胡維鑫,尹佳,田輝

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

隨著新一代軍民機(jī)的研制,大型飛機(jī)的需求大幅增加,對飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造提出更高的尺寸、精度和生產(chǎn)效率要求。孔加工在航空制造業(yè)中占有重要地位,尤其為滿足裝配需求,通常需要在零件緣板、立筋或腹板上制出大量導(dǎo)孔,制孔數(shù)量大,孔的位置分布各異。

傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)主要采用人工制孔或數(shù)控機(jī)床制孔。人工制孔需經(jīng)過鉆孔、修毛刺等工序,制孔過程存在不穩(wěn)定、效率低、技能依賴性強(qiáng)等因素,難以滿足新型飛機(jī)裝配的高精度、高質(zhì)量需求[1]。數(shù)控機(jī)床制孔一般需要使用大擺角五軸設(shè)備,占地面積較大,且制孔占用機(jī)床大量時間,成本較高。同時,由于工件數(shù)控加工過程中的裝夾限制以及數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)干涉的影響,大量導(dǎo)孔制取需要經(jīng)過二次裝夾,且部分特殊位置導(dǎo)孔因位置干涉無法使用機(jī)床制取。

機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在各個行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,工業(yè)機(jī)器人攜帶相應(yīng)的制孔末端執(zhí)行器,已越來越多地被各大航空公司應(yīng)用于飛機(jī)自動化鉆孔工作。現(xiàn)有的機(jī)器人制孔系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用集中于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大部件裝配環(huán)節(jié)[2-4],此環(huán)節(jié)具有一次性制孔數(shù)量多、制孔公差大、裝夾次數(shù)少、產(chǎn)品種類少的特點。

與機(jī)身機(jī)翼等典型裝配組件相比,航空結(jié)構(gòu)件種類繁多,結(jié)構(gòu)、尺寸差異大,制孔數(shù)量較少,導(dǎo)致無法針對某一目標(biāo)零件設(shè)計特定工裝,無法將定位基準(zhǔn)設(shè)計在零件上,會引入額外的零件變形誤差和零件定位誤差,因此對機(jī)器人制孔系統(tǒng)的空間運動精度提出了更高要求。

本研究將雙目視覺攝影測量系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人制孔補(bǔ)償,使機(jī)器人制孔系統(tǒng)空間運動精度提升至0.16mm。在航空結(jié)構(gòu)件典型試驗件上進(jìn)行制孔試驗,試驗結(jié)果證明了此方法的有效性。

2 機(jī)器人加工精度控制方法

機(jī)器人加工精度控制主要包括人工示教調(diào)整、精度標(biāo)定補(bǔ)償、關(guān)節(jié)軸半閉環(huán)補(bǔ)償和機(jī)器視覺補(bǔ)償?shù)确椒ā?/p>

示教調(diào)整是在編程后人工對機(jī)器人運動軌跡進(jìn)行調(diào)整,保存機(jī)器人運動軌跡的一系列位置、姿態(tài)和速度等相關(guān)信息。機(jī)器人通過重復(fù)再現(xiàn)示教保存的程序來完成加工操作。在實際生產(chǎn)中,示教編程存在機(jī)器人運動精度受操作人員水平影響大、精度低、調(diào)試占機(jī)時間長、試驗件損耗大等問題[5]。

精度標(biāo)定補(bǔ)償是在機(jī)器人調(diào)試階段測量不同點位處機(jī)器人定位誤差,通過插值擬合建立目標(biāo)運動區(qū)域誤差模型;基于建立的模型預(yù)測、計算目標(biāo)位置的誤差,通過修正控制程序中目標(biāo)位置坐標(biāo)的方法來實現(xiàn)精度補(bǔ)償[6,7]。此方法操作簡單,成本低,由圖1和圖2可知,補(bǔ)償后機(jī)器人空間定位誤差縮小至±0.35mm。

圖1 補(bǔ)償前機(jī)器人空間定位誤差

圖2 補(bǔ)償后機(jī)器人空間定位誤差

關(guān)節(jié)軸半閉環(huán)補(bǔ)償是在機(jī)器人六個關(guān)節(jié)軸處添加光柵尺獲取各軸回轉(zhuǎn)角度,利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸,補(bǔ)償回轉(zhuǎn)誤差[8]。此方法可實現(xiàn)±0.25mm的定位精度,但成本較高,與機(jī)器視覺補(bǔ)償相比,只能保證機(jī)器人運動定位精度,無法補(bǔ)償裝夾等環(huán)節(jié)造成的誤差。

機(jī)器視覺補(bǔ)償主要通過在機(jī)器人制孔末端執(zhí)行器加裝工業(yè)相機(jī)實現(xiàn)[9],通過工業(yè)相機(jī)拍攝零件上預(yù)制的孔特征,在臨近制孔位置重新標(biāo)定機(jī)器人空間坐標(biāo),減少大幅度運動對機(jī)器人空間運動誤差造成的影響,保證孔位精度在±0.25mm以內(nèi)。此方法的補(bǔ)償特征在零件上獲取,受裝夾誤差及零件變形誤差影響小,可保證較高的孔位精度,在航空制造業(yè)大型部件自動化裝配制孔環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用。但此方法必須進(jìn)行預(yù)加工,在零件上分區(qū)域制取標(biāo)定孔,不適用于孔位較分散、單個零件制孔數(shù)量少的航空結(jié)構(gòu)件。圖3和表1為裝配件與結(jié)構(gòu)件的孔特征對比及需求差異。

表1 裝配件與結(jié)構(gòu)件制孔需求差異

(a)機(jī)翼制孔

3 基于雙目視覺攝影測量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)

基于雙目視覺攝影測量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)包括機(jī)器人制孔系統(tǒng)、雙目視覺測量系統(tǒng)和快換工裝系統(tǒng)三大部分。機(jī)器人制孔系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、控制系統(tǒng)、末端執(zhí)行器、除塵系統(tǒng)等部分,與目前廣泛應(yīng)用的航空裝配制孔系統(tǒng)相同。雙目視覺測量系統(tǒng)包括雙目視覺相機(jī)、靶標(biāo)、計算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件?？鞊Q工裝系統(tǒng)包括工裝基座和各族航空結(jié)構(gòu)件通用工裝。各部分以及加工零件之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 基于雙目視覺攝影測量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)

基于雙目視覺攝影測量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)各坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。

圖5 機(jī)器人制孔系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

由雙目視覺測量系統(tǒng)測量固定標(biāo)定板和快換工裝的靶標(biāo)得出大地坐標(biāo)系和工裝坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系,由工裝定位銷、底板、壓緊裝置確定工裝坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系,從而得到雙目視覺系統(tǒng)下的工件位置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預(yù)標(biāo)定的基坐標(biāo)系控制機(jī)器人粗定位,由雙目視覺測量系統(tǒng)測量、反饋機(jī)器人末端執(zhí)行器空間坐標(biāo)系進(jìn)行機(jī)器人精定位,根據(jù)預(yù)標(biāo)定的刀具坐標(biāo)系得出刀尖點位姿。刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系通過末端執(zhí)行器主軸進(jìn)給制孔運動發(fā)生關(guān)系,決定制孔位置度誤差。機(jī)器人制孔系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人制孔系統(tǒng)流程

制孔系統(tǒng)安裝調(diào)試時完成大地坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系的標(biāo)定,安裝刀具時完成刀具—法蘭坐標(biāo)系的標(biāo)定。如需更換制孔零件族,只需更換相應(yīng)的快換工裝,并根據(jù)工裝上靶標(biāo)點標(biāo)定其相對大地坐標(biāo)系的變換關(guān)系。

機(jī)器人控制系統(tǒng)控制機(jī)器人完成粗定位后,雙目視覺測量系統(tǒng)檢測制孔末端執(zhí)行器空間位置誤差,反饋補(bǔ)償值至機(jī)器人控制系統(tǒng),反復(fù)迭代直至位置測量結(jié)果與理論值差異小于0.05mm,完成后機(jī)器人控制系統(tǒng)驅(qū)動末端執(zhí)行器主軸進(jìn)給,實現(xiàn)導(dǎo)孔制取。

4 試驗驗證

4.1 機(jī)器人空間運動誤差測量試驗

圖7為機(jī)器人空間運動誤差測量試驗方案,圖8為相應(yīng)的測量平臺。根據(jù)航空結(jié)構(gòu)件加工所需空間位置設(shè)置測量點,在每個測量點處由雙目視覺系統(tǒng)測量空間位置誤差并反饋給機(jī)器人控制系統(tǒng)作反向運動補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)器人在該測量點穩(wěn)定后,使用激光跟蹤儀進(jìn)行測量,通過比對激光跟蹤儀測得的理論點位與實際點位的差值評價控制效果。

圖7 機(jī)器人空間運動誤差測量試驗流程

圖8 試驗平臺

機(jī)器人空間運動誤差測試數(shù)據(jù)如圖9所示。圖中橫坐標(biāo)為點編號,縱坐標(biāo)為激光干涉儀所測運動點的相對距離誤差?？梢钥闯?雙目視覺補(bǔ)償系統(tǒng)可以將機(jī)器人空間運動誤差控制在±0.2mm以內(nèi),滿足自動化制孔需求。

圖9 空間運動誤差

4.2 航空結(jié)構(gòu)件制孔試驗

根據(jù)某機(jī)型一典型零件族結(jié)構(gòu)特征設(shè)計制孔試驗件,如圖10所示。試驗件為單面帶筋結(jié)構(gòu)件,尺寸為1.3m×0.3m×0.04m,筋厚2mm,制φ2.7mm導(dǎo)孔,制孔位置度公差±0.3mm。

圖10 制孔試驗件

制孔試驗平臺主要包括840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)、KR500機(jī)器人、末端執(zhí)行器和制孔工裝,如圖11所示。

①840Dsl數(shù)控系統(tǒng) ②雙目視覺系統(tǒng) ③KR500機(jī)器人

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的主體部分包含HMI軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信接口軟件系統(tǒng)。雙目視覺系統(tǒng)包括兩個數(shù)碼攝像頭和一臺計算機(jī),可以在視場范圍內(nèi)跟蹤捕捉檢測到靶標(biāo)點的三維空間位置信息,實現(xiàn)30Hz以上的采樣頻率,并將測量數(shù)據(jù)實時傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。KR500機(jī)器人為KUKA工業(yè)機(jī)器人,額定載荷為500kg,重量2385kg,最大運動范圍2485mm。末端執(zhí)行器為通用電主軸。制孔工裝包括通用工裝平臺、雙目視覺標(biāo)定板以及螺栓壓板。

完成鉆孔后,使用三坐標(biāo)測量機(jī)對孔位進(jìn)行檢測。由圖12可知,制孔x,z方向位置度誤差均小于±0.3mm,滿足公差需求。與機(jī)器人空間運動誤差測試試驗相比,制孔誤差從0.16mm提高至0.3mm,原因在于機(jī)器人制孔誤差由機(jī)器人空間定位誤差、裝夾找正誤差、工件應(yīng)力變形誤差等多種誤差復(fù)合而成,制孔標(biāo)定基準(zhǔn)設(shè)置在工裝上必然引入裝夾誤差和變形誤差。

(a)x方向

5 結(jié)語

(1)將雙目視覺攝影測量技術(shù)與機(jī)器人自動化制孔系統(tǒng)相結(jié)合,機(jī)器人制孔系統(tǒng)的空間運動精度為±0.16mm,加工精度為±0.30mm,滿足航空結(jié)構(gòu)件機(jī)器人制孔需求。

(2)航空結(jié)構(gòu)件機(jī)器人制孔精度受裝夾方式及定位方式影響較大。針對航空零件結(jié)構(gòu)特征研究合理工裝,提高定位精度,減少裝夾變形,對保證機(jī)器人制孔精度有著重要意義。