（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

隨著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)，飛機(jī)機(jī)身筒段大部件對(duì)接對(duì)縫處制孔鉚接任務(wù)對(duì)飛機(jī)裝配技術(shù)提出新的需求，以自動(dòng)鉆鉚機(jī)為代表的傳統(tǒng)飛機(jī)裝配系統(tǒng)[1]存在靈活性與柔性的技術(shù)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(dòng)裝配系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)前輕型化自動(dòng)裝配系統(tǒng)的典型代表主要有基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)[2]、基于柔性導(dǎo)軌的自動(dòng)化裝配系統(tǒng)[3]。工業(yè)機(jī)器人由于關(guān)節(jié)剛性差，需要具備精度補(bǔ)償機(jī)制才能用于飛機(jī)自動(dòng)化裝配[4]，又由于其工作范圍有限，一般需耦合第七軸以擴(kuò)展其工作范圍[5]。柔性導(dǎo)軌自動(dòng)化裝配系統(tǒng)需要專用軌道鋪放工裝，對(duì)飛機(jī)的開(kāi)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(zhǔn)備時(shí)間短、工作空間靈活、設(shè)備成本低等特點(diǎn)，能夠適用于大飛機(jī)機(jī)身大部件對(duì)接對(duì)縫處裝配工作。

國(guó)外對(duì)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(jī)器人并已成功應(yīng)用于空客A350機(jī)身尾段環(huán)鉚[6-7]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于這方面的研究處于嘗試和探索階段，相關(guān)高校聯(lián)合主機(jī)有限公司進(jìn)行了樣機(jī)的試研和關(guān)鍵技術(shù)論證。2012年，南京航空航天大學(xué)與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合為上海飛機(jī)制造有限公司研制了自主移動(dòng)制孔系統(tǒng)原型樣機(jī)并對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析[8-10]。

本文所設(shè)計(jì)的輕型自主爬行制孔系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自主多足移動(dòng)機(jī)構(gòu)與多功能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)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(cè)等多種控制功能于一體。通過(guò)兩套獨(dú)立的真空吸附系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在產(chǎn)品上的穩(wěn)定吸附。通過(guò)基準(zhǔn)檢測(cè)、法向找正、锪窩深度測(cè)量等多種在線檢測(cè)手段來(lái)提高制孔锪窩質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的集成控制，采用上下位機(jī)分層控制體系。通過(guò)上位機(jī)統(tǒng)籌規(guī)劃整個(gè)控制系統(tǒng)的任務(wù)，通過(guò)下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端執(zhí)行硬件的實(shí)時(shí)控制。能夠很好的滿足輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(gòu)組成

圖1為輕型自主爬行制孔系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。按照機(jī)構(gòu)的功能組成，將整個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分為自主多足移動(dòng)機(jī)構(gòu)與多功能末端執(zhí)行器兩大模塊。通過(guò)內(nèi)部十字滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)兩大模塊在結(jié)構(gòu)上的集成。輕型自主爬行制孔系統(tǒng)通過(guò)框架伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)外框架的交替移動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能。自主多足移動(dòng)結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和真空吸附裝置組成。多功能末端執(zhí)行器主要由基準(zhǔn)檢測(cè)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(dòng)，對(duì)相關(guān)氣源氣閥狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)器連接狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)總線通信狀態(tài)、傳感器狀態(tài)以及CCD相機(jī)通信狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。自檢成功后，機(jī)器人內(nèi)外四腿真空吸附裝置動(dòng)作實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品上的穩(wěn)定吸附。待機(jī)器人回零后，準(zhǔn)備移動(dòng)到第i站位進(jìn)行相關(guān)孔位的制孔工作。行走運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，外四腿真空發(fā)生器開(kāi)始吹氣動(dòng)作，待真空吸盤(pán)內(nèi)的真空度為零時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)外四腿上抬至指定位置完成抬起動(dòng)作。隨后外框架電機(jī)驅(qū)動(dòng)外框架協(xié)同前移指定位移，緊接著，外四腿開(kāi)始協(xié)調(diào)下放，上位機(jī)實(shí)時(shí)采樣各電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值并與轉(zhuǎn)矩閾值相比較。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩值達(dá)到閾值時(shí)，外四腿真空發(fā)生器開(kāi)始吸氣動(dòng)作，待吸盤(pán)內(nèi)的真空度達(dá)到真空度閾值時(shí)完成腿部下放操作，隨后內(nèi)腿完成與外腿相似的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走移動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到指定站位后，CCD相機(jī)對(duì)基準(zhǔn)孔進(jìn)行拍照，從而修正待鉆孔的孔位坐標(biāo)。當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)到指定的待鉆孔后，通過(guò)激光位移傳感器進(jìn)行法向檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程如圖2所示，其中i為站位號(hào)，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(gòu)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(wù)劃分為伺服控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和氣動(dòng)控制模塊3大類。伺服控制模塊主要任務(wù)在于多電機(jī)協(xié)同控制、壓腳電機(jī)、內(nèi)部主軸電機(jī)以及內(nèi)部十字滑臺(tái)電機(jī)的控制。其中多電機(jī)協(xié)同控制主要包括框架電機(jī)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)框架前移、八電機(jī)協(xié)同控制實(shí)現(xiàn)主軸進(jìn)給鉆孔。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要任務(wù)在于CCD相機(jī)、激光位移傳感器、真空度傳感器、接近開(kāi)關(guān)、零位開(kāi)關(guān)的控制。氣動(dòng)控制模塊的主要任務(wù)在于真空發(fā)生器、吸盤(pán)導(dǎo)軌制動(dòng)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(wù)，基于工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(shù)，利用TwinCAT軟件對(duì)Windows系統(tǒng)進(jìn)行改造，以工業(yè)級(jí)響應(yīng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的實(shí)時(shí)邏輯控制。采用以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)EtherCAT構(gòu)建全局控制主網(wǎng)，按功能模塊將各被控I/O設(shè)備高效的接入主網(wǎng)。EtherCAT作為一種自動(dòng)化控制技術(shù)，是一個(gè)以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的開(kāi)放架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，它具有傳輸速度快、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活、實(shí)時(shí)性能優(yōu)越等優(yōu)勢(shì)。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(jī)控制層以嵌入式控制器CX2020作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。自主多足移動(dòng)機(jī)構(gòu)與多功能末端執(zhí)行器均通過(guò)EtherCAT技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，在控制層面上兩者互不干涉。通過(guò)Copley驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)對(duì)MAXON電機(jī)的位置控制，利用倍福的伺服驅(qū)動(dòng)和EL5101增量式編碼器接口模塊實(shí)現(xiàn)鉆孔與锪窩控制。通過(guò)El6631 Profinet端子模塊向上實(shí)現(xiàn)與整個(gè)系統(tǒng)的集成，向下實(shí)現(xiàn)與工業(yè)CCD相機(jī)的通信。利用EK1110擴(kuò)展耦合端子模塊對(duì)I/O進(jìn)行擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì)

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(jī)集成控制軟件、倍福TwinCAT軟件。在Win 7平臺(tái)上基于Visual Studio 2008開(kāi)發(fā)了一套上位機(jī)層集成控制軟件，它在整個(gè)控制系統(tǒng)中處于統(tǒng)籌規(guī)劃的主導(dǎo)地位，主要負(fù)責(zé)整個(gè)輕型自主爬行鉆鉚加工系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃、加工執(zhí)行和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，集成邏輯控制思想、算法、數(shù)據(jù)庫(kù)、日志系統(tǒng)等多種功能，并對(duì)爬行制孔系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一、高效管理。采用德國(guó)倍福自動(dòng)化公司的基于PC的軟PLC技術(shù)，利用EtherCAT總線實(shí)現(xiàn)對(duì)終端執(zhí)行硬件的實(shí)時(shí)邏輯控制，上位層與下位層之間通過(guò)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)EtherCAT自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范ADS通信實(shí)現(xiàn)交互。系統(tǒng)整體軟件組態(tài)如圖4所示。

3.2 上位機(jī)集成控制軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

上位機(jī)集成控制軟件采用用戶界面層與功能底層相分離的設(shè)計(jì)思想?；贒uilib界面設(shè)計(jì)工具，按照面向用戶的交互需求，設(shè)計(jì)了用戶界面層，將其劃分為5個(gè)模塊，各模塊以分層頁(yè)面的形式加以設(shè)計(jì)和管理?；赨ML類圖搭建軟件底層架構(gòu)，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(kù)管理、報(bào)警管理、日志管理等模塊，通過(guò)統(tǒng)一的接口類實(shí)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(rèn)消息機(jī)制為消息機(jī)制的底層模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了與Duilib界面設(shè)計(jì)相匹配的集成消息機(jī)制，實(shí)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(zhǔn)確的功能響應(yīng)。

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(yùn)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(kù)文件TcAdsDll.lib，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)集成控制軟件對(duì)PLC運(yùn)動(dòng)控制層的控制。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊作為數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用的接口，主要用于存儲(chǔ)管理用戶信息、刀具信息、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息等。采用微軟公司的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server作為數(shù)據(jù)庫(kù)軟件,相應(yīng)地在集成控制軟件中需要相應(yīng)包含其靜態(tài)庫(kù)文件，從而完成數(shù)據(jù)庫(kù)接口類的開(kāi)發(fā)。

報(bào)警管理和日志管理模塊作為日志和報(bào)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(bào)警信息管理。選用C++開(kāi)源日志庫(kù)log4cplus進(jìn)行日志管理，以記事本為載體，設(shè)定兩份Text文件分別對(duì)自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中狀態(tài)與操作信息和報(bào)警信息進(jìn)行管理，同時(shí)對(duì)這些信息進(jìn)行編號(hào)和等級(jí)劃分，從而構(gòu)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(gòu)Fig.5 Software architecture for integrated control

4 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

針對(duì)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(gòu)對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并按照機(jī)器人的動(dòng)作邏輯編寫(xiě)了下位機(jī)程序。為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)功能的實(shí)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(jìn)行行走試驗(yàn)和鉆孔試驗(yàn)。傾斜角度為60°的曲面工裝試驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，制孔試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在不同傾斜角度的曲面工裝上，機(jī)器人以不同的步長(zhǎng)進(jìn)行10次交替行走試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，在不同傾斜角度的曲面工裝上，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)的集成控制系統(tǒng)穩(wěn)定地控制機(jī)器人實(shí)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(dá)到0.5mm的要求，孔的法向精度達(dá)到0.5°以內(nèi)的要求，制孔效率13.4s/個(gè)。其中制孔效率可以通過(guò)提高各個(gè)工位電機(jī)的工作速度進(jìn)行適當(dāng)提高。通過(guò)試驗(yàn)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(gè)系統(tǒng)的重心偏向斜面下側(cè)，按照負(fù)載轉(zhuǎn)矩閾值的電機(jī)到位方式，斜面下側(cè)的電機(jī)由于承受的負(fù)載過(guò)大將提前到達(dá)轉(zhuǎn)矩閾值，從而導(dǎo)致斜面下側(cè)框架相對(duì)于斜面上側(cè)框架出現(xiàn)偏移。由于設(shè)計(jì)時(shí)機(jī)器人內(nèi)腿電機(jī)行程比外腿電機(jī)行程短了10mm，當(dāng)行走步數(shù)過(guò)多時(shí)，機(jī)器人將會(huì)由于內(nèi)腿的機(jī)械限位而無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。針對(duì)這種情況，可以通過(guò)在控制系統(tǒng)中加大斜面下側(cè)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩閾值的方式，將偏移量控制在10mm的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走。

圖6 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Experimental platform

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

表1 斜面上下側(cè)框架相對(duì)偏移量

5 結(jié)論

對(duì)輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的系統(tǒng)組成與工作流程進(jìn)行了介紹，對(duì)輕型自主爬行制孔系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，采用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)EtherCAT完成實(shí)時(shí)性控制，搭建上位機(jī)集成控制軟件架構(gòu)，完成上位機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)，在不同傾斜角度的斜面工裝上進(jìn)行了行走試驗(yàn)和鉆孔試驗(yàn)，能夠穩(wěn)定實(shí)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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