輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)定位檢測與自適應(yīng)規(guī)劃

肖亮，田威，邱燕平，張 旋，向 勇

(1. 南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016; 2. 江西洪都航空工業(yè)集團有限責(zé)任公司，江西 南昌 330024)

0 引言

隨著國家大飛機和新一代飛機的生產(chǎn)任務(wù)日益艱巨，對航空制造業(yè)也提出了更高的需求。傳統(tǒng)的基于型架與手工操作的飛機裝配技術(shù)和手段已經(jīng)不能適應(yīng)我國大飛機機身數(shù)字化對接裝配的需求，因而發(fā)展航空制造業(yè)自動化裝配技術(shù)具有相當重要的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義，具有輕型化、數(shù)字化和柔性化特點的先進技術(shù)已成為現(xiàn)代飛機裝配的迫切需求[1]。

在航空制造業(yè)，為保證飛機結(jié)構(gòu)使用壽命，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)裝配生產(chǎn)的高質(zhì)量和高效率，突破人工裝配的客觀限制，以B787、A380等為代表的現(xiàn)代大型飛機裝配過程越來越廣泛地采用了自動化裝配技術(shù)[2]。飛機自動化裝配系統(tǒng)主要沿著兩個方向發(fā)展：一種是高成本的、適用于大批量產(chǎn)品的大型專用自動化裝配系統(tǒng)，如MPAC、VPAC等。另一種是低成本的、適用于小批量產(chǎn)品的輕型自動化裝配系統(tǒng)，該系統(tǒng)以輕型化、數(shù)字化、柔性化、成本低的優(yōu)勢成為飛機自動裝配系統(tǒng)的發(fā)展方向之一，其典型代表有基于工業(yè)機器臂自動裝配系統(tǒng)、柔性軌道自動化裝配系統(tǒng)、輕型自主移動自動化裝配系統(tǒng)[3-6]。

無論是何種自動化裝配系統(tǒng)，其高度集成的末端執(zhí)行器[7-8]都成為影響裝配質(zhì)量和效率的關(guān)鍵所在，而鉆鉚系統(tǒng)多功能末端執(zhí)行器上的定位檢測模塊就是提高制孔定位精度的重要保證。在飛機裝配過程中，由于預(yù)加工產(chǎn)品的理論數(shù)模與實際數(shù)模之間存在誤差，加之工裝和產(chǎn)品制造與安裝誤差等因素勢必會導(dǎo)致待加工孔位的實際位置與理論位置存在偏差，因此需要對鉆鉚系統(tǒng)進行定位檢測[9-11]。通過識別產(chǎn)品上的基準建立偏差模型，修正實際產(chǎn)品位置，自適應(yīng)規(guī)劃待鉆孔位置，以保證制孔定位的高精度。

所以，為了迎合飛機自動化裝配系統(tǒng)模塊化、柔性化、輕型化的發(fā)展趨勢，滿足航空制造業(yè)高質(zhì)量、高效率、低成本的發(fā)展要求，提出了一種輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用高度集成的多功能末端執(zhí)行器，將其基于CCD相機的視覺檢測系統(tǒng)運用于鉆鉚系統(tǒng)定位檢測，并提出針對多坐標系系統(tǒng)和多種不同基準形式的檢測方法，搭建標定算法模型，解決因產(chǎn)品數(shù)模偏差與工裝制造、安裝誤差而造成的系統(tǒng)制孔位置精度較低的問題，保證了系統(tǒng)的加工質(zhì)量。

1 輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成分析

圖1為輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖[12]。按照機構(gòu)的功能組成，可將整個系統(tǒng)分為自主多足移動機構(gòu)與多功能末端執(zhí)行器兩大模塊。自主多足移動機構(gòu)由內(nèi)框架和外框架組成，在內(nèi)、外框架上分別用機械連接4條內(nèi)腿和4條外腿，并集成真空發(fā)生器、壓力傳感器、腿部電機、電機驅(qū)動器和換刀機構(gòu)等，保證系統(tǒng)在0°～180°斜面安全穩(wěn)定吸附行走[13]；在內(nèi)框架上除了4條腿之外還集成了多功能末端執(zhí)行器系統(tǒng)，主要由基準檢測模塊、法向檢測與調(diào)姿模塊和制孔锪窩模塊組成，用于高精度制孔加工[14-15]。

圖1 輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 定位檢測模塊分析

定位檢測是自動制孔系統(tǒng)實施制孔加工之前的一項非常重要的任務(wù)。由于待加工產(chǎn)品的理論數(shù)模與實際數(shù)模之間存在誤差，受工裝和產(chǎn)品制造與安裝誤差等因素的影響，為修正實際產(chǎn)品的位姿，往往在產(chǎn)品上預(yù)先加工若干個基準孔位，加工前首先識別產(chǎn)品上的基準，再修正加工任務(wù)。

由于輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)是吸附在機身上進行制孔工作，在不同的站位上，鉆鉚系統(tǒng)坐標系與產(chǎn)品坐標系的關(guān)系不能唯一確定，因此，所采用的辦法是鉆鉚系統(tǒng)在每一個站位上，通過CCD相機以拍照的方式記錄基準孔信息，建立局部坐標系，并通過數(shù)據(jù)處理得出基準孔在鉆鉚系統(tǒng)下的坐標，從而結(jié)合離線編程所獲取的站位信息，建立局部坐標系與產(chǎn)品坐標系之間的關(guān)聯(lián)。

對飛機身段對接對縫處的基準信息進行探究可知，有如下兩種基準可用于提供制孔基準檢測：1) 以3個或者3個以上的孔位作為基準孔，要求基準孔不在同一直線上。理論上基準孔個數(shù)越多，最終的坐標轉(zhuǎn)換精度越高。2) 以1個孔位為基準孔、上下段蒙皮搭接的縫作為基準直線。

在基于移動平臺的自動制孔系統(tǒng)中，定位檢測單元要安裝移動平臺上，并與移動平臺的控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)基準在線檢測，如圖2所示。具體任務(wù)流程為：1) 當機器人穩(wěn)定吸附時，通過移動內(nèi)部滑臺和末端執(zhí)行器移動相機，找到第一個基準孔；2)對基準孔進行拍照；3)繼續(xù)移動相機，尋找下一個基準孔；4)進行拍照；5)完成所有基準孔的拍照后，在相機內(nèi)部軟件中自行處理拍照信息從而得到精確基準孔位置。

圖 2 輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)定位檢測單元

2 定位檢測與加工任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃

定位檢測的任務(wù)是檢測基準孔或基準直線在鉆鉚系統(tǒng)坐標系下的實際位置，建立鉆鉚系統(tǒng)與加工產(chǎn)品的位置關(guān)系，并修正誤差，實現(xiàn)加工任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃，確保制孔質(zhì)量。由于同一產(chǎn)品上有多種類型的基準形式，所以需要針對不同基準形式提出相應(yīng)誤差修正方法，而無論何種基準形式，都需要經(jīng)過以下檢測流程，建立各站位的局部坐標系，并通過數(shù)據(jù)處理得出基準孔在鉆鉚系統(tǒng)下的坐標，從而結(jié)合離線編程所獲取的站位信息，建立局部坐標系與產(chǎn)品坐標系之間的關(guān)聯(lián)。

2.1 離線編程

定位檢測過程中所需的離線編程主要是孔位信息的提取。利用CATIA軟件進行參數(shù)化建模時，一旦在產(chǎn)品曲面指定位置上創(chuàng)建一個孔特征，即可借助CATIA提供的API函數(shù)接口，遍歷零件或產(chǎn)品中所有特征對孔位的位置信息進行讀取。倘若產(chǎn)品上沒有孔位特征，則需要根據(jù)制孔規(guī)格，同樣利用CATIA提供的API函數(shù)接口新創(chuàng)建孔位特征(同一直線上按照等間距進行陣列)，從而進行數(shù)據(jù)坐標讀取，并按照一定格式輸出在工藝文件中。

對于遍歷得出的孔位坐標信息，由于其中含有基準孔、待鉆孔，并且包括不同直徑的孔位，針對一段機身對接對縫蒙皮，鉆鉚系統(tǒng)不可能在一個站位上完成所有的制孔工作。因此，對離線編程提出的要求是：提取的信息要按照基準孔、不同尺寸的待鉆孔、站位這3個條件進行合理歸類，以滿足鉆鉚系統(tǒng)的工作要求。

2.2 定位檢測

基于CCD的視覺系統(tǒng)主要通過CCD相機獲取基準圖像，圖像經(jīng)過邊緣檢測、區(qū)域分割、邊界追蹤等預(yù)處理后，可以得到基準孔的邊界數(shù)據(jù)點集，然后通過一定方法，估計出基準孔參數(shù)。CCD相機獲得的是基準孔邊緣的二維圖像信息，可直接在圖像平面進行孔參數(shù)估計，將二維坐標信息經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，可得到最終的三維坐標，如圖3所示。

圖3 定位檢測示意圖

(1)

2.3 坐標建立

針對不同的基準形式，CCD相機拍照后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得實際基準信息，還需要采用不同方法建立局部坐標系[19-20]，從而實現(xiàn)局部坐標系與鉆鉚系統(tǒng)坐標系的相互轉(zhuǎn)換，最終獲得產(chǎn)品坐標系與鉆鉚系統(tǒng)坐標系的位置關(guān)系。

1) 四點基準檢測

從而有轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

(2)

(3)

將式(3)展開，且令

(4)

(5)

2) 三點基準檢測

如圖4所示，以3個基準孔位置建立局部坐標系P1-x'y'z'，其原點為P1，P1P2作為局部坐標系x'軸，P1P2×P1P3作為局部坐標系z'軸，再根據(jù)右手法則得到局部坐標系y'軸，最后在局部坐標系P1-x'y'z'的坐標軸各選取一點P4、P5、P6，使得P1P4、P1P5、P1P6為單位向量，則向量P1P4、P1P5、P1P6在鉆鉚系統(tǒng)坐標系下的矢量表達式為：

(6)

P1P4=a1i+b1j+c1k

(7)

記作a'2i+b'2j+c'2k。

將其單位化得局部坐標系z'軸單位矢量表達式：

(8)

又P1P5=P1P4×P1P6，則：

(9)

記作 ：

P1P5=a3i+b3j+c3k

(10)

而單位矢量P1P4、P1P5、P1P6在局部坐標系下的矢量表達形式為：

(11)

由此可得，局部坐標系P1-x'y'z' 3個坐標軸在鉆鉚系統(tǒng)坐標系下的方向余弦為：

(12)

(13)

(14)

圖4 3點建立坐標系示意圖

3) 點-線基準檢測

圖5 點-線建立坐標系示意圖

(15)

2.4 坐標輸出

通過離線編程獲得待鉆孔在產(chǎn)品坐標系下的坐標PWi(i=1,2,3,…,n)，根據(jù)以上的數(shù)據(jù)處理以及坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系，可求得待鉆孔在每一個站位的局部坐標系下的坐標LWi(i=1,2,3,…,n)為：

(16)

從而實現(xiàn)定位檢測與加工任務(wù)自適應(yīng)規(guī)劃功能。

3 實驗測試結(jié)果與分析

最后由離線編程給出待鉆孔在產(chǎn)品坐標系(即理論產(chǎn)品坐標系)下的坐標PWi(i=1,2,3,…,n)，計算出待鉆孔在局部坐標系(即實際產(chǎn)品坐標系)下的坐標LWi(i=1,2,3,…,n)，并由自動鉆鉚系統(tǒng)進行制孔實驗，得到如圖6(b)實驗板。經(jīng)三坐標測量儀測得所鉆孔在實驗板坐標系下的實際坐標，并與理論坐標對比，結(jié)果如圖7所示，至此完成實驗驗證。

圖6 制孔測試實驗

實驗結(jié)果顯示，輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)通過定位檢測所鉆孔的定位精度≤±0.5mm，同時所鉆孔經(jīng)檢測孔徑公差達到H9，法向精度≤0.5°，制孔效率≥6個/min，滿足航空制造業(yè)自動化裝配技術(shù)要求。因此，本文提出的標定方法和定位檢測算法正確可行。

圖7 制孔定位精度

4 結(jié)語

1) 提出一套基于CCD相機定位檢測的輕型自主移動鉆鉚系統(tǒng)，通過相關(guān)功能性分析，該系統(tǒng)能實現(xiàn)鉆鉚加工前的定位檢測功能。

2) 提出了針對復(fù)雜加工系統(tǒng)和多樣化基準形式的多坐標系建立及轉(zhuǎn)換方法與定位檢測策略，由最小二乘法或間接轉(zhuǎn)換法推導(dǎo)出理想位置與實際位置的偏差模型，自適應(yīng)規(guī)劃加工產(chǎn)品。

3) 通過實驗表明，相機標定和定位檢測算法正確，為鉆鉚系統(tǒng)下一步工序提供了位置精度保證，也為后期進一步工程應(yīng)用奠定了一定技術(shù)基礎(chǔ)。