標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人外部自動精確控制技術(shù)研究

南京航空航天大學(xué) 李冬磊 沈建新 田 威

飛機(jī)裝配在很大程度上決定了飛機(jī)制造的最終質(zhì)量、成本和研制周期，是整個飛機(jī)制造的龍頭與核心。而傳統(tǒng)飛機(jī)裝配所存在的專用剛性型架制造成本高，重復(fù)利用率低，手工操作依賴經(jīng)驗(yàn)、速度慢、效率低，誤差較大等缺點(diǎn)，使其無法滿足行業(yè)發(fā)展的新需求。因此，能夠大大縮短研制周期、降低開發(fā)成本、提高裝配質(zhì)量的柔性裝配系統(tǒng)成為飛機(jī)先進(jìn)制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，代表著飛機(jī)裝配技術(shù)的發(fā)展方向[1]。

標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人依靠其高柔性、高自動化、高適應(yīng)性、高靈活度與低成本等優(yōu)勢，在飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)中扮演著核心組成的角色，應(yīng)用日益廣泛。無論是在自動化鉆鉚、噴漆、打磨還是焊接領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)外部自動精確控制是決定標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人在飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)中應(yīng)用范圍、效果、效率和開發(fā)深度的關(guān)鍵因素[2-3]。

集成標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人的飛機(jī)柔性裝配技術(shù)在國外已得到廣泛研究與應(yīng)用。美國EI公司與歐洲空客公司共同開發(fā)了O.N.C.E（One Side Cell End Effector）機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)，孔位精度為±1.5mm[4]。德國BROETJE公司針對單通道飛機(jī)貨艙門內(nèi)部結(jié)構(gòu)研制了以KUKA KR360-L240型機(jī)器人為平臺的RACe（Robot Assembly Cell）自動鉆鉚系統(tǒng)，其定位精度可達(dá)±0.3mm[5]。

本文以飛機(jī)柔性裝配中的自動化鉆鉚系統(tǒng)為研究背景，旨在開發(fā)出可應(yīng)用于飛機(jī)柔性裝配的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人外部自動精確控制技術(shù)，并在加工效率、控制精度和穩(wěn)定性等方面滿足航空制造的要求。

系統(tǒng)硬件及通信鏈路架構(gòu)

1 系統(tǒng)硬件組態(tài)

飛機(jī)柔性裝配自動鉆鉚加工是標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人外部自動精確控制技術(shù)所應(yīng)用的典型場合，其系統(tǒng)如圖1所示。選用德國KUKA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人，負(fù)責(zé)承載末端鉆鉚設(shè)備、完成在加工區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)位運(yùn)動，機(jī)器人控制柜主要完成機(jī)器人控制任務(wù)并與上位機(jī)PC建立通信；機(jī)器人外部附加軸地軌實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人加工范圍的拓展[6]，安裝于動平臺和地軌上的磁柵尺傳感器負(fù)責(zé)采集附加軸地軌的站位距離信息，為后續(xù)精度提供保障。柔性工裝、工裝地軌以及被加工產(chǎn)品共同構(gòu)成產(chǎn)品柔性定位與緊固單元。除此之外，系統(tǒng)內(nèi)還包括倍福PLC控制系統(tǒng)和上位機(jī)PC集成控制系統(tǒng)，這兩部分分別在自動鉆鉚加工系統(tǒng)中扮演著神經(jīng)與大腦的角色，負(fù)責(zé)整個加工系統(tǒng)設(shè)備與信息的有機(jī)關(guān)聯(lián)以及任務(wù)的統(tǒng)籌指揮。

在自動鉆鉚系統(tǒng)中，由PLC控制系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)耦合決定的總體控制周期，由硬件制造精度、軟件算法補(bǔ)償和傳感器測量反饋共同保證的加工空間絕對定位精度，上述總體控制周期及空間絕對定位精度是評價自動鉆鉚集成控制系統(tǒng)性能的兩個最為重要的指標(biāo)[7]。

圖1 自動鉆鉚系統(tǒng)硬件組態(tài)

2 系統(tǒng)通信鏈路架構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人外部自動精確控制系統(tǒng)采用上位機(jī)PC集成控制的方式實(shí)現(xiàn)，由于下層被控硬件設(shè)備所能兼容的通信方式和協(xié)議不統(tǒng)一，采用雙通信主線的架構(gòu)，具體通信鏈路架構(gòu)如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人外部自動控制通信架構(gòu)

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，通信接口應(yīng)用Socket組件開發(fā)[8]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人走位數(shù)據(jù)的自上而下傳輸以及機(jī)器人自身狀態(tài)信息的自下而上反饋。

第二條通信主線則是采用由德國倍福公司定制的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)[9]，先由上位機(jī)PC通過上位機(jī)網(wǎng)卡2，借助以太網(wǎng)線與倍福SoftPLC端子排串聯(lián)，然后選用EL5101端子模塊將磁柵尺傳感器接入端子排，選用EL6731端子模塊，以Profibus_DP通信方式將西門子CP5614主從卡接入端子排，分別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人附加軸的位置信息反饋和機(jī)器人內(nèi)部I/O向上位機(jī)控制軟件變量的映射功能。

基于KUKA外部自動的機(jī)器人定位技術(shù)

機(jī)器人系統(tǒng)可以采用下列方式運(yùn)行：

（1）手動慢速運(yùn)行為T1。手動V手動≤250mm/s，程序運(yùn)行V自動≤250mm/s。

（2）手動快速運(yùn)行為T2。手動V手動≤250mm/s，程序運(yùn)行V自動=V編程設(shè)定。

（3）自動運(yùn)行（AUT）。不允許手動操作，機(jī)器人由其自身控制系統(tǒng)主控，程序運(yùn)行V自動=V編程設(shè)定。

（4）外部自動運(yùn)行（AUT EXT）。不允許手動操作，機(jī)器人由外部控制系統(tǒng)主控，程序運(yùn)行V自動=V編程設(shè)定。

外部自動運(yùn)行模式(AUT EXT)相較于其他3種運(yùn)行方式，有兩方面顯著優(yōu)勢：一是支持上級控制系統(tǒng)對機(jī)器人控制系統(tǒng)的接管控制，此時機(jī)器人控制系統(tǒng)被作為一個有機(jī)子系統(tǒng)集成入整體控制系統(tǒng)中，從而使控制方案更為靈活與統(tǒng)一；二是KUKA公司為外部自動運(yùn)行模式(AUT EXT)專門定制了一套規(guī)范、高效的加工應(yīng)用方案，從變量定義、I/O擴(kuò)展到程序運(yùn)行皆有完整規(guī)劃，面向用戶性能友好。因此本文設(shè)計(jì)在實(shí)際加工生產(chǎn)過程中全程采用KUKA機(jī)器人外部自動運(yùn)行模式(AUT EXT)，實(shí)現(xiàn)離線編程規(guī)劃的點(diǎn)位信息向機(jī)器人控制系統(tǒng)的以太網(wǎng)傳輸、機(jī)器人點(diǎn)位移動控制、機(jī)器人坐標(biāo)系的自動設(shè)定與選取以及機(jī)器人點(diǎn)位移動速度的動態(tài)修改、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測等諸多復(fù)雜控制任務(wù)。

為了啟動和運(yùn)行外部自動工作模式(AUT EXT)以實(shí)現(xiàn)上級控制系統(tǒng)對機(jī)器人控制系統(tǒng)的接管控制，需要將機(jī)器人控制系統(tǒng)中的系統(tǒng)變量與上位機(jī)控制系統(tǒng)中的設(shè)定變量一一鏈接，并按照特定時序改變對應(yīng)變量值。變量鏈接的具體軟硬件實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

圖3 上下位機(jī)變量鏈接軟硬件實(shí)現(xiàn)

在完成機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部變量到上位機(jī)集成控制軟件變量之間的鏈接之后，在上位機(jī)集成控制軟件中編制程序，按照用戶基于外部自動控制規(guī)則自行定制的時序圖，如圖4所示，寫入控制變量（PLC→KRC）并讀出反饋?zhàn)兞浚↘RC→PLC），從而系統(tǒng)地完成外部自動工作方式的開啟與正常運(yùn)行。

圖4 外部自動工作方式開啟與運(yùn)行時序圖

借助外部自動機(jī)制完成上位機(jī)控制系統(tǒng)對機(jī)器人控制系統(tǒng)的接管之后，上位機(jī)集成控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)自動解析離線編程生成的NC數(shù)控代碼，向機(jī)器人發(fā)送點(diǎn)位、速度及坐標(biāo)系信息，機(jī)器人接收控制信息并最終執(zhí)行等一系列功能，而無需借助機(jī)器人控制器以及人工操作，很好地滿足了現(xiàn)代飛機(jī)柔性自動化裝配的需求。

基于磁柵尺反饋的擴(kuò)展地軌定位技術(shù)

由于標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人自身可達(dá)范圍有限，采用附加外部地軌的形式擴(kuò)展機(jī)器人加工范圍。為減少低精度地軌對機(jī)器人自動裝配系統(tǒng)精度的影響，本文采用分站式的工作方式，即沿?cái)U(kuò)展地軌方向?qū)⒌剀壣先舾芍付ㄎ恢迷O(shè)為站點(diǎn)。首先將外部地軌以軸控制的方式并入機(jī)器人控制系統(tǒng)中，作為機(jī)器人本體六軸之外的擴(kuò)展第七軸，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體與地軌的聯(lián)合控制。機(jī)器人系統(tǒng)工作時，承載動平臺帶動設(shè)備先運(yùn)行至指定的站點(diǎn)，機(jī)器人本體開始鉆鉚工作；當(dāng)需要加工另一區(qū)域內(nèi)的待加工孔時，將承載動平臺運(yùn)動至擴(kuò)展地軌上的下一站點(diǎn)，依此類推。分站式工作方式如圖5所示。

圖5 機(jī)器人分站式工作模式

在采用分站式工作方式之后，要保證承載動平臺在擴(kuò)展地軌上的運(yùn)動精度，只需保證承載動平臺在擴(kuò)展地軌規(guī)劃站點(diǎn)處的定位精度即可。本文采用基于磁柵尺反饋的閉環(huán)控制定位技術(shù)，具體方法如下：

（1）根據(jù)現(xiàn)場加工方案和硬件布局在離線編程系統(tǒng)中規(guī)劃出各分站點(diǎn)位置，在擴(kuò)展地軌上安裝磁柵尺傳感器磁條，用以在現(xiàn)場物理空間中固定上述分站點(diǎn)位置。

（2）將磁柵尺傳感器讀頭安裝在承載機(jī)器人的動平臺上，將其測得的地軌實(shí)時距離信息通過倍福編碼器軸端子模塊EL5151反饋回上位機(jī)集成控制系統(tǒng)。

（3）控制系統(tǒng)根據(jù)反饋，匹配預(yù)定位置與實(shí)測位置的相對位置關(guān)系及誤差大小，采用離散化PID控制算法調(diào)整并下達(dá)載動平臺在擴(kuò)展地軌上的運(yùn)動控制指令，直至動平臺到達(dá)磁柵尺定位的規(guī)劃站位，最終實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置控制。

針對搭建的自動鉆鉚加工工程系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)取KP=0.4650，Kt=0.0583，KD=0 時，系統(tǒng)過渡時間較短，振幅較小，能夠?qū)崿F(xiàn)較好的PID定位控制效果。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1 整體工作空間絕對定位精度實(shí)驗(yàn)

在加工現(xiàn)場完整工作空間內(nèi)隨機(jī)抽取100個驗(yàn)證點(diǎn)，將其理論位姿（Xi，Yi，Zi，Ai，Bi，Ci，）經(jīng)過精度補(bǔ)償算法處理后依次發(fā)送給機(jī)器人進(jìn)行走位，采用API T3激光跟蹤儀同步測量并存儲每個驗(yàn)證點(diǎn)的真實(shí)三維坐標(biāo)（Xi'，Yi'，Zi'）。最后匹配該 100個驗(yàn)證點(diǎn)的理論坐標(biāo)值和真實(shí)坐標(biāo)值，得出每個驗(yàn)證點(diǎn)的X、Y、Z三向誤差值并作出評估。

圖6 某站位工作空間內(nèi)機(jī)器人絕對定位精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：100個驗(yàn)證點(diǎn)的X、Y、Z三向誤差均控制在 誤差帶內(nèi)且以零點(diǎn)為基準(zhǔn)上下波動。經(jīng)多站位、長時間間隔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定、一致、漂移小，具有普遍性。

圖7 系統(tǒng)控制周期測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 控制系統(tǒng)響應(yīng)周期實(shí)驗(yàn)

在滿足系統(tǒng)定位精度要求的同時，標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人自動定位控制系統(tǒng)還要求系統(tǒng)控制響應(yīng)周期在完整加工周期中所占的比例滿足航空工業(yè)控制指標(biāo)（5%以下）。因此模擬現(xiàn)場加工條件下基于外部自動模式的完整工作流程，設(shè)定控制系統(tǒng)響應(yīng)周期實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)整體流程如下：

（1）啟動外部自動工作模式。開啟成功后，KUKA控制系統(tǒng)運(yùn)行于CELL主程序，上位機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行于通信循環(huán)檢測狀態(tài)。

（2）上位機(jī)向KUKA控制系統(tǒng)發(fā)送執(zhí)行PTP運(yùn)動指令，KUKA控制系統(tǒng)響應(yīng)該指令并由CELL主程序跳轉(zhuǎn)至PTP運(yùn)動子程序，等待接收上位機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送的點(diǎn)位信息。

（3）上位機(jī)控制系統(tǒng)從當(dāng)前NC代碼行中解析出目標(biāo)點(diǎn)位信息，以XML文件進(jìn)行包裝后通過以太網(wǎng)通信傳入KUKA控制系統(tǒng)PTP運(yùn)動子程序，子程序解析該點(diǎn)位信息并執(zhí)行指定PTP運(yùn)動。

（4）KUKA控制系統(tǒng)檢測到PTP運(yùn)動執(zhí)行完畢后，向上位機(jī)控制系統(tǒng)反饋機(jī)器人當(dāng)前點(diǎn)位信息，上位機(jī)控制軟件接收、解析該點(diǎn)位信息，并將其顯示于軟件UI。

（5）KUKA控制系統(tǒng)由PTP運(yùn)動子程序自動跳轉(zhuǎn)至CELL主程序，等待執(zhí)行下一次運(yùn)動指令；上位機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)位外部自動控制變量，解析下一NC代碼行，開始下一輪PTP運(yùn)動外部自動控制。

在步驟3中，采用注釋的方式去除機(jī)器人走位時間，從而令監(jiān)測時間直接表示系統(tǒng)外部自動控制時間（步驟1～步驟5）和以太網(wǎng)通信響應(yīng)時間（步驟3～步驟4）。在上位機(jī)控制軟件中編寫計(jì)時程序，截取對應(yīng)時間點(diǎn)，測量出以太網(wǎng)通信響應(yīng)時間和外部自動控制周期 。

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

（1） 以 太 網(wǎng) 通 信 時 間T1分布 區(qū)間 為 [15ms，40ms]，平 均 值為16.60ms。

（2） 外部自動控制周期T2分布區(qū)間為 [120ms，200ms]，平均值為170.61ms。

以航空自動化鉆孔加工15s/個的鉆孔節(jié)拍為例，機(jī)器人自動定位控制系統(tǒng)控制周期在完整加工周期中所占的比例在2%以下，滿足航空制造要求。

結(jié)束語

本文面向飛機(jī)柔性自動鉆鉚系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)節(jié)機(jī)器人定位控制方法。針對機(jī)器人本體的空間定位要求，集成精度補(bǔ)償算法，深入研究外部自動工作模式；針對擴(kuò)展地軌上的站位切換任務(wù)，應(yīng)用基于磁柵尺位移閉環(huán)反饋的PID控制方式。最終將總體加工空間內(nèi)任一點(diǎn)的絕對定位精度控制在0.5mm以內(nèi)，并將系統(tǒng)整體控制周期限制在200ms以下，約占總體加工周期的2%，滿足航空工業(yè)制造要求，在某主機(jī)廠機(jī)翼鉆鉚加工現(xiàn)場已得到實(shí)際驗(yàn)證與應(yīng)用。

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