（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

隨著飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，一系列柔性自動化裝備應(yīng)用于飛機構(gòu)件的裝配中。在航空制造業(yè)中，工業(yè)機器人已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，如用于飛機構(gòu)件的自動制孔、自動鉆鉚等工作[1-3]。工業(yè)機器人工作效率較高，善于完成重復(fù)性高、強度大的任務(wù)，適合在生產(chǎn)線上使用，可以大大加快裝配速度，改善裝配質(zhì)量，提升飛機構(gòu)件裝配的數(shù)字化水平。然而，工業(yè)機器人在精度方面表現(xiàn)出一定的局限性，這是由于工業(yè)機器人是一個柔性開環(huán)系統(tǒng)，其本身剛度較低且在工作中存在不可避免的彈性變形，因此裝配時在外力作用下會發(fā)生較大的位移與變形，裝配精度難以保證[4]。工業(yè)機器人的低精度與飛機裝配過程中嚴(yán)格的公差要求相矛盾，在一定程度上制約著工業(yè)機器人在飛機構(gòu)件裝配中的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的飛機裝配使用的是以“位置控制”為基礎(chǔ)的裝配定位方法，即利用安裝在裝配型架上的定位件對飛機構(gòu)件進行定位，使其與理論數(shù)模在一定誤差范圍內(nèi)保持一致，以保證裝配精度。這一方法至今仍被廣泛使用，在最大限度保證裝配質(zhì)量的同時，也不可避免地顯示出一定的局限性。首先，裝配型架的設(shè)計、制造、安裝與調(diào)整需要較長的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，占用大筆資金，不利于敏捷制造的實現(xiàn)與并行工程的進行；其次，在型架上裝配構(gòu)件時，工序較為繁瑣，需要人為調(diào)整構(gòu)件位置、夾緊、制孔、去毛刺、清理、連接等，對于復(fù)合材料構(gòu)件，還要進行復(fù)雜的填隙補償工作，這無疑加大了工人的勞動量，不利于自動化、數(shù)字化在飛機裝配中的應(yīng)用[5-7]。

因此，在位置控制的基礎(chǔ)上，引入力控制技術(shù)，并依靠標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機器人平臺進行飛機構(gòu)件裝配的方法得到了廣泛研究[8-10]。

力控制技術(shù)基本原理與系統(tǒng)組成

早期的工業(yè)機器人面對的任務(wù)比較單一，有的很少與工作對象發(fā)生接觸，如用于噴漆的機器人；有的雖然會與其他物體發(fā)生接觸，但無需控制接觸力的大小，因此只使用簡單的位置控制即可。隨著機器人控制技術(shù)的進步及它在航空工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，情況發(fā)生了明顯的變化。工業(yè)機器人越來越頻繁地與構(gòu)件發(fā)生接觸，如利用工業(yè)機器人進行定位、制孔、拋光、去毛刺等，為了保證裝配精度且不損傷構(gòu)件，必須把接觸力限制在一定范圍內(nèi)，這就要求機器人具備位置控制與力控制兩種功能。為了實現(xiàn)力控制的功能，一般要在工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器上安裝力/扭矩傳感器，實時監(jiān)控工作過程中力和扭矩的大小，并將其傳輸給控制器?？刂破麽槍Ψ答伝氐牧?扭矩數(shù)據(jù)進行分析，生成操作代碼，驅(qū)動機器人以特定的速度移動到特定的位置，從而在保證合理位置精度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)接觸力/扭矩的精確控制。實現(xiàn)力控制的方法較多，一般可以分為4大類：阻抗控制、力/位置混合控制、自適應(yīng)控制與智能控制[11]。

使用阻抗控制時，不直接控制機器人與構(gòu)件之間的接觸力，而是根據(jù)機器人末端執(zhí)行器的位置（或速度）和末端作用力之間的關(guān)系,通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來達到控制力的目的。力/位置混合控制的最佳效果是實現(xiàn)力與位置的獨立控制，即在力的自由空間進行力控制，在剩余的正交方向進行位置控制。上述兩種控制方法屬于經(jīng)典的控制范疇，為力控制技術(shù)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)，然而從控制效果來看仍有不足，無法在工業(yè)中推廣使用。為了克服機器人的多自由度、運動位姿不確定性等諸多問題，眾多學(xué)者研究了機器人的自適應(yīng)控制，如采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)的混合控制方法進行機器人約束運動控制等。隨著機器人智能化的不斷發(fā)展，智能控制必將成為下一代機器人控制的主流，從研究成果來看,智能控制仍處于起步階段,尚未形成獨立的控制策略,僅僅將智能控制原理如模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對以往研究中無法解決的難題進行新的嘗試,仍具有一定的局限性[12]。

目前在工業(yè)機器人力控制方法的研究中，一般把力/扭矩的數(shù)值作為反饋信號，處理后作為控制信號驅(qū)動機器人到達指定的位置。因此，基于力反饋的基礎(chǔ)，可以使用力控制技術(shù)進行飛機構(gòu)件的裝配。力控制技術(shù)可以通過編程使構(gòu)件達到特定的位置，也可以利用機器人使構(gòu)件之間達到特定的裝配力，通過控制構(gòu)件之間的裝配力，使其達到要求的位置精度，實現(xiàn)構(gòu)件之間的最佳配合。需要注意的是，這一最佳配合是指接觸力與接觸力矩數(shù)值上的最佳，而不僅僅是傳統(tǒng)意義上的位置最佳。力控制技術(shù)可以用于裝配、鉆孔、去毛刺等工序中。

使用生產(chǎn)中常用的工業(yè)機器人，配合一定的力控制技術(shù)可以達到較高的裝配準(zhǔn)確度，相比于傳統(tǒng)的定位方法，這一方案可以大大加快裝配速度，最大限度地減輕工人的勞動強度。由于其具有較高自動化水平，因此適用于重復(fù)性與可靠性要求較高的生產(chǎn)與裝配。此外，這一方法僅使用低成本的單傳感器就可實現(xiàn)多種操作，因而可以大大降低成本。最后，這項技術(shù)對于少型架裝配與可重構(gòu)工裝的使用提供了一條技術(shù)路線。

力控制系統(tǒng)的基本組成包括工業(yè)機器人、工業(yè)機器人控制器、主機、真空夾頭或其他末端執(zhí)行器、力/扭矩傳感器等，如圖1所示[13]。其中，工業(yè)機器人是主要功能部件，它的末端根據(jù)不同的任務(wù)需求安裝不同的末端執(zhí)行器。如果進行構(gòu)件定位，則使用真空夾頭夾持構(gòu)件，如果進行制孔，則安裝制孔單元。力/扭矩傳感器與末端執(zhí)行器相連，用于實時動態(tài)監(jiān)測裝配過程中力與力矩的大小和方向，因此要求傳感器是一個6自由度的傳感器，可以測量X、Y、Z 3個方向的力和繞3個軸的力矩。主機主要用來處理數(shù)據(jù)以及生成可執(zhí)行代碼，在主機中狀態(tài)流模型得到建立與實施，針對不同位置和力的數(shù)據(jù)，生成控制機器人運動的執(zhí)行代碼。機器人控制器主要用于生成機器人的控制算法，并最終驅(qū)動機器人，以特定的速度到達特定的位置，實現(xiàn)構(gòu)件的最佳配合與精確定位。為了提高系統(tǒng)的運行效率，可以在控制系統(tǒng)中增設(shè)額外的處理器，國外研究者在試驗中使用摩托羅拉G4處理器[13],使其通過公共總線與主機和機器人控制器之間建立通信。這一措施可以顯著提高機器人對裝配環(huán)境變化的反應(yīng)速度。

圖1 力控制系統(tǒng)的基本組成Fig.1 Basic components of the force control system

力控制技術(shù)在復(fù)合材料構(gòu)件裝配中的應(yīng)用

Link?ping大學(xué)的Jonsson等[13]在實驗室利用工業(yè)機器人，基于力控制技術(shù)進行了復(fù)合材料翼肋的裝配，如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料翼肋的裝配試驗Fig.2 Assembly experiment for composite rib

試驗過程是將一個復(fù)合材料制成的翼肋安裝到型架上，型架上有多個定位器，形成了多重控制表面，試驗的目的就是使翼肋與多重表面達到要求的裝配準(zhǔn)確度，如圖3所示。復(fù)合材料構(gòu)件在成形過程中會發(fā)生較大的變形，形狀準(zhǔn)確度較差，在裝配過程中又不允許修配，因而會形成較大的裝配間隙，需要進行額外的填隙補償工作。使用力控制的方法，不僅可以使構(gòu)件的位置精度達到要求，還可使間隙最大程度減小，從而簡化填隙補償工作，提高裝配效率。裝配狀態(tài)如圖3所示。

型架上的定位器可以限制翼肋的6個自由度。裝配過程可以看作一個尋找接觸點與控制接觸力的操作，試驗中構(gòu)件與型架之間裝配力控制在10N以內(nèi)，接觸力矩要求為0。翼肋最終裝配狀態(tài)如圖3（b）所示，具體的操作步驟就是翼肋與各個定位器建立接觸的過程：

步驟1:從初始位置啟動機器人，使翼肋與位置2左端定位器接觸；

步驟2:繞翼肋左邊緣旋轉(zhuǎn)直到其與位置2右端定位器接觸；

步驟3:傾斜翼肋，直到它與位置3定位器接觸；

步驟4:儲存位置信息并退出；

步驟5:提升翼肋，直到它與位置1的一個或兩個定位器接觸；

步驟6:如果只與一個定位器接觸，則旋轉(zhuǎn)其邊緣與另一個接觸；

步驟7:記錄位置信息，讓翼肋下移，直到接觸解除；

圖3 裝配試驗用型架與復(fù)合材料翼肋最終裝配狀態(tài)Fig.3 Jig for assembly experiment and final assembly state of composite rib

步驟8:垂直移動翼肋，直到其接觸位置2左端定位器內(nèi)部邊緣；

步驟9:向相反方向移動翼肋直到翼肋接觸位置2右端定位器內(nèi)部邊緣；

步驟10:翼肋中間位置由計算機確定，并且利用步驟4和步驟7的數(shù)據(jù)來確定最后位置。

從一個步驟到另一個步驟的過渡是用力傳感器的讀數(shù)反饋實現(xiàn)的，裝配順序模型在主機的狀態(tài)流中建立。通過反饋的力和扭矩數(shù)據(jù)，驅(qū)動機器人實現(xiàn)翼肋的精確定位。

定位完成后，間隙將不可避免地存在。在復(fù)合材料構(gòu)件裝配過程中，有兩種方法解決間隙問題。如果間隙較小，則使用機器人在特定的位置施加特定的壓力，間隙消除后即可進行連接工作，這就要求事先確定構(gòu)件在裝配過程中能承受多大的力，以免損傷構(gòu)件。如果間隙較大，施加外力后仍不能完全消除，則必須進行填隙補償工作，但是相比于傳統(tǒng)的位置控制方法，這種情況下的填隙補償工作量將大大減少。

使用機器人進行的全自動裝配存在一個問題就是機器人在搜索接觸點時必須運動非常緩慢，因為裝配環(huán)境剛性較大，構(gòu)件與定位器快速的接觸會形成巨大的瞬時沖擊力。剛性環(huán)境所引起的另一個問題是它要求力反饋速度較快，因為接觸以后，較小的運動會形成較大的接觸力。當(dāng)選擇變化過快的控制參數(shù)時，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此，在裝配過程的第一步完成之后，在控制中恰當(dāng)?shù)厥褂们梆佅到y(tǒng)會有更好的控制效果。加快裝配進程的另一個方法就是使用視覺系統(tǒng)，它可以在構(gòu)件快要接觸時，使得控制器減慢運動速度。這一裝配方案也可以用于半自動化情況中，操作者可以人為地移動機器人執(zhí)行器到初始位置，建立第一個接觸后，再觸發(fā)機器人建立后續(xù)的接觸關(guān)系。

力控制技術(shù)在自動制孔中的應(yīng)用

Lund大學(xué)的Olsson等將力控制技術(shù)應(yīng)用到了機器人自動制孔中[14]。飛機數(shù)字化裝配中，自動制孔技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)機器人憑借其靈活性與較高的生產(chǎn)效率，被大量運用于自動制孔中。然而，工業(yè)機器人較低的剛度與位置精度始終影響著制孔質(zhì)量的提高。自動制孔之前要將兩個構(gòu)件壓緊，以防止制孔時構(gòu)件之間產(chǎn)生毛刺，也可以防止切屑進入構(gòu)件之間而將其劃傷。制孔時鉆頭要與蒙皮外法線方向重合，這樣才能保證制孔精度。然而，由于制孔過程中工具產(chǎn)生的振動以及切削力的影響，蒙皮往往會發(fā)生變形，此時，鉆頭與蒙皮外法線方向產(chǎn)生偏斜，形成了一個與蒙皮相切的力。這樣不僅使孔的精度難以保證，還會由于切向力的作用而產(chǎn)生側(cè)滑，影響其位置精度。為了防止側(cè)滑，提高制孔精度，使用力控制的自動鉆孔技術(shù)在試驗中得到了研究。

自動制孔的末端執(zhí)行器如圖4所示[15]，它是一個制孔單元與傳感器的組合，工作過程中將傳感器產(chǎn)生的力和扭矩的數(shù)值傳遞給機器人控制器。鉆孔的工具裝備有一個三腳架，三腳架的3根觸角對稱地分布在鉆頭的周圍。當(dāng)每一個觸角與工件表面接觸時，就會產(chǎn)生接觸力并傳遞到傳感器上。3個觸角用來識別鉆頭周邊非對稱的力，以對其進行補償，使之達到平衡狀態(tài)，此時可以保證制孔刀具軸向與蒙皮外法線方向重合。力傳感器安裝在制孔單元與壓力腳之間。Z方向的力表示在表面預(yù)加壓力的數(shù)值，X-Y方向的力表示影響滑移的切向力。

圖4 制孔末端執(zhí)行器Fig.4 Drilling end-effector

力/扭矩傳感器的6個自由度在不同的接觸狀態(tài)下探測不同的力/扭矩數(shù)值，并作為反饋信號使制孔單元保持正確的位置。如果末端執(zhí)行器繞著X或Y軸旋轉(zhuǎn)，扭矩將會增加，這就表示末端執(zhí)行器沒有與工件表面處于垂直狀態(tài)。此時，控制器會使用扭矩計算方法來調(diào)整，使3個觸角的接觸力值相等?？刂破鲿刂芞方向的力來改變表面的接觸力，會控制X與Y方向的力使其變?yōu)?，這樣可以避免側(cè)滑。如果沒有補償，由于機器人系統(tǒng)的柔性，蒙皮表面會產(chǎn)生較大的變形，嚴(yán)重影響孔的質(zhì)量與位置精度。

傳統(tǒng)的飛機蒙皮由大量鈑金零件構(gòu)成，剛度較低，制孔時在外力作用下容易發(fā)生變形，這會引起制孔質(zhì)量的降低。因此試驗時使用了一塊剛性較低的鈑金零件，以驗證使用力控制制孔技術(shù)的可行性。盡管在制孔前鈑金零件已經(jīng)被夾緊，然而在鉆削力作用下其外法線方向仍發(fā)生了變化，這時就需要使用力反饋來修正這一誤差。當(dāng)表面外法線方向改變時，力/扭矩傳感器將不平衡的力傳遞給控制器，控制器檢測到這一誤差后，控制末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)制孔單元方向使之與外法線重合。試驗表明利用這一方法可以顯著提高孔的質(zhì)量與位置精度。

結(jié)束語

隨著飛機數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，使用力控制技術(shù)的工業(yè)機器人將越來越廣泛地應(yīng)用于飛機部件裝配中。與傳統(tǒng)的位置控制不同，力控制技術(shù)通過控制接觸力與扭矩的大小，精確定位飛機構(gòu)件，使構(gòu)件達到要求的裝配準(zhǔn)確度，大大提高裝配效率。在復(fù)合材料構(gòu)件的裝配中，使用力控制技術(shù)的機器人可以保證定位精度且大大減少填隙補償工作量；在低剛度蒙皮的制孔過程中，機器人可以抑制側(cè)滑，并根據(jù)蒙皮的變形實時調(diào)整制孔單元方向，保證了制孔精度，提高了制孔效率。然而，也應(yīng)當(dāng)注意到這一技術(shù)存在的不足。第一，定位與制孔過程中，尋找正確位置的搜索操作耗費時間較長。這是因為系統(tǒng)單一依賴力反饋，而整個反饋過程中數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、信號延遲等問題都會導(dǎo)致搜索操作時間延長，為了解決這一問題，可以在控制系統(tǒng)中加入前饋環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。第二，現(xiàn)有的控制軟件只能通過手動輸入控制參數(shù)，每一次操作均要重新輸入。因此需要開發(fā)新一代的控制系統(tǒng)，它需要更加智能化以簡化人為操作。第三，這一技術(shù)目前還不夠成熟，仍處于試驗研究階段，距離工業(yè)化的大規(guī)模應(yīng)用還有一定距離，且目前只能應(yīng)用于小型輕量化部件的定位與制孔，對于大部件的定位與制孔尚需研究。隨著這些問題的一一解決，相信力控制技術(shù)會在飛機數(shù)字化裝配中得到更為廣泛的應(yīng)用。

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