（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京210016）

航空工業(yè)是國家級(jí)戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，是世界大國間競爭的超級(jí)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是一個(gè)關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)命脈和國防安全的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)[1]。在航空制造領(lǐng)域中，基于工業(yè)機(jī)器人的柔性裝配鉆鉚技術(shù)憑借其高效率、高質(zhì)量和高可靠性等顯著優(yōu)勢，已成為飛機(jī)數(shù)字化柔性裝配的重要發(fā)展趨勢[2-4]。目前，國外著名的飛機(jī)裝配設(shè)備制造廠家生產(chǎn)了許多大型的面向飛機(jī)裝配的自動(dòng)化設(shè)備，并已經(jīng)在空客A380、波音787、JSF 戰(zhàn)斗機(jī)等產(chǎn)品的研制過程中得到應(yīng)用，效果相當(dāng)顯著，不僅在很大程度上降低了飛機(jī)的研發(fā)制造成本、縮短了生產(chǎn)周期，并且飛機(jī)等航空裝備的裝配質(zhì)量也大大提高[5]。在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)都對(duì)此進(jìn)行了較為深入的研究，但對(duì)其控制方式、研究思想不太相同，而且大部分研究只是在制孔和檢測方面較深入。

本文針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)化鉆鉚系統(tǒng)的集成控制技術(shù)進(jìn)行了研究，在精度的控制方面，針對(duì)各個(gè)工作環(huán)節(jié)可能造成的誤差提出了多種在線或者離線的精度補(bǔ)償?shù)姆椒?，例如制孔前的基?zhǔn)檢測和法向找正等，并且在制孔锪窩時(shí)的精度控制等一些關(guān)鍵的技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一套面向飛機(jī)裝配的機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚設(shè)備[6-11]。

集成系統(tǒng)硬件組態(tài)與通訊架構(gòu)

1 集成系統(tǒng)硬件組態(tài)

在飛機(jī)裝配中應(yīng)用機(jī)器人來進(jìn)行制孔鉚接將是未來發(fā)展的趨勢。本系統(tǒng)由KUKA機(jī)器人作為本體承載多功能末端執(zhí)行器進(jìn)行制孔鉚接等一系列工作，并通過擴(kuò)展地軌增大機(jī)器人工作范圍，采用外置刀庫來進(jìn)行刀具磨損或者斷刀后的自動(dòng)換刀操作。另外，利用冷卻機(jī)、真空吸屑器等設(shè)備來輔助整個(gè)工作的快速安全進(jìn)行。整套設(shè)備由上位層的工控機(jī)通過Beckhoff的PLC控制系統(tǒng)來進(jìn)行統(tǒng)籌指揮。其系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 通訊鏈路架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線模式，利用上位機(jī)PC集成控制的方式實(shí)現(xiàn)，由于下層被控硬件設(shè)備所兼容的通信方式和協(xié)議不同，因此采用多種通信協(xié)議進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，通訊鏈路架構(gòu)如圖2所示。

采用兩條通信主線實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。第一條通信主線采用通用的Ethernet工業(yè)以太網(wǎng)，遵循TCP/IP協(xié)議，由上位機(jī)PC 通過上位機(jī)網(wǎng)卡1，借助以太網(wǎng)線與機(jī)器人控制柜內(nèi)以太網(wǎng)通信模塊取得連接，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人點(diǎn)位信息自上而下的傳輸以及機(jī)器人自身當(dāng)前狀態(tài)信息的自下而上的反饋[11]。第二條通信主線采用德國Beckhoff公司開發(fā)的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)，先由上位機(jī)PC通過以太網(wǎng)和Beckhoff公司自己開發(fā)的PLC端子排連接，端子排中的EL6731端子模塊以Profibus_DP協(xié)議接入KUKA機(jī)器人的控制柜中實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)部變量映射。而對(duì)地軌、末端執(zhí)行器、刀庫以及其他輔助設(shè)備的控制則是通過Beckhoff的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，采用不同的端子模塊接入端子耦合模塊中，最后利用以太網(wǎng)線接入上位機(jī)PC中，由上位層工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)的集成控制。

圖1 系統(tǒng)硬件組態(tài)Fig.1 Hardware configuration of system

圖2 系統(tǒng)通訊鏈路架構(gòu)Fig.2 Communication configuration of system

集成控制系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)是面向飛機(jī)裝配的自動(dòng)化鉆鉚集成設(shè)備，整個(gè)工作流程從最開始的離線編程開始，通過離線編程生成機(jī)器人走位點(diǎn)的一系列NC代碼信息，然后將此NC代碼加載到上位層工控機(jī)上，經(jīng)過精度補(bǔ)償算法對(duì)工裝上基準(zhǔn)孔點(diǎn)位信息補(bǔ)償后發(fā)送給機(jī)器人自己的控制柜進(jìn)行走位，機(jī)器人定位完成后利用2D掃描儀進(jìn)行基準(zhǔn)檢測，得到工裝的理論與實(shí)際的位置誤差，利用此誤差對(duì)機(jī)器人后續(xù)走位待鉆孔進(jìn)行誤差補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)器人走位到待鉆孔后首先進(jìn)行法向找正，然后控制末端執(zhí)行器進(jìn)行鉆孔、锪窩、檢測、涂膠、擦膠、送釘、鉚接、斷刀檢測等一系列工作。當(dāng)?shù)毒吣p或者斷刀后控制機(jī)器人定位至刀庫進(jìn)行自動(dòng)換刀操作，從而完成整個(gè)飛機(jī)部件的自動(dòng)化裝配，具體流程圖見圖3。

各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 機(jī)器人與外部自動(dòng)控制

KUKA機(jī)器人提供了4種操作模式，分別為T1（手動(dòng)慢速）、T2（手動(dòng)快速）、AUT（自動(dòng)模式）、AUT EXT(外部自動(dòng)模式)。其中機(jī)器人的外部自動(dòng)模式支持上級(jí)外部控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人本身系統(tǒng)的接管控制，使機(jī)器人自身控制系統(tǒng)成為整個(gè)集成系統(tǒng)中的一個(gè)有機(jī)的子系統(tǒng)被上位層工控機(jī)統(tǒng)一控制。

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)機(jī)器人的控制，首先需要對(duì)上位機(jī)中控制系統(tǒng)變量與機(jī)器人內(nèi)部IO變量進(jìn)行映射鏈接，之后在上位機(jī)集成控制軟件中編寫程序代碼，按照用戶基于外部自動(dòng)控制規(guī)則所規(guī)定的時(shí)序圖對(duì)機(jī)器人寫入控制變量和讀取機(jī)器人的反饋狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)指令由PLC到KRC的發(fā)送和由KRC到PLC的反饋。

2 基于磁柵尺反饋的擴(kuò)展地軌

圖3 系統(tǒng)工作流程Fig.3 Workflow of system

由于KUKA機(jī)器人在一個(gè)站位所達(dá)的范圍有限，因此采用附加外部地軌的方式來擴(kuò)展機(jī)器人的行程及加工范圍。由于地軌的精度較低，所以采用分站式的工作方式，將機(jī)器人在地軌上的加工位置設(shè)為固定站位，在每一個(gè)固定站位進(jìn)行精度補(bǔ)償[12]。本文對(duì)地軌的補(bǔ)償采用基于磁柵尺反饋的閉環(huán)控制技術(shù)，具體方法如下：

（1）首先在機(jī)器人每一個(gè)工作站位的地軌上安裝磁柵尺傳感器磁條，在機(jī)器人承載動(dòng)平臺(tái)上安裝相應(yīng)的傳感器讀數(shù)頭。

（2）將磁柵尺傳感器接入倍福編碼器軸端子模塊EL5151，并通過耦合器端子EK1100接入上位層工控機(jī)。

（3）工控PC機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)端子的反饋數(shù)據(jù)獲得理論與實(shí)際位置的偏差，并利用離散化PID控制算法對(duì)承載動(dòng)平臺(tái)下達(dá)指令在地軌上運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到理論位置，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的位置控制。

3 末端執(zhí)行器模塊

3.1 制孔及锪窩檢測模塊

整個(gè)加工過程中最重要的是鉆孔和锪窩流程?？缀透C的精度直接影響后期鉚接的精度以及整個(gè)產(chǎn)品的加工質(zhì)量。本文采用高精度西門子電機(jī)來驅(qū)動(dòng)電主軸進(jìn)給，電主軸的最大轉(zhuǎn)速為19700r/min，滿足加工要求。主軸上安裝刀柄和帶锪窩鉆頭，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。本系統(tǒng)配備真空吸屑裝置，在鉆孔時(shí)實(shí)時(shí)吸走復(fù)合材料的碳纖維和鋁屑，從而避免斷屑纏在刀具上。壓力角壓緊復(fù)合材料后利用改進(jìn)和優(yōu)化后的刀具進(jìn)行制孔，可以達(dá)到孔徑H8的精度。

為保證锪窩精度，在主軸側(cè)面安裝一個(gè)可隨主軸進(jìn)給電機(jī)一起運(yùn)動(dòng)的海德漢ST3078長度計(jì)，該長度計(jì)的精度可達(dá)±1μm。當(dāng)執(zhí)行鉆孔環(huán)節(jié)時(shí)，壓力角向前推出壓到待鉆孔表面，主軸進(jìn)給電機(jī)帶動(dòng)主軸和海德漢長度計(jì)進(jìn)行鉆孔锪窩，當(dāng)锪窩深度達(dá)到需要的精度要求時(shí)讀取并記錄當(dāng)前位置的長度計(jì)讀數(shù)。在之后的鉆孔過程中，通過讀取長度計(jì)的反饋值控制主軸進(jìn)給電機(jī)的進(jìn)給距離實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制，當(dāng)長度計(jì)讀數(shù)達(dá)到之前記錄的數(shù)據(jù)時(shí)主軸進(jìn)給電機(jī)停止并退回。經(jīng)試驗(yàn)論證此方法可使锪窩深度的檢測精度達(dá)到±0.01μm以下。

3.2 送釘及檢測模塊

由于每個(gè)產(chǎn)品所需的鉚釘類型包括直徑和長度均有多種，而且數(shù)量較多，采用人工手動(dòng)送釘無法實(shí)現(xiàn)。因此設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)送釘及檢測裝置如圖5所示。

該裝置以一個(gè)針對(duì)某具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)的可以存放7種不同類型鉚釘?shù)尼敶矠榛A(chǔ)，釘床上每個(gè)鉚釘位置的X、Y坐標(biāo)均一一標(biāo)定并記錄在數(shù)據(jù)庫中。1個(gè)被安裝在氣缸上的三爪抓釘機(jī)構(gòu)和激光位移傳感器可以沿著Z向上下移動(dòng)，該氣缸可以由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在二維的龍門架導(dǎo)軌上沿著X或者Y方向移動(dòng)。當(dāng)需要抓取某種類型的鉚釘時(shí)，氣缸定位到這種類型鉚釘所在位置，激光位移傳感器檢測鉚釘長度，如果與要求不符合則放棄抓釘，如果鉚釘長度符合要求，則三爪抓釘機(jī)構(gòu)下移抓釘并將鉚釘移至送釘口進(jìn)行吹氣送釘。

接釘位置上模塊由多個(gè)氣動(dòng)元件、1個(gè)二爪卡釘機(jī)構(gòu)和兩個(gè)激光位移傳感器組成，如圖6所示。二爪卡釘機(jī)構(gòu)夾持被送來的鉚釘后沿Z軸后移，此時(shí)第一傳感器將檢查本身和夾具之間的距離來確定鉚釘?shù)闹睆?，之后長度檢查模塊部分的氣缸沿Y軸下移，二爪卡釘機(jī)構(gòu)沿Z軸向前插入一個(gè)彈簧推動(dòng)桿機(jī)構(gòu)，此時(shí)第二傳感器將測量本身與推桿機(jī)構(gòu)之間的距離，并將數(shù)值反饋回上位機(jī)，如果發(fā)現(xiàn)鉚釘?shù)闹睆交蜷L度錯(cuò)誤，則相應(yīng)的處理程序?qū)?huì)將鉚釘投入廢釘器中。

3.3 涂膠擦膠模塊

圖4 制孔锪窩模塊Fig.4 Drilling and countersink module

圖5 自動(dòng)送釘及檢測裝置Fig.5 Automatic rivet feeding equipment

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，由于復(fù)材工裝對(duì)密封性要求高，為此本文設(shè)計(jì)了鉚釘涂膠及擦膠模塊。該模塊由伺服電機(jī)、氣動(dòng)氣缸、傳感器和多個(gè)功能桶組成，如圖7所示。在密封膠桶單元中包含廢釘收集器和色差傳感器。當(dāng)插釘機(jī)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)后，膠桶打開并由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)上升涂膠，之后膠桶下降，插釘機(jī)構(gòu)運(yùn)行至擦膠位，膠桶再次上升，擦膠系統(tǒng)中的海綿吸收多余的膠水并利用色差傳感器檢測涂膠擦膠質(zhì)量，若符合要求則插釘機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)回原位進(jìn)行下一步插釘；若不符合要求則將執(zhí)行廢釘處理程序。整個(gè)涂膠擦膠應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)由各個(gè)單元協(xié)同配合執(zhí)行。

3.4 鉚接模塊

該模塊由CHERRY公司的手工拉鉚槍改造而成，如圖8所示。它主要由鉚接頭、動(dòng)力單元和相關(guān)管路組件構(gòu)成。為了將這一工具集成到末端執(zhí)行器上，設(shè)計(jì)了一個(gè)安裝底座以配合鉚槍頭，上面留有管路的相關(guān)接口。鉚槍頭和安裝座均固定在滑塊上，滑塊由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)使鉚槍帶著鉚釘插入孔中進(jìn)行鉚接工作。

3.5 法向找正模塊

在機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)中，制孔和鉚接的質(zhì)量和精度很大一部分取決于制孔時(shí)刀具軸線與帶鉆孔表面法線之間的夾角大小。為了滿足飛機(jī)裝配中對(duì)連接孔垂直精度的要求，需要對(duì)末端刀具角度進(jìn)行法向找正。該找正功能由壓力角基體周圍對(duì)稱分布的4個(gè)激光位移傳感器實(shí)現(xiàn)，如圖9所示。每個(gè)傳感器相對(duì)于刀具坐標(biāo)系的位置提前標(biāo)定完成，制孔前先通過4個(gè)傳感器讀取蒙皮面到傳感器的距離反饋值，從而得到刀具軸線與蒙皮表面法向的偏差角，之后通過相應(yīng)算法控制機(jī)器人調(diào)整各關(guān)節(jié)角度帶動(dòng)末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)來補(bǔ)償法向，從而滿足系統(tǒng)法向定位精度的要求。

3.6 基準(zhǔn)檢測模塊

圖6 接釘與檢查模塊Fig.6 Rivet reception and geometry check module

圖7 涂膠擦膠模塊Fig.7 Sealant application procedures

圖8 鉚接單元模塊Fig.8 Riveting module

由于實(shí)際加工現(xiàn)場產(chǎn)品的制造和安裝位置與理論數(shù)模之間有一定的偏差，因此需要基準(zhǔn)檢測模塊檢測并識(shí)別產(chǎn)品上的高精度基準(zhǔn)孔，從而對(duì)待加工孔的位置進(jìn)行修正。具體結(jié)構(gòu)如圖10所示。

該基準(zhǔn)檢測模塊的實(shí)現(xiàn)方式為：首先二維激光輪廓掃描儀（簡稱2D掃描儀）定位至基準(zhǔn)孔位置進(jìn)行掃描，它可以得到基準(zhǔn)孔在掃描儀自身坐標(biāo)系下的X、Z向坐標(biāo)，Y向坐標(biāo)為保證高精度采用安裝于掃描儀右側(cè)的海德漢長度計(jì)的反饋值，之后掃描多個(gè)孔建立實(shí)際基準(zhǔn)坐標(biāo)系，通過坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換得到實(shí)際與理論數(shù)模的偏差，通過上位機(jī)程序?qū)ζ钸M(jìn)行處理和補(bǔ)償最終實(shí)現(xiàn)對(duì)NC代碼的修正。

圖9 法向找正模塊Fig.9 Normal calibration module

圖10 基準(zhǔn)檢測模塊Fig.10 Reference detection module

表1 碳纖維復(fù)合材料锪窩深度與孔徑

表2 鋁合金材料孔徑

試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

本系統(tǒng)基于多功能末端執(zhí)行器、電主軸、海德漢長度計(jì)等硬件設(shè)備搭建試驗(yàn)平臺(tái)。采用優(yōu)化后的制孔工藝參數(shù)在碳纖維復(fù)合材料與鋁合金疊層上進(jìn)行制孔锪窩實(shí)驗(yàn)，孔徑要求為4.2mm，锪窩深度為2mm。取5次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別測試這5個(gè)孔的锪窩深度精度與孔徑精度。得到表1、2所示數(shù)據(jù)。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，碳纖維復(fù)合材料的5次锪窩深度值最大偏差為0.0061mm，滿足加工與檢測要求。復(fù)合材料的孔徑誤差最大為0.0108mm，鋁合金的孔徑誤差最大為0.0137mm，均在H8以內(nèi)，滿足系統(tǒng)加工要求。

結(jié)論

（1）基于EtherCat和Ethernet協(xié)議的通訊方式提出一種集成控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、地軌、末端執(zhí)行器和其他設(shè)備協(xié)同作用進(jìn)行飛機(jī)的自動(dòng)化裝配工作。

（2）設(shè)計(jì)并優(yōu)化一種多功能末端執(zhí)行器，對(duì)其中某些功能模塊采用新的方法進(jìn)行精度的控制和補(bǔ)償，使其加工質(zhì)量和效率得到顯著提高。

參 考 文 獻(xiàn)

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