工。

目前采用的加工方案如圖1所示，首先在衛星部裝工位完成壓緊面的裝配，然后使用激光跟蹤儀進行精測，測量出壓緊面在整星坐標系下的位置，拆卸下來以后，單獨把這些壓緊面拿到小型數控機床上進行加工，加工完畢后重新安裝到衛星上，并再次使用激光跟蹤儀檢測加工結果是否合格。這種“工位不動，衛星移動”的工藝流程涉及到部裝、機加兩個車間轉運，精測-拆卸-加工-復裝-復測過程，涉及3次基準轉換。

圖1 原加工流程和可移動混聯機器人加工流程對比Fig.1 Comparison of original processing flow and processing flow of using mobile hybrid robot

而采用“衛星不動，工具移動”的可移動混聯機器人加工流程則可以避免工位和基準變化導致的效率和精度的問題。衛星可以在部裝工位保持不動，當壓緊面裝配完畢以后，即可將機器人移動到衛星部裝工位，對衛星進行加工。

在實際的應用中，移動機器人取代了傳統機床加工，而高精度的定位找正是該方法的關鍵。由于移動式機器人的“隨意”移動會使得工件坐標系和機器人坐標系間精確的相對位置關系很難直接確定，因此移動式加工需要首先建立二者間的位置關系模型。

1.1 整星工件坐標系的找正

其中，全局坐標系為激光跟蹤儀自身定義的坐標系框架，是由激光跟蹤儀本身自然生成的坐標系。工件整體坐標系是工件所有加工型面的基準，所有型面的加工尺寸與形位公差都與工件整體坐標系有關，檢測結果也都基于工件整體坐標系，如圖2所示。

圖2 建立整星的工件整體坐標系Fig.2 Establishment of a workpiece coordinate system for Satellite

工件局部坐標系、、…、L、…、L：是工件所有加工型面的局部基準，是每一個加工型面，或臨近的幾個加工型面附近，激光跟蹤儀和移動式混聯機器人視覺相機都能夠拍攝識別的靶標點組構成，一共有個靶標點組則移動混聯加工機器人需要移動次才能加工完成所有型面。靶標點組通常由3～5個相鄰的靶標點組成，這些個標點呈接近三角形的布置方式穩定的粘貼或吸附在加工型面附近非加工區域上。

(1)

(2)

其中：

1=1×1。

1.2 粗定位策略

引入可移動混聯機器人，由于受到全向移動平臺精度的影響，機器人移動至加工對象衛星位置處的定位精度，通常在5～10 mm左右，很難滿足前面所說的0.2 mm以內的公差要求。因此在設計可移動混聯機器人的定位策略時，分成粗定位和精定位兩個步驟，粗定位主要實現可移動機器人的大范圍移動，使得其上安裝的混聯機器人行程，能夠覆蓋局部坐標系下全部加工內容，然后再通過測定局部坐標系相對移動平臺的精確位置，并修正加工程序，完成衛星上結構的精確加工，具體的過程如下：

圖3 移動機器人粗定位后與整星坐標系的關系Fig.3 Relationship between mobile robot and workpiece coordinate system after rough positioning

(3)

粗定位過程，不需要使用精度達到10mm的定位裝備。可以使用室內GPS，基于激光或視覺的同步定位與地圖繪制 (Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)或者基于二維碼導航的方式實現，因為粗定位誤差并不會影響最終的加工精度，這也提高了移動式加工的自適應能力。

1.3 精確定位策略

圖4 移動機器人精確定位后與整星坐標系的關系Fig.4 Relationship between mobile robot and workpiece coordinate system after accurate positioning

(4)

2 加工系統集成

可移動混聯機器人主要由全向移動平臺、混聯機器人、加工主軸和控制系統組成，如圖5所示。其中全向移動平臺為基于麥克納姆輪的全向智能移動平臺，具備全向移動、智能避障、電動升降調平等功能，并為機械臂及其輔助設備提供接口。

圖5 可移動混聯機器人Fig.5 Mobile hybrid robots

除麥克納姆輪外，在全向移動平臺底部，安裝了視覺傳感器，位置控制精度可達到±1 mm，可以滿足粗定位策略的精度要求。全向移動平臺還具備電動升降支腿，當全向移動平臺達到位置后，3條電動支腿下降，形成三點支撐。保證混聯機器人本體在加工過程中的穩定性。電動支腿海配備壓力儀表，可實時監測支腿壓力狀態。

可移動混聯機器人本體部分采用TriMule 800系列五自由度混聯機器人，其由1T2R 三自由度空間并聯機構和A/C 轉頭串接而成。通過標定和剛度補償，其標定方法可以參考文獻[19-20]。其全行程范圍內的定位精度可以達到0.02 mm 以內，完全滿足衛星太陽翼壓緊面加工精度要求。

3 衛星艙體的加工驗證

3.1 加工要求分析

以大型衛星艙體太陽翼壓緊面組合加工為例，開展應用驗證。具體加工要求如圖6所示。其上分布1 600 mm×800 mm的梯形區域內分布了4個60 mm×50 mm的太陽翼壓緊面，分別安裝在衛星結構板1和2上，由于結構板本身存在變形誤差，加上其采用螺孔連接，裝配誤差的疊加導致這4個壓緊面的誤差達到2 mm，難以保證其與整星坐標系±1 mm的尺寸精度、0.5 mm的垂直度和0.2 mm的共面度要求。因此通常在上述壓緊面上留出一定的加工余量，在其裝配完成后整體進行一次加工，保證4個面的尺寸精度滿足設計要求。

圖6 衛星太陽翼壓緊面及其尺寸精度要求Fig.6 Satellite solar wing pressing surface and its dimensional accuracy requirements

3.2 加工系統構建

加工實驗系統如圖7所示，由可移動混聯機器人、激光跟蹤儀和衛星艙體組成。首先由激光跟蹤儀完成衛星整星坐標系的建立，可移動混聯機器人移動至加工工位附近，由于可移動混聯機器人全向移動平臺存在定位誤差，其上所設置的機床坐標系無法與理論位置重合，即機床坐標系和工件坐標系的位姿關系發生了偏移。因此需要將該偏移在數控程序中進行坐標系變換，以此調整刀尖位置。

圖7 加工實驗系統的組成Fig.7 Composition of processing experiment system

通過激光跟蹤儀可實現混聯機器人的精確定位。由于全向移動平臺與機器人本體固聯在一起，激光跟蹤儀測量全向移動平臺上的靶球，并通過機械臂運動學關系的變換，即可得到其刀尖點的精確位置。

驗證實驗所采用的刀具包括兩類。一種是直徑為16 mm的普通合金立式銑刀，另一種是直徑80 mm的自制刮面鏜刀，在鏜桿處安裝菱形車刀片。兩者均采用“Zig”方式加工。由于后者的直徑大于加工面寬度，只加工一行即可覆蓋整個安裝面。驗證實驗的具體參數如表1所示。

表1 實驗參數Table 1 Experimental parameters

圖8和圖9分別是適用上述兩種刀具的加工過程和加工結果，由加工照片得知，刮面鏜刀對于此類“最后一刀”的端面精加工，去除余量不大，粗糙度要比立式端銑刀更好，因此后續4個面的加工均采用刮面鏜刀。圖10是4個面的最終加工結果。

圖8 使用端銑刀加工過程和結果Fig.8 Machining process and results using end milling tool

圖9 使用刮面鏜刀加工過程和結果Fig.9 Machining process and results of scraped boring tool

圖10 最終加工結果Fig.10 The final machining results

3.3 加工結果及分析

加工實驗主要檢測加工表面的平面度、共面度、垂直度等。使用激光跟蹤儀靶球采集4個加工面上的點云數據，每個面上采集約40個點位。并在整星坐標系下完成加工結果分析，整星坐標系的建立方式如圖11所示。

圖11 整星坐標系與測量點云Fig.11 Coordinate system of spacecraft and measurement point cloud

平面度評價結果如圖12所示。采用最小二乘法，保證各點到擬合面的距離平方和最小，計算出各面位置，然后比較測量點到該平面的距離，并取距離的最大值作為評估，4個面的平面度都在0.03 mm以內，證明機器人在進行直線插補運動過程中，擬合的平面較好。此外，相較于普通機床直線插補過程單軸或多軸的運動控制，混聯機器人始終涉及到三個并聯軸的插補運動，較好的平面度指標也驗證了其插補運動的控制性能。

圖12 平面度誤差曲線Fig.12 Flatness error curves

在檢測單個面的平面度后，需要測量4個面共同形成的共面度。評價4個面的共面度，仍采用上述方法，建立最佳擬合面如圖13所示，然后比較測量各點到該平面的距離，并取距離的最大值作為評估，從計算結果得知，共面度達到0.2 mm。

圖13 共面度評價結果Fig.13 Coplanarity evaluation results

在各面的平面度滿足要求的前提下，說明機器人直線插補的精度能夠滿足要求，而影響共面度的因素還有機器人的刀軸進給方向和刀具軸線平行問題。由于混聯機器人刀軸方向并不存在實際軸，因此需要旋轉工件坐標系使其向與刀軸方向重合。

由于太陽翼有指向精度要求，需確保太陽翼壓緊面組合加工滿足位置度指標要求。針對整星基準平面，在建立的整星基準坐標系下記錄4個平面的值。4個平面向最大值和最小值如表2所示。相對于基準的位置度為0.6 mm。

表2 4個凸臺Z向極值坐標Table 2 Z-direction extremes values of four bosses

由檢測結果可知，使用混聯機器人能夠較好的完成衛星整星制造，由于每一顆衛星結構部裝都需要經過該加工過程，因此采用本方法實現衛星整星的制造具有廣闊的應用前景。

4 結 論

1) 相較于傳統方法將衛星轉移至機床上進行組合加工，該方法減少了衛星轉運次數，降低了吊裝風險。

2) 采用初步定位與精確定位相結合的“兩步定位法”大大提高了移動式混聯機器人加工的定位精度，為大型衛星結構件高精、高效加工提供了可行性。

3) 驗證實驗結果顯示，采用刮面鏜刀時可移動混聯機器人加工平面度達到0.08 mm、共面度為0.2 mm、距離公差僅為0.6 mm，均達到衛星太陽翼壓緊面的組合加工要求。