黃 希，王 恒，田 威，馬海波

（1. 南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南通 226019；2. 南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

飛機(jī)作為一種復(fù)雜產(chǎn)品，其研制過(guò)程改型頻繁，結(jié)構(gòu)和外形的調(diào)整對(duì)制造設(shè)備的柔性化要求日趨迫切。此外，為了縮短制造周期，節(jié)約成本，在批量生產(chǎn)時(shí)也對(duì)設(shè)備的柔性化提出了技術(shù)需求。飛機(jī)制造質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于裝配，裝配質(zhì)量直接影響到飛機(jī)的總體性能指標(biāo)，因此，飛機(jī)制造對(duì)設(shè)備柔性化和自動(dòng)化的需求最迫切的是裝配系統(tǒng)[1,2]。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛應(yīng)用的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備在提高自動(dòng)化水平和裝配質(zhì)量方面效果突出，但是在柔性化水平上還略顯不足，因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都在探索一種新的柔性裝配系統(tǒng)，其中研究的熱點(diǎn)集中在工業(yè)機(jī)器人載體的應(yīng)用。盡管已有德國(guó)Br?tje和美國(guó)ELECTROIMPACT公司推出了類(lèi)似產(chǎn)品，但在系統(tǒng)定位精度、離線(xiàn)編程、末端執(zhí)行器集成等方面還存在一定的提升空間，同時(shí)這些技術(shù)對(duì)我國(guó)進(jìn)行了封鎖[3]。

本文的目的是為了進(jìn)一步完善柔性裝配系統(tǒng)的理論體系，突破國(guó)外技術(shù)的封鎖，對(duì)系統(tǒng)的組成和工作模式、精度補(bǔ)償以及離線(xiàn)編程等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索，為基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)部件柔性化裝配系統(tǒng)的研制提供理論支持。

1 系統(tǒng)組成與工作流程分析

1.1 柔性裝配系統(tǒng)組成

飛機(jī)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(guò)工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)，連接主要包括制孔和鉚接，由末端執(zhí)行器和自動(dòng)化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)飛機(jī)部件的制造任務(wù)需求和柔性化技術(shù)需求，本文討論的飛機(jī)部件柔性裝配系統(tǒng)主要由柔性工裝、機(jī)器人、末端執(zhí)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(jié)構(gòu)，對(duì)工件的適應(yīng)范圍廣泛；末端執(zhí)行器安裝的機(jī)器人的法拉盤(pán)上，機(jī)器人裝配在地軌的滑臺(tái)上，以便實(shí)現(xiàn)更大的加工范圍，末端執(zhí)行器具備制孔和鉚接功能；激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)坐標(biāo)系關(guān)系建立和機(jī)器人定位精度補(bǔ)償研究。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 系統(tǒng)工作流程分析

根據(jù)對(duì)基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)部件柔性化裝配系統(tǒng)的功能需求分析，系統(tǒng)主要工作包括柔性工裝重構(gòu)任務(wù)、機(jī)器人工作任務(wù)、末端執(zhí)行器任務(wù)三大部分，由于本系統(tǒng)屬于一個(gè)異構(gòu)的、多軸、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)控制流程由工件三維數(shù)模決定，以此為數(shù)據(jù)源生成各個(gè)任務(wù)的控制程序，并最終完成相應(yīng)的生產(chǎn)任務(wù)。

具體工作流程包括離線(xiàn)編程、精度補(bǔ)償和加工三個(gè)階段，詳細(xì)工作流程如圖2所示。首先，根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模分析工裝、機(jī)器人和末端執(zhí)行器的任務(wù)，通過(guò)離線(xiàn)編程平臺(tái)完成對(duì)柔性工裝、機(jī)器人和末端執(zhí)行器的任務(wù)規(guī)劃，接著應(yīng)用精度補(bǔ)償功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的定位精度補(bǔ)償，最后將數(shù)控程序下載到控制器，控制相關(guān)功能部件完成整個(gè)裝配加工流程。

圖2 系統(tǒng)工作流程

2 系統(tǒng)精度補(bǔ)償技術(shù)

2.1 精度補(bǔ)償需求分析

飛機(jī)裝配的精度和制造質(zhì)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(zhì)量以為還包括孔位精度和孔的軸線(xiàn)與蒙皮法向的重合精度（下面簡(jiǎn)稱(chēng)“法向精度”）。其中，系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度與孔位精度相關(guān)，刀具的姿態(tài)定位精度與孔的軸向精度相關(guān)。

根據(jù)系統(tǒng)的組成，其位置定位精度在很大程度上取決于工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)定位精度，但是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人通常強(qiáng)調(diào)重復(fù)定位精度，而絕對(duì)定位精度是其薄弱環(huán)節(jié)，一般在2-3mm左右，無(wú)法滿(mǎn)足飛機(jī)制造的定位精度要求（≤0.5mm），因此通過(guò)一定的技術(shù)手段提高機(jī)器人的絕對(duì)定位精度是一個(gè)重要的技術(shù)前提[4,5]。

法向精度是一個(gè)相對(duì)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(gè)方面：1）系統(tǒng)本身的姿態(tài)定位精度；2）產(chǎn)品物理實(shí)體與CAD數(shù)模的一致程度。

2.2 精度補(bǔ)償方法

根據(jù)上述需求分析，為了確保系統(tǒng)的制造質(zhì)量，必須首先通過(guò)絕對(duì)定位精度補(bǔ)償和法向精度補(bǔ)償發(fā)發(fā)保障系統(tǒng)的位置和姿態(tài)定位精度。

1）絕對(duì)定位精度補(bǔ)償方法

工業(yè)機(jī)器人是一種半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)，其末端關(guān)節(jié)的絕對(duì)定位精度與桿件制造誤差、裝配誤差、負(fù)載變化、環(huán)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(jù)對(duì)影響因素的分析，提出了一套應(yīng)用激光跟蹤儀來(lái)標(biāo)定機(jī)器人定位誤差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其絕對(duì)定位精度的補(bǔ)償。

直接標(biāo)定機(jī)器人末端關(guān)節(jié)定位精度的研究思路，忽略機(jī)器人本體的幾何參數(shù)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)定位誤差的影響，將機(jī)器人視為一個(gè)黑箱結(jié)構(gòu)，通過(guò)先進(jìn)的激光跟蹤儀測(cè)量手段，綜合考慮空間網(wǎng)格、溫度和負(fù)載等影響因素，建立理論定位坐標(biāo)與實(shí)際定位坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得機(jī)器人絕對(duì)定位精度補(bǔ)償模型。

本方法是以機(jī)器人較高的重復(fù)定位精度為基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償后的絕對(duì)定位精度趨近于重復(fù)定位精度為研究目標(biāo)。假設(shè)在一個(gè)足夠小的立方體網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)（如圖3所示），任一點(diǎn)的絕對(duì)定位誤差與網(wǎng)格四周八個(gè)頂點(diǎn)的絕對(duì)定位誤差具有一致性或者內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，探索這一區(qū)域內(nèi)的定位精度補(bǔ)償方法成為可能。通過(guò)測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲得立方體網(wǎng)格頂點(diǎn)空間定位理論坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)，在此基礎(chǔ)上建立網(wǎng)格內(nèi)任一點(diǎn)定位精度的補(bǔ)償模型。

圖3 精度補(bǔ)償基本思想

2）法向精度補(bǔ)償方法

法向精度的誤差主要包括兩個(gè)因素：工件的制造誤差（蒙皮表面）、機(jī)器人的定位姿態(tài)誤差。根據(jù)利用激光跟蹤儀的實(shí)測(cè)，比較好的品牌的工業(yè)機(jī)器人（如KUKA）的姿態(tài)定位精度較高，小于0.1°，這與飛機(jī)制造行業(yè)對(duì)法向精度小于0.5°的要求小很多，因此可以忽略，重點(diǎn)考慮檢測(cè)蒙皮的法向與刀具軸向夾角的方法和補(bǔ)償這個(gè)法向夾角的方法。

根據(jù)上述分析，提出了基于工業(yè)機(jī)器人的法向精度補(bǔ)償方法，在末端執(zhí)行器前端安裝四個(gè)位移傳感器，檢測(cè)距蒙皮的距離，再通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算法向與軸線(xiàn)的偏差，最后計(jì)算機(jī)器人需要調(diào)整的姿態(tài)，以補(bǔ)償上述法向誤差，法向精度補(bǔ)償方法原理如圖4所示。

圖4 法向精度補(bǔ)償方法

3 全軟件數(shù)控系統(tǒng)離線(xiàn)編程技術(shù)

根據(jù)第一節(jié)中對(duì)系統(tǒng)組成和工作流程的分析，該系統(tǒng)屬于一個(gè)異構(gòu)的、多軸數(shù)控系統(tǒng)，需要完成對(duì)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、柔性工裝和地軌的單元的控制任務(wù)，其特點(diǎn)與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)區(qū)別較大。根據(jù)對(duì)當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的分析，構(gòu)建了如圖5所示的全軟件數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)架。全軟件型結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是建立在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器接口基礎(chǔ)上，是全部由軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)功能的系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)具有較好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和可伸縮性，將是未來(lái)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。

圖5 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由于該數(shù)控系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，其控制策略的生成是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，包括了機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人姿態(tài)規(guī)劃、柔性工裝重構(gòu)策略、末端執(zhí)行器任務(wù)規(guī)劃等，而這些策略都直接與加工對(duì)象CAD模型建立關(guān)聯(lián)，基于產(chǎn)品CAD模型的系統(tǒng)控制程序的自動(dòng)生成是系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者對(duì)離線(xiàn)編程技術(shù)進(jìn)行可研究，并取得了一定的進(jìn)展，其研究主要是兩種模式[6,7]：一是在已有CAD平臺(tái)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；二是從幾何建模到上層的軌跡規(guī)劃進(jìn)行全面獨(dú)立開(kāi)發(fā)。這兩種方法盡管都可行，但是前者對(duì)CAD軟件本身的依賴(lài)性較大，后者技術(shù)的穩(wěn)定性和成熟度要差一些。為此，提出了一種類(lèi)似于傳統(tǒng)CAM的數(shù)控編程模式，獨(dú)立開(kāi)發(fā)一套前處理軟件，完成運(yùn)動(dòng)控制軌跡規(guī)劃和工藝規(guī)劃，利用成熟CAD平臺(tái)導(dǎo)出的產(chǎn)品幾何信息和材料信息，并在DELMIA平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證。具體的離線(xiàn)編程流程如圖6所示。首先通過(guò)CAD模型導(dǎo)出加工點(diǎn)位信息和材料信息，然后再前處理軟件中進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、點(diǎn)位規(guī)劃、姿態(tài)規(guī)劃、工藝規(guī)劃和加工參數(shù)規(guī)劃等，最后將生成的控制程序在DELMIA中進(jìn)行驗(yàn)證和反復(fù)修正，并最終生成可用的離線(xiàn)編程程序。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

應(yīng)用以上關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合行業(yè)的實(shí)際需求，實(shí)際開(kāi)發(fā)了一套基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)部件柔性裝配試驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、地軌、工裝、激光跟蹤儀、控制系統(tǒng)等組成，能夠完成壁板的制孔任務(wù)，如圖7所示。

圖6 數(shù)控系統(tǒng)離線(xiàn)編程流程

在該試驗(yàn)系統(tǒng)上，對(duì)常見(jiàn)的航空鋁合金進(jìn)行了制孔試驗(yàn)驗(yàn)證，具體的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在定位精度、加工節(jié)拍、制孔質(zhì)量等方面均能夠滿(mǎn)足行業(yè)需求，為該技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

圖7 飛機(jī)部件柔性裝配試驗(yàn)系統(tǒng)

5 結(jié)論

以工業(yè)機(jī)器人為基本平臺(tái)，與末端執(zhí)行器、地軌及工裝集成，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)裝配的自動(dòng)化和柔性化，極大提高飛機(jī)裝配的質(zhì)量和縮短研制周期。通過(guò)精度補(bǔ)償技術(shù)能夠有效解決機(jī)器人絕對(duì)定位精度低的不足，為將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于飛機(jī)裝配打下了基礎(chǔ)。此外，突破基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)部件柔性裝配系統(tǒng)離線(xiàn)編程技術(shù)也是保證系統(tǒng)方便可靠應(yīng)用的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，在通用CAD軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)前處理編程軟件的開(kāi)發(fā)，能有效解決這一關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際研制的試驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證結(jié)果表明，系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到飛機(jī)制造的精度、質(zhì)量和效率等方面的要求，為技術(shù)的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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