（南京航空航天大學機電學院，南京210016）

隨著國產(chǎn)大飛機項目的持續(xù)推進，飛機機身筒段大部件對接對縫處制孔鉚接任務對飛機裝配技術提出新的需求，以自動鉆鉚機為代表的傳統(tǒng)飛機裝配系統(tǒng)[1]存在靈活性與柔性的技術短板，難以滿足高質(zhì)量、高效率、低成本的裝配要求。為此，輕型化自動裝配系統(tǒng)應運而生。當前輕型化自動裝配系統(tǒng)的典型代表主要有基于工業(yè)機器人的自動化裝配系統(tǒng)[2]、基于柔性導軌的自動化裝配系統(tǒng)[3]。工業(yè)機器人由于關節(jié)剛性差，需要具備精度補償機制才能用于飛機自動化裝配[4]，又由于其工作范圍有限，一般需耦合第七軸以擴展其工作范圍[5]。柔性導軌自動化裝配系統(tǒng)需要專用軌道鋪放工裝，對飛機的開敞性要求較高。輕型自主爬行制孔系統(tǒng)具有輕型化、柔性化、剛性好、安裝準備時間短、工作空間靈活、設備成本低等特點，能夠適用于大飛機機身大部件對接對縫處裝配工作。

國外對輕型自主爬行制孔系統(tǒng)已經(jīng)做了較為深入的研究，西班牙M.Torres公司已經(jīng)自主研制了三代爬行制孔機器人并已成功應用于空客A350機身尾段環(huán)鉚[6-7]。

國內(nèi)對于這方面的研究處于嘗試和探索階段，相關高校聯(lián)合主機有限公司進行了樣機的試研和關鍵技術論證。2012年，南京航空航天大學與北京航空航天大學聯(lián)合為上海飛機制造有限公司研制了自主移動制孔系統(tǒng)原型樣機并對機構的運動學分析進行了較為詳細的分析[8-10]。

本文所設計的輕型自主爬行制孔系統(tǒng)，實現(xiàn)了自主多足移動機構與多功能末端執(zhí)行器在結(jié)構與功能上的高度集成。它集成行走吸附定位、鉆孔加工和在線檢測等多種控制功能于一體。通過兩套獨立的真空吸附系統(tǒng)實現(xiàn)機器人在產(chǎn)品上的穩(wěn)定吸附。通過基準檢測、法向找正、锪窩深度測量等多種在線檢測手段來提高制孔锪窩質(zhì)量。為實現(xiàn)整個系統(tǒng)的集成控制，采用上下位機分層控制體系。通過上位機統(tǒng)籌規(guī)劃整個控制系統(tǒng)的任務，通過下位機實現(xiàn)對終端執(zhí)行硬件的實時控制。能夠很好的滿足輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性的控制需求。

1 系統(tǒng)組成與工作流程

1.1 系統(tǒng)結(jié)構組成

圖1為輕型自主爬行制孔系統(tǒng)整體結(jié)構圖。按照機構的功能組成，將整個系統(tǒng)從結(jié)構上劃分為自主多足移動機構與多功能末端執(zhí)行器兩大模塊。通過內(nèi)部十字滑臺實現(xiàn)兩大模塊在結(jié)構上的集成。輕型自主爬行制孔系統(tǒng)通過框架伺服電機驅(qū)動內(nèi)外框架的交替移動實現(xiàn)機器人的行走功能。自主多足移動結(jié)構主要用于系統(tǒng)的吸附行走定位，它由內(nèi)外框架、內(nèi)外腿機構以及相應的伺服驅(qū)動機構和真空吸附裝置組成。多功能末端執(zhí)行器主要由基準檢測模塊、法向找正模塊、壓力腳模塊、制孔锪窩模塊組成，用于高精度鉆孔加工。

1.2 工作流程分析

初始狀態(tài)系統(tǒng)上電啟動，對相關氣源氣閥狀態(tài)、驅(qū)動器連接狀態(tài)、現(xiàn)場總線通信狀態(tài)、傳感器狀態(tài)以及CCD相機通信狀態(tài)進行檢測。自檢成功后，機器人內(nèi)外四腿真空吸附裝置動作實現(xiàn)在產(chǎn)品上的穩(wěn)定吸附。待機器人回零后，準備移動到第i站位進行相關孔位的制孔工作。行走運動開始時，外四腿真空發(fā)生器開始吹氣動作，待真空吸盤內(nèi)的真空度為零時，伺服電機驅(qū)動外四腿上抬至指定位置完成抬起動作。隨后外框架電機驅(qū)動外框架協(xié)同前移指定位移，緊接著，外四腿開始協(xié)調(diào)下放，上位機實時采樣各電機的轉(zhuǎn)矩值并與轉(zhuǎn)矩閾值相比較。當電機轉(zhuǎn)矩值達到閾值時，外四腿真空發(fā)生器開始吸氣動作，待吸盤內(nèi)的真空度達到真空度閾值時完成腿部下放操作，隨后內(nèi)腿完成與外腿相似的動作，從而實現(xiàn)機器人的行走移動。當機器人移動到指定站位后，CCD相機對基準孔進行拍照，從而修正待鉆孔的孔位坐標。當機器人移動到指定的待鉆孔后，通過激光位移傳感器進行法向檢測并實現(xiàn)對孔位法向偏差的修正。最后完成站位內(nèi)所有孔位的制孔工作并退出整個系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程如圖2所示，其中i為站位號，N為總的站位數(shù)。

圖1 輕型自主爬行制孔系統(tǒng)整體結(jié)構圖Fig.1 Overall structure diagram of the lightweight auto-crawling drilling system

2 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)

根據(jù)輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的控制需求，將其控制任務劃分為伺服控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和氣動控制模塊3大類。伺服控制模塊主要任務在于多電機協(xié)同控制、壓腳電機、內(nèi)部主軸電機以及內(nèi)部十字滑臺電機的控制。其中多電機協(xié)同控制主要包括框架電機協(xié)同控制實現(xiàn)框架前移、八電機協(xié)同控制實現(xiàn)主軸進給鉆孔。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要任務在于CCD相機、激光位移傳感器、真空度傳感器、接近開關、零位開關的控制。氣動控制模塊的主要任務在于真空發(fā)生器、吸盤導軌制動器以及換刀模塊和鉚接模塊的氣缸控制。

結(jié)合上述控制任務，基于工業(yè)控制網(wǎng)絡設計了輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的硬件組態(tài)。基于倍福的軟PLC技術，利用TwinCAT軟件對Windows系統(tǒng)進行改造，以工業(yè)級響應時間實現(xiàn)對被控設備的實時邏輯控制。采用以太網(wǎng)現(xiàn)場總線系統(tǒng)EtherCAT構建全局控制主網(wǎng)，按功能模塊將各被控I/O設備高效的接入主網(wǎng)。EtherCAT作為一種自動化控制技術，是一個以以太網(wǎng)為基礎的開放架構的現(xiàn)場總線系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，它具有傳輸速度快、拓撲結(jié)構靈活、實時性能優(yōu)越等優(yōu)勢。輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖3所示。

下位機控制層以嵌入式控制器CX2020作為整個控制系統(tǒng)的核心。自主多足移動機構與多功能末端執(zhí)行器均通過EtherCAT技術進行實時通信，在控制層面上兩者互不干涉。通過Copley驅(qū)動器實現(xiàn)對MAXON電機的位置控制，利用倍福的伺服驅(qū)動和EL5101增量式編碼器接口模塊實現(xiàn)鉆孔與锪窩控制。通過El6631 Profinet端子模塊向上實現(xiàn)與整個系統(tǒng)的集成，向下實現(xiàn)與工業(yè)CCD相機的通信。利用EK1110擴展耦合端子模塊對I/O進行擴展，從而實現(xiàn)對真空發(fā)生器、電磁閥的數(shù)字量控制以及壓力傳感器、激光位移傳感器的模擬量數(shù)據(jù)采集。

圖2 系統(tǒng)工作流程Fig.2 Workflow of system

圖3 系統(tǒng)整體硬件組態(tài)Fig.3 Hardware configuration of overall system

3 控制系統(tǒng)軟件組態(tài)

3.1 軟件組態(tài)整體設計

輕型自主爬行制孔系統(tǒng)采用基于PC的全軟數(shù)控系統(tǒng)方案，在軟件層面上，主要包含上位機集成控制軟件、倍福TwinCAT軟件。在Win 7平臺上基于Visual Studio 2008開發(fā)了一套上位機層集成控制軟件，它在整個控制系統(tǒng)中處于統(tǒng)籌規(guī)劃的主導地位，主要負責整個輕型自主爬行鉆鉚加工系統(tǒng)的任務規(guī)劃、加工執(zhí)行和現(xiàn)場監(jiān)測，集成邏輯控制思想、算法、數(shù)據(jù)庫、日志系統(tǒng)等多種功能，并對爬行制孔系統(tǒng)進行統(tǒng)一、高效管理。采用德國倍福自動化公司的基于PC的軟PLC技術，利用EtherCAT總線實現(xiàn)對終端執(zhí)行硬件的實時邏輯控制，上位層與下位層之間通過實時以太網(wǎng)EtherCAT自動化設備規(guī)范ADS通信實現(xiàn)交互。系統(tǒng)整體軟件組態(tài)如圖4所示。

3.2 上位機集成控制軟件架構設計

上位機集成控制軟件采用用戶界面層與功能底層相分離的設計思想?；贒uilib界面設計工具，按照面向用戶的交互需求，設計了用戶界面層，將其劃分為5個模塊，各模塊以分層頁面的形式加以設計和管理?；赨ML類圖搭建軟件底層架構，其主要包含基于UI的邏輯控制層和核心功能管理層，如圖5所示?；赨I的邏輯控制層主要完成UI界面窗體和控件消息及命令的交互處理。核心功能管理層包含通信接口、數(shù)據(jù)庫管理、報警管理、日志管理等模塊，通過統(tǒng)一的接口類實現(xiàn)核心功能管理層與UI邏輯控制層的功能交互，以MFC默認消息機制為消息機制的底層模塊開發(fā)設計了與Duilib界面設計相匹配的集成消息機制，實現(xiàn)了窗體與窗體之間、窗體與控件之間、窗體與核心功能管理層之間的交互，從而使UI界面上的操作能夠得到快速、準確的功能響應。

通信接口模塊主要包括倍福EtherCAT通信接口。倍福EtherCAT通信接口用于運行于上位層的爬行制孔系統(tǒng)集成控制軟件與下位層的倍福TwinCAT軟件之間的數(shù)據(jù)交互。在工程中包含倍福提供的第三方靜態(tài)庫文件TcAdsDll.lib，從而實現(xiàn)上位機集成控制軟件對PLC運動控制層的控制。

數(shù)據(jù)庫管理模塊作為數(shù)據(jù)庫應用的接口，主要用于存儲管理用戶信息、刀具信息、現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)信息等。采用微軟公司的關系型數(shù)據(jù)庫SQL Server作為數(shù)據(jù)庫軟件,相應地在集成控制軟件中需要相應包含其靜態(tài)庫文件，從而完成數(shù)據(jù)庫接口類的開發(fā)。

報警管理和日志管理模塊作為日志和報警管理接口，主要用于軟件狀態(tài)與操作信息日志管理和系統(tǒng)故障報警信息管理。選用C++開源日志庫log4cplus進行日志管理，以記事本為載體，設定兩份Text文件分別對自動鉆鉚過程中狀態(tài)與操作信息和報警信息進行管理，同時對這些信息進行編號和等級劃分，從而構建出完善的日志管理系統(tǒng)。

圖4 系統(tǒng)整體軟件組態(tài)Fig.4 Software configuration of overall system

圖5 集成控制軟件架構Fig.5 Software architecture for integrated control

4 機構實現(xiàn)和驗證

針對輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的控制需求，以上述集成控制軟件架構對上位機軟件進行了開發(fā)，并按照機器人的動作邏輯編寫了下位機程序。為驗證機構功能的實現(xiàn)和集成控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，在不同傾斜角度的曲面工裝上進行行走試驗和鉆孔試驗。傾斜角度為60°的曲面工裝試驗平臺如圖6所示，制孔試驗結(jié)果如圖7所示。在不同傾斜角度的曲面工裝上，機器人以不同的步長進行10次交替行走試驗結(jié)果見表1。

通過試驗驗證表明，在不同傾斜角度的曲面工裝上，可以通過開發(fā)的集成控制系統(tǒng)穩(wěn)定地控制機器人實現(xiàn)行走和鉆孔功能，且所鉆孔的質(zhì)量滿足要求，其直徑精度滿足H9的要求，孔的位置精度達到0.5mm的要求，孔的法向精度達到0.5°以內(nèi)的要求，制孔效率13.4s/個。其中制孔效率可以通過提高各個工位電機的工作速度進行適當提高。通過試驗可以發(fā)現(xiàn)行走多步之后斜面上下側(cè)框架出現(xiàn)累積偏移量，這是由于整個系統(tǒng)的重心偏向斜面下側(cè)，按照負載轉(zhuǎn)矩閾值的電機到位方式，斜面下側(cè)的電機由于承受的負載過大將提前到達轉(zhuǎn)矩閾值，從而導致斜面下側(cè)框架相對于斜面上側(cè)框架出現(xiàn)偏移。由于設計時機器人內(nèi)腿電機行程比外腿電機行程短了10mm，當行走步數(shù)過多時，機器人將會由于內(nèi)腿的機械限位而無法實現(xiàn)穩(wěn)定行走。針對這種情況，可以通過在控制系統(tǒng)中加大斜面下側(cè)4個電機的轉(zhuǎn)矩閾值的方式，將偏移量控制在10mm的范圍內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)定行走。

圖6 試驗平臺Fig.6 Experimental platform

圖7 制孔試驗結(jié)果Fig.7 Experiment results of drilling

表1 斜面上下側(cè)框架相對偏移量

5 結(jié)論

對輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與工作流程進行了介紹，對輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行了總體設計，采用現(xiàn)場總線系統(tǒng)EtherCAT完成實時性控制，搭建上位機集成控制軟件架構，完成上位機控制軟件開發(fā)，在不同傾斜角度的斜面工裝上進行了行走試驗和鉆孔試驗，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)行走與鉆孔功能，制孔質(zhì)量滿足要求，制孔效率待優(yōu)化。

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