高文翔，劉 春，羅 云，趙慶華，李世杰，余立強(qiáng)，陳宮達(dá)

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610092)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在制造領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。尤其是在汽車制造領(lǐng)域，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)汽車裝配自動(dòng)化噴涂[4]，焊接[5-6]等任務(wù)。在航空制造領(lǐng)域，機(jī)器人輔助裝配也取得了較為廣泛的研究[7-9]，尤其是在民用航空制造企業(yè)。以波音、空客為首的世界著名航空制造巨頭成功地應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)裝配自動(dòng)化鉆孔應(yīng)用，并獲得了廣泛的推廣，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效、高質(zhì)量的飛機(jī)裝配目標(biāo)。近年來，國內(nèi)對(duì)于飛機(jī)裝配自動(dòng)化鉆孔技術(shù)的應(yīng)用研究也越來越廣泛，其中包括浙江大學(xué)、南京大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等知名院校。主要研究方向包括鉆孔末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)制造與控制、鉆孔定位精度補(bǔ)償[10-11]、孔位法向優(yōu)化調(diào)整、鉆鉸锪一體化刀具設(shè)計(jì)[12-14]。

為了追求較高的孔位精度和鉆孔法向精度，現(xiàn)有機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)集成了壓緊單元、鉆孔單元、檢測(cè)單元、排屑單元及其它輔助單元[15-16]。這些模塊的集成使得末端執(zhí)行器的鉆孔精度得到了大幅度提高，與此同時(shí)也帶來了一系列的弊端，如使得末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)制造變得復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、控制過程復(fù)雜而耗時(shí)，最終導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)只能滿足一些開敞性較好的機(jī)翼或民用飛機(jī)等大型機(jī)身段位鉆孔應(yīng)用，鉆孔效率較低。然而，針對(duì)尺寸較小的軍用飛機(jī)狹小空間鉆孔需求，目前很少有文獻(xiàn)進(jìn)行研究。受結(jié)構(gòu)空間的限制，機(jī)身部位鉆孔對(duì)于末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)提出了更高的需求。其中，輕量化與高度集成化的設(shè)計(jì)成為了最主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，針對(duì)產(chǎn)品鉆孔精度需求，開展?jié)M足特定精度的定制化的鉆孔末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)也成為了主要的研究方向。

在手工鉆孔過程中，受操作人員技術(shù)水平、工具特性、工作狀態(tài)等因素影響較大，存在孔位精度差、鉆孔效率低、鉆孔質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，逐漸無法滿足現(xiàn)代航空制造技術(shù)的要求。因此，本文設(shè)計(jì)并提出一種輕量化的末端執(zhí)行器鉆孔系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)緊湊，控制方式簡單，可快速實(shí)現(xiàn)飛機(jī)零部件的定位及鉆孔應(yīng)用。

1 機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)組成

所設(shè)計(jì)的機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)采用輕量化的設(shè)計(jì)思路，避免了復(fù)雜的視覺定位系統(tǒng)和多傳感器檢測(cè)模塊。系統(tǒng)硬件組成主要包括6部分：ABB IRB4600-45/2.05機(jī)器人、機(jī)器人控制柜/示教器、末端執(zhí)行器、PLC控制器件、氣源裝置、柔性自適應(yīng)工裝。

機(jī)器人為ABB公司的IRB4600-45/2.05機(jī)器人，其外形及參數(shù)如圖1所示。機(jī)器人控制柜用于執(zhí)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)編制的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，完成鉆孔加工過程定位。

圖1 機(jī)器人及參數(shù)

表1給出了機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)軟硬件組成及其功能。軟件系統(tǒng)包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制機(jī)器人自身的6個(gè)軸，實(shí)現(xiàn)鉆孔加工過程離線編程功能、仿真功能、IO通信配置功能。末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)(進(jìn)給速度、進(jìn)給量)的配置，控制末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)，即控制氣鉆啟停及直線導(dǎo)軌模組的運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)采用西門子PLC作為控制中心；采用西門子KTP700 HMI作為人機(jī)交互，用于設(shè)置末端執(zhí)行器的各種工藝參數(shù)；采用電磁閥控制氣鉆的啟停；采用西門子V90伺服電機(jī)控制末端執(zhí)行器的進(jìn)給。PLC與HMI、伺服之間均通過ProfiNET工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，PLC與機(jī)器人控制柜通過IO進(jìn)行通訊。

表1 系統(tǒng)軟硬件組成及功能

1.1 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是鉆孔加工過程的主要執(zhí)行部分，用于實(shí)現(xiàn)鉆孔加工過程中刀具的旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給，安裝在機(jī)械臂末端法蘭上。當(dāng)前機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)末端執(zhí)行器共設(shè)計(jì)有2種規(guī)格氣鉆結(jié)構(gòu)，分別為直柄氣鉆和角向氣鉆。根據(jù)末端執(zhí)行器的功能結(jié)構(gòu)，可以將末端執(zhí)行器分為3個(gè)重要部分，即連接及支撐部分、直線進(jìn)給部分、刀具旋轉(zhuǎn)部分。連接及支撐部分的作用是連接工業(yè)機(jī)器人并作為末端執(zhí)行器的主要支撐結(jié)構(gòu)，法蘭結(jié)構(gòu)用于該部分與機(jī)器人的連接，采用直口及銷實(shí)現(xiàn)機(jī)器人法蘭與末端執(zhí)行器的定位。直線進(jìn)給部分包括了直線導(dǎo)軌模組、伺服電機(jī)。刀具旋轉(zhuǎn)部分主要包括了氣鉆、電磁閥、相關(guān)氣源處理工具及夾具座。兩種末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)重量分別為5.5 kg及5.6 kg，最大行程均為34 mm。如圖2給出了設(shè)計(jì)所得到的兩種末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。

1.連接法蘭 2.KK40直線導(dǎo)軌模組 3.氣鉆夾具座 4.DS500-3000氣鉆 5.氣鉆夾具上蓋 6.方向轉(zhuǎn)換板 7.S-1FL6 022-2AF電機(jī)

1.2 控制系統(tǒng)

集成控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與末端執(zhí)行器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。兩者之間的數(shù)據(jù)通訊通過機(jī)器人控制柜上的IO口來實(shí)現(xiàn)。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)待鉆孔零件加工孔位的識(shí)別、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、離線編程與仿真，以及程序后置處理。上位機(jī)通過網(wǎng)線與機(jī)器人控制柜連接實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)加工工藝參數(shù)的設(shè)置，通過HMI輸入?yún)?shù)來驅(qū)動(dòng)PLC實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制，從而控制末端執(zhí)行器刀具進(jìn)給。通過控制電磁閥的開關(guān)實(shí)現(xiàn)氣鉆的啟停，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零件鉆孔加工任務(wù)。整個(gè)控制系統(tǒng)的框架如圖3所示，其中虛線部分給出了末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)組成及控制模式。

圖3 控制系統(tǒng)框架

2 工藝流程設(shè)計(jì)

針對(duì)系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的工藝流程按照從工藝準(zhǔn)備到零件加工的過程分為兩個(gè)階段，第一階段為工藝程序準(zhǔn)備階段，第二階段為零件鉆孔階段。

在工藝程序準(zhǔn)備階段主要實(shí)現(xiàn)加工程序的編制與生成、可行性仿真，以及路徑優(yōu)化。在此過程中，需要在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中編寫相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制程序。機(jī)器人按照給定程序進(jìn)行待加工點(diǎn)的定位，使末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到給定的待加工點(diǎn)位，然后對(duì)每一點(diǎn)的實(shí)際位姿進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不滿足精度要求的點(diǎn)進(jìn)行位姿補(bǔ)償，從而最終優(yōu)化得到對(duì)應(yīng)零件的機(jī)器人加工程序，具體流程如圖4所示。

圖4 鉆孔工藝流程

整個(gè)工藝程序準(zhǔn)備分為模型加工信息創(chuàng)建、編程與優(yōu)化、生成加工程序，以及鉆孔點(diǎn)位修正共4個(gè)階段。

在模型加工信息創(chuàng)建時(shí)，需要根據(jù)零件加工信息進(jìn)行零件三維建模，并在所創(chuàng)建的零件模型上建立鉆孔點(diǎn)云信息，通常包括鉆孔點(diǎn)和法矢，用于后續(xù)離線編程生成機(jī)器人加工程序。可以借助于常用的三維建模軟件進(jìn)行建模處理，如CATIA、SolidWorks、UG等。

建模完成后，將模型導(dǎo)入到離線編程軟件中進(jìn)行編程與優(yōu)化，采用PQArt軟件進(jìn)行離線編程。首先在離線編程環(huán)境中進(jìn)行模型裝配，包括機(jī)器人模型與零件的導(dǎo)入、工具的創(chuàng)建等。同時(shí)將所創(chuàng)建的加工信息導(dǎo)入到環(huán)境中，進(jìn)行空間坐標(biāo)變換，建立與現(xiàn)場加工環(huán)境一致的場景。在場景創(chuàng)建完成后，進(jìn)行現(xiàn)場機(jī)器人末端工具(Task Center Point，TCP)的標(biāo)定與零件標(biāo)定。標(biāo)定完成后，針對(duì)機(jī)器人鉆孔點(diǎn)位進(jìn)行離線編程。在離線編程過程中，選擇鉆孔點(diǎn)云信息初步得到機(jī)器人鉆孔點(diǎn)位程序，此時(shí)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑需要進(jìn)一步進(jìn)行避障規(guī)劃、避奇異規(guī)劃和避機(jī)器人關(guān)節(jié)超限規(guī)劃。規(guī)劃完成后添加機(jī)器人鉆孔指令，然后進(jìn)行機(jī)器人加工軌跡仿真，當(dāng)仿真無誤后便可進(jìn)行程序后處理生成對(duì)應(yīng)的機(jī)器人加工程序。

在上述得到理論機(jī)器人加工程序后，需要根據(jù)機(jī)器人實(shí)際加工環(huán)境進(jìn)行程序修正，將不滿足要求的加工點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，最終使得所有加工點(diǎn)位均滿足零件鉆孔要求。

在得到機(jī)器人加工程序后便可進(jìn)行零件鉆孔，具體的零件鉆孔流程如圖5所示。首先根據(jù)鉆孔要求進(jìn)行系統(tǒng)初始化及鉆孔工藝參數(shù)設(shè)置，檢測(cè)系統(tǒng)是否正常。在確定系統(tǒng)正常運(yùn)行后，便可選擇加工程序進(jìn)行零件鉆孔循環(huán)，直到零件加工完成。

圖5 零件鉆孔流程

3 標(biāo)定技術(shù)

在零件加工過程中，需要對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器及零件相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定計(jì)算，才能使得機(jī)器人準(zhǔn)確到達(dá)指定的鉆孔點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔，確保零件加工精度。整個(gè)機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)共包括4種坐標(biāo)系，分別為世界坐標(biāo)系(WORLD)、機(jī)器人基坐標(biāo)系(BASE)、末端執(zhí)行器坐標(biāo)系(TOOL)、工件坐標(biāo)系(PART)，如圖6所示。

圖6 機(jī)器人系統(tǒng)坐標(biāo)系定義

TCP的標(biāo)定通?？梢越柚跈C(jī)器人示教器中的四點(diǎn)標(biāo)定法來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示給出了ABB機(jī)器人示教器中TCP的標(biāo)定原理及標(biāo)定方法，通過控制機(jī)器人末端以不同的姿態(tài)A、B、C、D分別指向同一點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)工具的標(biāo)定。零件的標(biāo)定通常需要測(cè)量零件上的基準(zhǔn)，然后通過與環(huán)境中模型對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)齊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)際位置到建模環(huán)境的映射與調(diào)整。標(biāo)定所需的基準(zhǔn)通常包括零件上的一些基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)邊、基準(zhǔn)圓等特征。

圖7 TCP標(biāo)定原理

圖8給出了零件標(biāo)定的原理，通過選擇零件基準(zhǔn)圓上的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行圓心擬合，然后通過計(jì)算多個(gè)圓心的擬合數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)際空間到理論空間的坐標(biāo)關(guān)系映射。

圖8 零件標(biāo)定原理

4 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證所提出系統(tǒng)的鉆孔性能，設(shè)計(jì)相關(guān)的鉆孔試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

所選用的試板尺寸為380 mm×220 mm，試板材料為鋁合金7075，試板厚度為3 mm，所選用的刀具材料為硬質(zhì)合金，刀具直徑為2.6 mm。圖9給出了試板裝夾及機(jī)器人鉆孔過程。

(a) 機(jī)器人 (b) 試板

采用離線編程軟件進(jìn)行試板鉆孔點(diǎn)位編程，然后進(jìn)行末端執(zhí)行器的標(biāo)定和零件位置的標(biāo)定，標(biāo)定完成后重新進(jìn)行程序更新與修正，并進(jìn)行仿真測(cè)試，測(cè)試通過后進(jìn)行程序后置生成ABB機(jī)器人鉆孔程序代碼。然后按照所設(shè)計(jì)的鉆孔流程進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)，圖10給出了試板鉆孔后的結(jié)果。

圖10 試板鉆孔

試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)測(cè)量，包括孔徑精度測(cè)量與孔位精度測(cè)量，采用Leica AT901系列激光跟蹤儀進(jìn)行檢測(cè)，圖11給出了激光跟蹤儀T-probe測(cè)量系統(tǒng)組成及其連接形式。

圖11 T-probe測(cè)量系統(tǒng)組成

針對(duì)100個(gè)鉆孔點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)量，如圖12所示為采用T-probe進(jìn)行逐個(gè)孔位測(cè)量的過程。

圖12 鉆孔數(shù)據(jù)測(cè)量

然后使用SA軟件進(jìn)行鉆孔數(shù)據(jù)的測(cè)量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，將測(cè)量點(diǎn)位坐標(biāo)投影到試板表面得到孔位中心，如圖13所示。

(a) 數(shù)據(jù)測(cè)量 (b) 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)測(cè)量得到的孔位坐標(biāo)信息，利用MATLAB進(jìn)行孔位相對(duì)間距的計(jì)算，并進(jìn)行X和Y向的相對(duì)間距擬合。其中，X向理論孔距值為20 mm，Y向理論孔距值為14.5 mm。擬合后得到的X向間距和Y向間距分布圖如圖14和圖15所示。從圖中可以看出，沿著鉆孔X向和Y向的孔距分布誤差均保持在±0.5 mm的范圍內(nèi)，且孔距誤差變化較為均勻。

圖14 X向孔距擬合

圖15 Y向孔距擬合

針對(duì)鉆孔得到的100個(gè)孔的孔徑精度進(jìn)行測(cè)量，并通過MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到孔徑分布概率及孔徑偏差分布概率，如圖16所示。

圖16 鉆孔孔徑及其偏差分布概率

可以看出，鉆孔孔徑分布精度均滿足0.1 mm的精度要求，且90%的孔孔徑精度達(dá)0.04 mm以下，系統(tǒng)鉆孔過程穩(wěn)定。

此外通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該系統(tǒng)，其切削工藝參數(shù)中的進(jìn)給速度F控制在0.6～0.8 mm/s時(shí)，可以獲得較好的零件加工表面質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種輕量化基于工業(yè)機(jī)器人的簡易鉆孔系統(tǒng)，其末端執(zhí)行器采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線模組，模組滑塊上安裝有普通直柄氣鉆或角向氣鉆，實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)給與鉆孔。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了針對(duì)該系統(tǒng)的精確鉆孔工藝流程，解決了現(xiàn)有手工鉆孔孔位精度差、鉆孔效率低、鉆孔質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行鉆孔測(cè)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足飛機(jī)裝配鉆孔需求。此外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，控制方式簡單，能夠適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件及狹小空間結(jié)構(gòu)鉆孔應(yīng)用。