田 威 戴家隆 周衛(wèi)雪 曾遠(yuǎn)帆 廖文和

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)的愈發(fā)成熟，機(jī)器人以其極高的柔性和自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)在飛機(jī)自動(dòng)裝配領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，空客和波音已在飛機(jī)自動(dòng)鉆鉚領(lǐng)域引入機(jī)器人技術(shù)［1－3］。飛機(jī)產(chǎn)品具有尺寸大的特點(diǎn)，往往需要通過(guò)增加外部軸（地軌）來(lái)擴(kuò)展機(jī)器人的工作范圍［4－5］。

為了滿足飛機(jī)裝配對(duì)制孔精度的要求，機(jī)器人系統(tǒng)需要達(dá)到較高的絕對(duì)定位精度，為此要提高機(jī)器人的絕對(duì)定位精度和外部軸的定位精度。Br?tje公司開(kāi)發(fā)的帶擴(kuò)展軸的機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，將地軌作為機(jī)器人的一個(gè)擴(kuò)展軸來(lái)與機(jī)器人的另外6個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)激光跟蹤儀識(shí)別誤差并進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)提高系統(tǒng)的精度。由于該方法中地軌是與機(jī)器人六軸聯(lián)動(dòng)的，因此，為了達(dá)到理想的精度補(bǔ)償效果，要求地軌具備很高的制造精度和安裝精度。盡管這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)絕對(duì)定位精度的提高，但高昂的地軌制造成本和漫長(zhǎng)的安裝調(diào)整周期［6］都極大阻礙了這種方法和技術(shù)的推廣應(yīng)用。

由于機(jī)器人本體具備一定的操作空間，因此，機(jī)器人只需要在地軌上幾個(gè)特定的站位工作，便能實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品整個(gè)加工范圍的覆蓋。在達(dá)到相同定位精度的條件下，分站式工作模式只要識(shí)別特定站位的定位誤差，通過(guò)精度補(bǔ)償方法便能實(shí)現(xiàn)理想的定位效果［7－8］，將在一定程度上降低地軌的制造和裝配質(zhì)量要求，降低系統(tǒng)的實(shí)施成本，縮短實(shí)施周期。本文重點(diǎn)對(duì)機(jī)器人分站式工作模式下任務(wù)規(guī)劃的方法和站位精確定位技術(shù)進(jìn)行研究，以突破分站式機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。

1 自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的組成與工作流程分析

1.1 系統(tǒng)組成

飛機(jī)部件的裝配工作包括定位、夾緊和連接。定位和夾緊主要通過(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、控制器等組成，如圖1所示。柔性工裝為陣列式結(jié)構(gòu)，對(duì)工件的適應(yīng)范圍廣泛；機(jī)器人裝配在地軌的滑臺(tái)上，末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人第六關(guān)節(jié)的法蘭盤(pán)上，具備制孔和鉚接功能。

圖1 柔性工裝系統(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)的功能需求分析可知，系統(tǒng)主要任務(wù)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)。本系統(tǒng)屬于異構(gòu)、多軸、開(kāi)放式的數(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)源規(guī)劃系統(tǒng)加工任務(wù)，并最終生成加工程序。

具體工作流程包括離線編程、精度補(bǔ)償和加工，詳細(xì)流程如圖2所示。首先，根據(jù)產(chǎn)品幾何數(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。

2 機(jī)器人分站式工作模式

目前的商用機(jī)器人控制器一般都預(yù)留了一定數(shù)量的外部軸控制功能，控制系統(tǒng)將根據(jù)程序化的控制策略，自動(dòng)控制外部軸與機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。這種工作模式具有2個(gè)不足：①機(jī)器人本身是一個(gè)較大的質(zhì)量負(fù)載，擴(kuò)展軸在連續(xù)驅(qū)動(dòng)這個(gè)大負(fù)載定位過(guò)程中必然帶來(lái)響應(yīng)速度的降低和能源的消耗；②系統(tǒng)的最終定位精度不僅與機(jī)器人有關(guān)，還與地軌有關(guān)。為了保證系統(tǒng)具有較高的絕對(duì)定位精度，必須提高對(duì)地軌的精度要求，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的成本增加。

圖2 系統(tǒng)工作流程

為了克服傳統(tǒng)帶擴(kuò)展軸的機(jī)器人系統(tǒng)工作模式的不足，尤其是為了適應(yīng)飛機(jī)裝配對(duì)系統(tǒng)高定位精度的要求，筆者提出了一種機(jī)器人分站式工作模式。如圖3所示，機(jī)器人分站式工作模式是指根據(jù)機(jī)器人本體的有效工作范圍，在外部軸上劃分有限個(gè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域確定一個(gè)固定的位置點(diǎn)，作為機(jī)器人在該區(qū)域內(nèi)的站位。

這種工作模式下，控制系統(tǒng)先根據(jù)給定的目標(biāo)位置找到離目標(biāo)位置最近的站位，控制地軌帶著機(jī)器運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)站位。此時(shí)，地軌滑臺(tái)通過(guò)氣動(dòng)導(dǎo)軌制動(dòng)器鎖死在導(dǎo)軌上，以防止機(jī)器人工作時(shí)外部反作用力導(dǎo)致其基坐標(biāo)的移動(dòng)，然后根據(jù)加工任務(wù)的需要控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成機(jī)器人末端的空間定位。當(dāng)待加工點(diǎn)超出當(dāng)前工作范圍時(shí)，機(jī)器人便轉(zhuǎn)站至相應(yīng)的站位，即機(jī)器人在導(dǎo)軌上的移動(dòng)是幾個(gè)固定站位間的切換，這樣就將機(jī)器人在導(dǎo)軌上的連續(xù)運(yùn)動(dòng)離散成不同站位間的轉(zhuǎn)移，因而機(jī)器人在導(dǎo)軌上的位置不再是任意的，而是有限個(gè)站位位置中的某一個(gè)。不同站點(diǎn)上機(jī)器人本體的工作空間可包絡(luò)成基于整個(gè)導(dǎo)軌的工作空間，機(jī)器人系統(tǒng)的工作范圍也得到了充分的延伸。在換站過(guò)程中為了保證外部軸控制的精度和穩(wěn)定性，機(jī)器人始終保持HOME位姿。

3 機(jī)器人轉(zhuǎn)站任務(wù)規(guī)劃方法

機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要由機(jī)器人和多功能末端執(zhí)行器組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)部件的自動(dòng)制孔和鉚接。機(jī)器人的任務(wù)主要是根據(jù)待加工點(diǎn)位信息（位置和姿態(tài)）、工藝要求，依次定位至產(chǎn)品的加工位置，因此，機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的定位序列。由于機(jī)器人空行時(shí)間、換刀因素和特殊工藝要求對(duì)加工效率的影響，在實(shí)際任務(wù)規(guī)劃中，同一個(gè)加工序列往往覆蓋產(chǎn)品較大的工作范圍，需要控制機(jī)器人在不同工作站位之間切換，因此，需要對(duì)機(jī)器人轉(zhuǎn)站機(jī)制進(jìn)行建模和優(yōu)化。

設(shè)定機(jī)器人在地軌上的運(yùn)動(dòng)站位共有n個(gè)，布局如圖3所示，規(guī)定由低站位到高站位的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎筛哒疚坏降驼疚坏倪\(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨?fù)。從圖3可看出，相鄰站位的機(jī)器人自身工作空間包絡(luò)線之間存有一定交集空間，因此轉(zhuǎn)站式運(yùn)動(dòng)中機(jī)器人的實(shí)際工作范圍要小于其自身的工作空間，這樣可有效避免機(jī)器人在工作空間內(nèi)極限位置作業(yè)的情況。

對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品點(diǎn)位的坐標(biāo)信息，確定機(jī)器人應(yīng)首先運(yùn)動(dòng)至地軌上的哪一個(gè)站位來(lái)進(jìn)行加工，因此為減少機(jī)器人轉(zhuǎn)站運(yùn)動(dòng)方向的改變次數(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與定位精度，應(yīng)預(yù)先按照地軌上站位點(diǎn)的分布對(duì)產(chǎn)品待加工點(diǎn)位進(jìn)行分組。

將機(jī)器人在地軌上的運(yùn)動(dòng)方向設(shè)為世界坐標(biāo)系Y軸，相鄰站位之間的距離為l，第1個(gè)站位坐標(biāo)為S0（x0，y0，z0），則第i站位的坐標(biāo)Si（i＝0，1，…，n－1）為

機(jī)器人在第i站位的實(shí)際工作區(qū)域?yàn)?/p>

設(shè)待加工孔位P（xP，yP，zP），通過(guò)式（3）、式（4）判斷該孔位加工所屬的機(jī)器人站位：

則

由于飛機(jī)部件上加工孔數(shù)量較多，為了減少換刀次數(shù)，通常將同一種直徑的孔放在一個(gè)序列中完成，所以機(jī)器人往往要在幾個(gè)站位之間來(lái)回切換。為了優(yōu)化機(jī)器人轉(zhuǎn)站流程，提高機(jī)器人的加工效率，定義Nij為從第i個(gè)待加工孔位運(yùn)動(dòng)到第j個(gè)孔位時(shí)，機(jī)器人在地軌上運(yùn)動(dòng)方向的變換因子，可表示為

用Nalter表示機(jī)器人在滑軌上運(yùn)動(dòng)方向總的改變次數(shù)，可得到機(jī)器人在滑軌上的站位運(yùn)動(dòng)優(yōu)化模型：

機(jī)器人運(yùn)行路徑規(guī)劃過(guò)程中，首先根據(jù)產(chǎn)品加工工藝信息對(duì)產(chǎn)品孔位按類型初步分組，再根據(jù)機(jī)器人在地軌上各站位的工作范圍對(duì)產(chǎn)品孔位進(jìn)行二次分組，站位S0優(yōu)先級(jí)最高，隨著y的增加，站位優(yōu)先級(jí)依次遞減。這種方法能有效保證機(jī)器人在滑軌上的運(yùn)動(dòng)精度與效率。

4 機(jī)器人站位精確定位控制技術(shù)

4.1 轉(zhuǎn)站控制方法

機(jī)器人的外部附加軸一般是由2根直線導(dǎo)軌和1套齒輪齒條機(jī)構(gòu)組成，如圖4所示。導(dǎo)軌在制造和安裝時(shí)的誤差及齒輪齒條之間的間隙，導(dǎo)致地軌上的滑臺(tái)在定位過(guò)程中，不僅存在Y向的定位誤差，還存在姿態(tài)的偏轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致機(jī)器人基坐標(biāo)系Oi0Xi0Yi0Zi0（下標(biāo)i0表示第i個(gè)站位的基坐標(biāo)原點(diǎn)）的平移誤差和偏轉(zhuǎn)誤差。機(jī)器人是一個(gè)串聯(lián)六關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，基坐標(biāo)的微小誤差將被放大到TCP（tool center point），導(dǎo)致最終加工精度的降低，因此，提高對(duì)地軌定位誤差的識(shí)別和補(bǔ)償對(duì)提高整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的精度具有重要意義。

圖4 地軌結(jié)構(gòu)示意圖

分站式工作模式將機(jī)器人在地軌上的工作位置限定在幾個(gè)有限的位置，只需要識(shí)別這些站位滑臺(tái)定位的誤差，通過(guò)補(bǔ)償機(jī)器人基坐標(biāo)系就可以有效提高系統(tǒng)的定位精度。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于機(jī)器人站位精確定位技術(shù)，以此來(lái)提高機(jī)器人在該站位的重復(fù)定位精度。一般采用全閉環(huán)控制方法，通過(guò)位置反饋解決，位置控制精度相對(duì)較高。

飛機(jī)產(chǎn)品一般尺寸比較大，因此地軌也比較長(zhǎng)，通常都在10m以上。為了提高其重復(fù)定位精度，通常在地軌上安裝完整的磁柵尺或者光柵尺，這種方式一方面成本較高，另一方面與分站式的工作模式也不匹配，導(dǎo)致很多區(qū)域的位置檢測(cè)用不到，造成浪費(fèi)。為此，提出了分段式伺服控制方法，如圖5、圖6所示，在導(dǎo)軌上根據(jù)站位安裝小段磁柵尺，讀寫(xiě)頭安裝在滑臺(tái)上。當(dāng)滑臺(tái)移到相應(yīng)站位時(shí)，讀寫(xiě)頭進(jìn)入該站位安裝的磁柵尺讀取范圍，此時(shí)進(jìn)行小范圍的伺服控制，提高地軌在每個(gè)站位上的重復(fù)定位精度。

圖5 分段式磁柵尺安裝方式

圖6 磁柵尺工作原理

磁柵尺被分成離散的幾段后，傳感器讀頭輸出的數(shù)據(jù)將呈現(xiàn)規(guī)律性的曲線特征，控制系統(tǒng)可以根據(jù)具體的數(shù)據(jù)特性判斷機(jī)器人所在的位置，并控制機(jī)器人進(jìn)行快速移動(dòng)（沒(méi)有磁柵尺信號(hào)的區(qū)域）和高精度的伺服定位（有磁柵尺信號(hào)的區(qū)域），如圖7所示。

圖7 轉(zhuǎn)站位置檢測(cè)信號(hào)曲線

4.2 站位精度定位實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)解析相應(yīng)分站點(diǎn)換站NC數(shù)控代碼，并將譯碼后的指令發(fā)送給機(jī)器人控制系統(tǒng)。機(jī)器人控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)外部軸伺服電機(jī)運(yùn)行，帶動(dòng)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人換站。在機(jī)器人接近分站位后，通過(guò)磁柵尺反饋獲得機(jī)器人及其滑臺(tái)在外部軸上的絕對(duì)位置。將此絕對(duì)位置與目標(biāo)定位位置進(jìn)行比較，計(jì)算位置差值，并實(shí)時(shí)發(fā)送控制信息號(hào)，控制流程如圖8所示。

圖8 外部軸精確定位流程

為了驗(yàn)證上述定位控制方法，構(gòu)建了一個(gè)外部軸站位精確定位試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)平臺(tái)主要包括：用于固定磁柵尺傳感器讀頭的緊固夾具、安裝在導(dǎo)軌上的磁條及數(shù)據(jù)采集PLC控制器、編碼器數(shù)據(jù)采集端子模塊等部分，如圖9所示。上位機(jī)控制機(jī)器人外部軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)進(jìn)入磁柵尺檢測(cè)區(qū)域時(shí)，上位機(jī)將會(huì)判斷磁柵尺坐標(biāo)系下，磁柵尺讀頭當(dāng)前所在位置和理論設(shè)定位置的偏差閾值，從而不斷發(fā)送偏差值到機(jī)器人控制器，驅(qū)動(dòng)外部軸向理論位置逼近，并最終完成地軌的精確定位。外部軸分站控制流程如圖10所示。

圖9 外部軸磁柵尺位置反饋控制平臺(tái)

圖10 機(jī)器人外部軸閉環(huán)精確定位控制流程

表1 站位重復(fù)定位誤差試驗(yàn)結(jié)果 mm

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)外部軸采用局部全閉環(huán)控制之后，其定位重復(fù)精度綜合誤差值最大為0.034mm，最 小 為 0.004mm， 平 均 值 為0.019mm，比開(kāi)環(huán)控制條件下的精度0.2mm提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，效果明顯。

5 結(jié)論

（1）分站式工作模式能夠在實(shí)現(xiàn)附加外部軸的機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚工作任務(wù)的同時(shí)，降低對(duì)外部軸（地軌）全行程內(nèi)定位精度的要求，可以縮短設(shè)備安裝調(diào)試周期，減少成本投入。

（2）通過(guò)對(duì)加工點(diǎn)坐標(biāo)與站位坐標(biāo)的建模和轉(zhuǎn)向模型優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人的站位工作任務(wù)規(guī)劃，并優(yōu)化了轉(zhuǎn)站策略。

（3）通過(guò)離散局部閉環(huán)控制的策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人外部軸的站位精確定位。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種控制方法能有效提高地軌的重復(fù)定位精度，從0.2mm提高到0.02mm，效果顯著。

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