移載式機器人制孔系統(tǒng)在飛機裝配中的應(yīng)用

劉春鋒，曹 碩，趙 爽，張海鵬

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引 言

現(xiàn)代飛機結(jié)構(gòu)裝配連接形式仍以鉚接和螺接為主，連接件數(shù)量多達幾萬至數(shù)十萬件，隨著飛機性能指標和壽命要求的逐步提高，對連接質(zhì)量要求也不斷提高，尤其是機體表面鉚釘、螺栓頭相對氣動外形外表面凸凹量允許范圍不斷縮小[1]。 采用傳統(tǒng)手工制孔方法，孔的精度、垂直度、位置準確度及鉚釘窩的一致性不高，綜合穩(wěn)定性、一致性、可靠性相對較差，難以滿足新一代飛機裝配質(zhì)量要求[2-5]。

隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展，機器人自動制孔技術(shù)以其自動化程度高、柔性化程度高、性能穩(wěn)定等特點，在波音、空客等公司的各型飛機裝配過程中得到廣泛應(yīng)用，大幅提高了飛機的作業(yè)效率和產(chǎn)品質(zhì)量[6-9]。 在我國航空制造領(lǐng)域，大型飛機壁板類、艙門類結(jié)構(gòu)已采用機器人自動制孔技術(shù)，而小型飛機表面復(fù)雜、部件差異大、結(jié)構(gòu)剛性弱，仍以手工制孔為主，對于機器人自動制孔技術(shù)的應(yīng)用還不廣泛、不深入。同時，新一代飛機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表面復(fù)雜、零組件眾多、裝配工藝復(fù)雜，裝配生產(chǎn)線仍以大量復(fù)雜固定式裝配工裝，呈現(xiàn)出復(fù)雜、多樣、較難改變等布局特點，因而傳統(tǒng)的機器人制孔方式難以實現(xiàn)生產(chǎn)線上不同結(jié)構(gòu)形式、疊層材料制孔[10]。 因此，盡快引入一種成本低、適應(yīng)范圍廣，同時可實現(xiàn)高精度、高效率、高穩(wěn)定性的自動制孔設(shè)備，具有非常重要的工程應(yīng)用價值。

為滿足某型飛機結(jié)構(gòu)制孔質(zhì)量和生產(chǎn)效率要求，構(gòu)建了一套用于飛機壁板類結(jié)構(gòu)的先進移載式機器人制孔系統(tǒng)。 系統(tǒng)采用機器人搭載小型化末端執(zhí)行器，集成大功率、大扭矩電主軸，可實現(xiàn)對鋁合金、鈦合金、復(fù)合材料等疊層材料的精確制孔锪窩過程。 整個制孔機器人安裝在AGV （Automated Guided Vehicle，自動導(dǎo)引運輸車）上，系統(tǒng)可實現(xiàn)在飛機部件裝配生產(chǎn)線上的全方位移動，可對固定在不同裝配型架結(jié)構(gòu)部組件進行自動制孔。 該系統(tǒng)具有技術(shù)先進、定位準確、對工裝及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)適用范圍廣等優(yōu)勢。

1 移載式機器人制孔系統(tǒng)的組成及特點

移載式機器人制孔系統(tǒng)由機器人、 末端執(zhí)行器、AGV（含升降平臺）三部分組成，由電氣控制管理系統(tǒng)進行控制管理。 如圖1 所示。

圖1 移載式機器人制孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 系統(tǒng)組成

1） 機器人

系統(tǒng)采用標準6 軸機器人， 通過對A1~A6 軸的伺服電機系統(tǒng)控制實現(xiàn)機器人不同的位置與姿態(tài)，變換各軸驅(qū)動角度，共同實現(xiàn)制孔點位控制，實際應(yīng)用中可在機器人輸出軸增加光柵實現(xiàn)主關(guān)節(jié)閉環(huán)控制以提高系統(tǒng)控制精度，如圖2 所示。

圖2 機器人

2）末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器主要由電主軸、主軸進給裝置、壓力腳、法向自動找正裝置、刀具冷卻裝置、吸屑裝置、自動測量系統(tǒng)等裝置組成（見圖3），其通過相機定位、法向測量、制孔、锪窩、吸塵、工件預(yù)壓等一系列功能，實現(xiàn)了對孔法向位置、锪窩深度的精確控制，實現(xiàn)對不同疊層材料的鉆孔、锪窩作業(yè)。

圖3 末端執(zhí)行器

3） AGV 車（含升降平臺）

AGV 作為移載平臺，通過和機器人的集成運用，融合雙目視覺、區(qū)域掃描、自動導(dǎo)航等先進傳感器系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能、準確位移。 AGV 由多個伺服電機、全方位驅(qū)動輪組驅(qū)動、雙輪萬向輪等組成（見圖4），通過伺服電機協(xié)同控制驅(qū)動、行駛、安全保護，實現(xiàn)對AGV 和機器人實時監(jiān)控。 其通過麥克納姆輪實現(xiàn)車體在平面內(nèi)任意移動，AGV 在固定和移動時的變換是由輪組與車體間的自動升降系統(tǒng)實現(xiàn)車體升降，且車體設(shè)置固定剛性支撐，以實現(xiàn)整車穩(wěn)定性。

圖4 AGV 車（含升降平臺）

4） 電氣控制管理系統(tǒng)

移載式機器人自動控制管理系統(tǒng)由末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)、移載平臺控制系統(tǒng)及機器人控制系統(tǒng)三部分組成。 系統(tǒng)軟件驅(qū)動設(shè)備實現(xiàn)光學導(dǎo)引控制、安全控制、運動位姿控制、程序輸入輸出及編輯儲存、運動編程仿真等功能。

1.2 移載式機器人制孔系統(tǒng)的特點及應(yīng)用優(yōu)勢

目前采用機器人進行自動制孔或鉆鉚的設(shè)備主要有三種典型形式：①固定基座式；②移動滑軌式；③平臺移載式，如圖5 所示。 各種機器人自動制孔設(shè)備分析對比情況見表1。

表1 典型自動制孔設(shè)備的分析對比表

圖5 三種典型機器人自動制孔設(shè)備

綜上，固定基座式、移動滑軌式與平臺移載式三種類型的機器人制孔系統(tǒng)在設(shè)計理念上的不同，決定了三者在適用范圍、應(yīng)用靈活性等方面呈現(xiàn)較大的差異。 相對于前兩者，移載式機器人在實際應(yīng)用中呈現(xiàn)如下優(yōu)勢：

1） 它是一臺可全方位移動設(shè)備， 徹底改變了機器人“不動”或“直線運動”的模式，具有更強的靈活性與更廣的適應(yīng)性，能更好地滿足飛機裝配生產(chǎn)線上的各類工裝與產(chǎn)品的自動制孔作業(yè)需求；

2） 它模擬人工制孔過程，不需要因產(chǎn)品與工裝適應(yīng)機器人需求而改變現(xiàn)行工裝設(shè)計制造方式，避免了因增加工裝帶來的生產(chǎn)線布局、地基調(diào)整及制造成本的問題，同時也避免了在制孔過程中移動工裝位置而造成生產(chǎn)線過度復(fù)雜，降低飛機制造過程風險。

2 移載式機器人制孔系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

針對小型飛機結(jié)構(gòu)特點及部件裝配生產(chǎn)線自動制孔需求，從機器人制孔系統(tǒng)移載實現(xiàn)、法向找正、锪窩深度控制等方面分析關(guān)鍵技術(shù)，并說明其實現(xiàn)原理和方法。

2.1 系統(tǒng)站位間的精確定位技術(shù)

移載式機器人精確定位主要包括機器人校正、坐標系建立、三坐標系統(tǒng)一和AGV 定位等環(huán)節(jié)，該過程是系統(tǒng)實現(xiàn)制孔的基礎(chǔ)，其中三坐標系統(tǒng)一是系統(tǒng)精確定位的關(guān)鍵。三坐標系統(tǒng)一主要實現(xiàn)產(chǎn)品、工裝、設(shè)備坐標系的統(tǒng)一，包括機器人坐標系(世界坐標系、靶標坐標系、BASE 坐標系、工件坐標系)、機器人移動平臺坐標系、末端執(zhí)行器工具坐標系，如圖6 所示。

圖6 坐標系示意圖

坐標系的統(tǒng)一關(guān)鍵在于記錄設(shè)備運動的位置，確定設(shè)備間的相互位置關(guān)系，即坐標系標定。 主要坐標系標定方法如下：

1） 靶標坐標系

靶標坐標系是機器人坐標系(世界坐標系、靶標坐標系、BASE 坐標系、工件坐標系)、機器人移動平臺坐標系和末端執(zhí)行器動工具坐標系建立的基礎(chǔ)。靶標坐標系由靶標中心點的位置確定。靶標坐標系的建立采用虛點對尖法。 其建立方法如下：

（1） 在激光跟蹤儀測量坐標系下設(shè)定一個固定虛點；

（2） 將靶標固定在機器人末端法蘭盤上，操作機器人，使靶標從若干(一般為3 個以上)不同方向接近該虛點，當靶標實際位置與固定虛點位置在激光跟蹤儀坐標系下各方向的距離誤差小于一定范圍值時，則定義靶標已接近虛點，記錄此時靶標中心點姿態(tài)。

2） 世界坐標系

世界坐標系標定是為了建立世界坐標系與激光跟蹤儀測量坐標系之間的關(guān)系，將激光跟蹤儀測量坐標系轉(zhuǎn)站到世界坐標系，使激光跟蹤儀測量坐標系與世界坐標系重合，如圖7 所示。

圖7 世界坐標系建立示意圖

其建立方法如下：

（1） 測量公共觀測點在世界坐標系下的坐標值；

（2） 移動激光跟蹤儀設(shè)備后， 測量公共觀測點在激光跟蹤儀坐標系下的坐標值；

（3） 計算激光跟蹤儀測量坐標系與世界坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系；

（4） 將激光跟蹤儀測量坐標系轉(zhuǎn)站到世界坐標系下，使激光跟蹤儀測量坐標系與世界坐標系重合。

3） BASE 坐標系

BASE 坐標系由機器人基座中心點的位置和機器人安裝的姿態(tài)組成，因此建立BASE 坐標系即建立基座中心點的位置和機器人安裝的姿態(tài)在世界坐標系中的位姿。 其建立方法如下：

①操作機器人使靶標依次沿BASE 坐標系的Xb、Yb 軸運動，如圖8 所示，保證對應(yīng)X 或Y 坐標值增加，另兩坐標不變，記錄激光跟蹤儀測量坐標系下靶標點的坐標，擬合得到Xb 軸、Yb 軸在世界坐標系下的姿態(tài)；

圖8 機器人基座坐標系建立示意圖

②根據(jù)Xb、Yb 軸在世界坐標系下的擬合姿態(tài)進一步擬合出空間坐標軸；

③通過靶標坐標系的建立可以從機器人操作系統(tǒng)讀出n(n≥3)個靶標點在BASE 坐標系下的坐標，通過激光跟蹤儀得到該靶點在激光跟蹤儀測量坐標系下的坐標，計算出BASE 坐標系原點在激光跟蹤儀測量坐標系下的位置。

4）工件坐標系

工件坐標系的建立可根據(jù)機器人軌跡測量工件上一些基準要素確定。 工件坐標系建立過程如下：

①在預(yù)設(shè)為工件坐標系的平面上選取三個特征點，其中兩點在X 軸上，一點在XOY 平面上，如圖9所示；

圖9 工件坐標系建立示意圖

②操作機器人運動到這三個點，分別記下這三點在激光跟蹤儀測量坐標系下的坐標值；

③操作機器人沿著工件坐標系的X、Y 軸直線運動，根據(jù)機器人法蘭位置調(diào)整工具坐標系位置。

2.2 基于接觸式尋法的高精度制孔技術(shù)

孔的法向精度是指孔的軸線與制孔面在制孔點的法線夾角。 它直接影響制孔質(zhì)量，法向偏差可能會嚴重削弱結(jié)構(gòu)件連接強度，因此對孔的法向精度控制是確保高精度制孔質(zhì)量的關(guān)鍵指標之一?？刂瓶追ㄏ蚓戎饕ㄟ^檢測裝置檢測飛機蒙皮在制孔點的法矢，控制鉆頭按蒙皮的法矢方向加工蒙皮，其中蒙皮法矢的檢測是自動制孔技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，它是提高制孔法向精度的根本性因素。

移載式機器人制孔系統(tǒng)主要采用接觸式尋法方式，通過壓力腳實現(xiàn)對孔的法向精度的控制。 當壓力腳接觸到蒙皮表面上，通過壓力腳集成的4 個法向傳感器檢測理論法矢和實際法矢，控制系統(tǒng)根據(jù)法向傳感器自動調(diào)整鉆頭偏轉(zhuǎn)方向，直至使鉆頭軸線垂直蒙皮制孔處的局部曲面（近似平面），如圖10 所示。

圖10 法向線性位移傳感器

2.3 基于壓腳位置補償?shù)娘粮C精度技術(shù)

針對不同材料、不同剛度的加工產(chǎn)品，锪窩深度的高精度控制是自動制孔系統(tǒng)控制的難點與重點。在制孔過程中，蒙皮會受到壓腳壓力、刀具等作用產(chǎn)生變形和振動， 由于蒙皮在不同區(qū)域具有不同的剛度，壓腳及刀具的作用使得飛機蒙皮發(fā)生變形和振動量也是實時變化的，對應(yīng)末端執(zhí)行器相對位置也是實時變化的。 為此，采取了壓腳位置精確補償?shù)姆椒▉磉M行锪窩深度控制。壓腳位置補償即在壓腳與執(zhí)行器底座之間安裝激光距離傳感器實時監(jiān)控壓腳與執(zhí)行器的相對位置變化量，末端執(zhí)行器進給電機根據(jù)壓腳反饋的工件變形量，實時補償進給量，構(gòu)成執(zhí)行器進給的閉環(huán)控制，如圖11 所示，從而實現(xiàn)對制孔锪窩深度的精確控制。

圖11 帶位置補償?shù)倪M給軸閉環(huán)控制框圖

3 移載式機器人自動制孔系統(tǒng)在實踐中的應(yīng)用

以上述關(guān)鍵技術(shù)為支撐構(gòu)建的具有可移載、高精度、高效率等特點的移載式機器人制孔系統(tǒng)，已在某產(chǎn)品裝配過程中得到實際應(yīng)用，依次完成了工藝試片驗證、站位移動及部件制孔，具體試驗效果如下。

3.1 系統(tǒng)應(yīng)用工藝流程

整個自動制孔系統(tǒng)應(yīng)用工藝流程主要包括AGV車移動、系統(tǒng)定位和末端執(zhí)行器制孔三大環(huán)節(jié)等。

如圖12，AGV 車移動定位是指AGV 車根據(jù)工作需求移動到達指定工位，進行工位和車之間的信息交互確認。系統(tǒng)定位主要包括車體初定位和相機定位兩個環(huán)節(jié)， 其中坐標系擬合過程整個定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。末端執(zhí)行器制孔過程是整個系統(tǒng)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。主要包括如下流程：①壓力腳貼近工件表面→②法向測量→③壓力腳壓緊→④鉆孔（锪窩）→⑤長度計檢測鉆孔距離→⑥吸屑及刀具冷卻→⑦鉆孔完成→⑧退刀→⑨檢測制孔質(zhì)量，其中①、②環(huán)節(jié)，是制孔過程的關(guān)鍵。其通過采用接觸式尋法技術(shù)實現(xiàn)孔位法向位置的建立和確定，從而確?？孜环ㄏ蚓?，同時通過壓力腳壓緊功能，實現(xiàn)對锪窩深度尺寸的精確控制。

圖12 系統(tǒng)應(yīng)用主要流程圖

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果

3.2.1 系統(tǒng)完成工藝試片應(yīng)用驗證

為確保生產(chǎn)線部件制孔的質(zhì)量，結(jié)合各部件疊層形式及特點，按照上述系統(tǒng)制孔工藝流程，開展了鋁、鈦、復(fù)材疊層材料工藝試片制孔驗證，具體項目見表2。

表2 某產(chǎn)品自動制孔試驗情況表

1） 孔徑精度測量情況

試片的孔徑測量是由三坐標設(shè)備對孔徑尺寸大小進行直接測量。分別開展了五組不同材料工藝試片的一次性制孔锪窩試驗， 并且每組取樣30 個孔進行測試，其效果如圖13。

圖13 孔徑測量試片

從圖14 可直觀看出，對孔徑φ4.1mm 的孔，試片所有孔的實際孔徑尺寸介于φmin（4.101mm）和φmax（4.117mm）之間，達到了H8 的孔徑精度等級。

圖14 不同材料疊層孔徑曲線圖

2） 法向精度測量情況

試片孔（見圖15）的法向精度采用三坐標測量機測量，通過直接測量孔的垂直度換算得到孔法向角度方式。 為方便計量，δ=10mm 厚的試片上加工了9 個孔用于測量孔垂直度，其測試結(jié)果如表3 所示。

圖15 孔法向測量試片

表3 孔垂直度值實測表

經(jīng)對孔“法向偏差”與“垂直度”轉(zhuǎn)換計算，當孔法向角度偏差α 分別為0.3°和0.2°， 材料厚度δ=10mm時，孔垂直度偏差分別為0.052mm、0.035 mm。 由表3可知測試孔垂直度偏差最大值介于兩者之間，因此孔法向角度偏差可達指標為α≤0.3°， 優(yōu)于人工制孔0.5°的水平。

3） 锪窩深度測量

開展了五組不同材料工藝試片一次性制孔锪窩試驗，使用百分表進行窩的深度測量，每組取樣30 個制成窩進行測試，其測試結(jié)果如圖16 所示。

圖16 不同材料疊層锪窩深度曲線圖

從圖16 可分析得出， 上述5 組試片锪窩深度偏差范圍Δμ 在0.02mm~0.04mm。

4） 孔位偏差測量

使用三坐標測量機對上述試片中多組孔位數(shù)據(jù)測量，經(jīng)對制孔試片孔位實際與理論位置對比分析統(tǒng)計，制成孔與理論位置的偏差為0~ 0.5mm。

5） 加工效率測試

加工效率測試是通過利用設(shè)備監(jiān)控制孔時間去精確計時的。 圖17 為鋁+鋁疊層材料加工監(jiān)控效果圖。

圖17 不同材料加工效率監(jiān)測圖

圖17 中，制孔開始時間為T1=38160ms，制孔終止時間為T2=21348ms，間隔時間dT 為：176187ms；制孔數(shù)量為17 個，通過計算制孔效率為5.78 個/min。

同樣， 以此種方式分別檢測了鈦+鈦、 復(fù)材+復(fù)材、復(fù)材+鈦、復(fù)材+鋁疊層材料制孔，計算出的制孔效 率 分 別 為2.32 個/min、4.35 個/min、2.85 個/min、4.96 個/min。

3.2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)線多站位部件的應(yīng)用

如圖18 所示，圖中A、B、C、D 分別為不同的待加工產(chǎn)品，其中產(chǎn)品B、D 為鋁合金結(jié)構(gòu)部件，產(chǎn)品A、C 為鈦合金結(jié)構(gòu)部件。 移載式機器人實現(xiàn)了通過AGV 平臺移動， 按路線①→②→③→④→⑤依次完成了設(shè)備移動及部件的自動制孔锪窩過程。

圖18 移載式機器人制孔系統(tǒng)在實踐中的應(yīng)用

通過對上述部件制孔進行抽檢，經(jīng)測量驗證，系統(tǒng)在部件的制孔效果較好，基本與試片加工效果一致，能夠良好實現(xiàn)各部件的制孔與锪窩。

4 結(jié) 語

由機器人、末端執(zhí)行器、AGV 組成的移載式機器人制孔系統(tǒng)，其制成孔的孔位精度、孔徑精度、法向精度、锪窩深度、孔壁粗糙度等均達到了較高水平，基本能夠滿足新一代飛機結(jié)構(gòu)表面制孔要求。與人工制孔相比，機器人制孔具有效率高、穩(wěn)定性好的優(yōu)勢，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低勞動強度。 同時，移載式機器人制孔系統(tǒng)靈活性好、適用范圍廣，在部件類型多、結(jié)構(gòu)尺寸小、曲面變化大的小型飛機結(jié)構(gòu)表面制孔有一定優(yōu)勢。在具體應(yīng)用過程中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式、疊層材料種類、刀具選型、工裝結(jié)構(gòu)等因素均會對制孔范圍、精度、加工參數(shù)及效率等造成影響，需要進一步深入應(yīng)用，加強經(jīng)驗積累，建立工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫。在新型號研制中，也需結(jié)合技術(shù)發(fā)展進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化調(diào)整，不斷提升自動制孔的應(yīng)用程度。