機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)應(yīng)用研究

魏顯奎

摘要：針對(duì)我國(guó)飛機(jī)產(chǎn)品高質(zhì)、高效自動(dòng)制孔要求以及飛機(jī)研制和生產(chǎn)中對(duì)智能自動(dòng)制孔系統(tǒng)應(yīng)用的迫切需求，面向異形異質(zhì)復(fù)雜部件的高質(zhì)、高效自動(dòng)制孔問(wèn)題，重點(diǎn)研制多功能末端執(zhí)行器，突破末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與集成、視覺定位與補(bǔ)償、孔位法向檢測(cè)、壓緊力檢測(cè)與控制、機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)集成控制等關(guān)鍵技術(shù)，形成機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)。試驗(yàn)件的工藝驗(yàn)證表明，該套機(jī)器人自動(dòng)制孔方案可以滿足產(chǎn)品的加工要求，提升飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)制孔;末端執(zhí)行器;離線編程;視覺補(bǔ)償;法向檢測(cè);工業(yè)機(jī)器人

0 ? ?引言

由于飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)模式仍然以工人手工群體性作業(yè)為主，在操作工人畫線定位、使用氣鉆等工具進(jìn)行制孔時(shí)，受人員熟練操作程度及個(gè)人技能影響，裝配過(guò)程中存在制孔一致性差、返工多、效率低等問(wèn)題，且傳統(tǒng)裝配方法常暴露出干涉不均、毛刺、分層等質(zhì)量問(wèn)題，難以滿足部件壁板裝配的精度要求，影響生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)開展了大量研究，國(guó)外技術(shù)發(fā)展的頂尖水平主要以美國(guó)ElectroImpact公司、德國(guó)KUKA公司和德國(guó)BRTJE公司等為代表，且相關(guān)設(shè)備已在多款機(jī)型上成功應(yīng)用，提高了裝配工藝水平[1]。但國(guó)外設(shè)備價(jià)格昂貴、交貨期長(zhǎng)、維護(hù)成本大，核心技術(shù)受制于人。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，但經(jīng)過(guò)航空相關(guān)科研院所和智能制造企業(yè)的共同努力，已取得初步的研究成果[2]，比如中國(guó)航空制造技術(shù)研究院、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海拓璞數(shù)控科技有限公司等國(guó)內(nèi)單位開展的機(jī)器人制孔系統(tǒng)研究。

針對(duì)公司飛機(jī)壁板組件裝配需求，開展機(jī)器人自動(dòng)制孔設(shè)備研發(fā)，通過(guò)機(jī)器人自動(dòng)制孔項(xiàng)目的研究，突破末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與集成、離線編程等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)制孔在飛機(jī)壁板組件上的應(yīng)用，提高了部件裝配質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低了成本，提升了企業(yè)的科技創(chuàng)新能力。

1 ? ?機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)組成

機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要由機(jī)器人、車體、末端執(zhí)行器、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

設(shè)備加工能力如表1所示。

1.1 ? ?機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要機(jī)械組成

1.1.1 ? ?制孔末端執(zhí)行器

制孔末端執(zhí)行器是基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)制孔系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，主要由壓腳單元、伺服進(jìn)給單元、主軸單元、視覺測(cè)量單元、法向測(cè)量單元、光柵尺檢測(cè)單元、排屑裝置和氣動(dòng)控制單元等多個(gè)機(jī)械單元構(gòu)成，如圖2所示。末端執(zhí)行器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的加工和信息采集等功能，其重量、結(jié)構(gòu)形式和體積等參數(shù)都會(huì)直接影響制孔的質(zhì)量。機(jī)器人與末端執(zhí)行器之間采用懸掛式鏈接，其可達(dá)性、可操作性和關(guān)節(jié)使用度優(yōu)良。

1.1.2 ? ?可移動(dòng)式機(jī)器人升降第七軸

可移動(dòng)式機(jī)器人升降第七軸是機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的重要組成部分，可以根據(jù)實(shí)際加工需求移動(dòng)位置，在使用時(shí)用自帶的固定機(jī)構(gòu)與地面固定，這樣就能滿足在不同工位上使用的要求?？梢苿?dòng)式機(jī)器人升降第七軸主要由立柱、滑座、支腿、可升降腳輪、進(jìn)給軸、光柵尺和操作臺(tái)等組成，如圖3所示。

1.2 ? ?機(jī)器人集成控制系統(tǒng)組成

機(jī)器人制孔系統(tǒng)包含多個(gè)硬件系統(tǒng)，每套系統(tǒng)均具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，如圖4所示。在制孔過(guò)程中，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制，形成完整可靠的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效制孔。

末端執(zhí)行器采用西門子SIMOTION-D數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，機(jī)器人與數(shù)控系統(tǒng)之間采用PROFINET總線進(jìn)行信號(hào)交互，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用SINAMIC S120交流伺服系統(tǒng)控制，主軸為變頻器控制，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置西門子可編程控制器，為設(shè)備在可靠工作前提下發(fā)揮其各種功能提供了保證。

采用多源數(shù)據(jù)耦合測(cè)控的制孔精度實(shí)時(shí)檢測(cè)、制孔質(zhì)量綜合評(píng)估、制孔系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)映射與控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、工裝間協(xié)同運(yùn)動(dòng)及作業(yè)。

2 ? ?機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)變曲率飛機(jī)壁板的自動(dòng)化制孔，涉及離線編程與仿真技術(shù)和末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 ? ?離線編程技術(shù)

機(jī)器人制孔離線編程系統(tǒng)以飛機(jī)部件產(chǎn)品的工藝數(shù)模為數(shù)據(jù)來(lái)源，通過(guò)獲取產(chǎn)品的加工孔工藝信息（如孔直徑、孔深、孔位坐標(biāo)、孔位法向信息等）來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人制孔任務(wù)的規(guī)劃。離線編程軟件工作流程如圖5所示。

（1）根據(jù)加工孔的類型、尺寸信息完成孔位的篩選，并進(jìn)行加工排序。

（2）通過(guò)關(guān)聯(lián)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)由孔位工藝信息自動(dòng)匹配制孔工藝，并可通過(guò)手動(dòng)添加的方式規(guī)劃制孔工藝。

（3）利用DELMIA的仿真功能對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，排除任務(wù)規(guī)劃中的不合理之處。

（4）按照加工代碼規(guī)范對(duì)離線規(guī)劃的加工任務(wù)進(jìn)行后置處理，輸出符合控制系統(tǒng)要求的機(jī)器人制孔程序。

2.2 ? ?末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)

2.2.1 ? ?視覺定位補(bǔ)償

視覺系統(tǒng)由智能相機(jī)、鏡頭、相機(jī)座和環(huán)形光源等組成，如圖6所示。相機(jī)對(duì)產(chǎn)品上基準(zhǔn)釘拍照，獲取二維圖像，并對(duì)基準(zhǔn)釘邊緣特征進(jìn)行圓擬合。圖像采集后發(fā)送信號(hào)給圖像采集卡，圖像采集卡把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)[3]，通過(guò)圖像處理與分析軟件對(duì)待測(cè)工件的圖像進(jìn)行分析與計(jì)算，計(jì)算出基準(zhǔn)釘2D坐標(biāo)值后，將指令發(fā)送給機(jī)器人，對(duì)要加工的孔位進(jìn)行修正，保證孔位精度。相機(jī)工作流程如圖7所示。

2.2.2 ? ?孔位法向測(cè)量

法向檢測(cè)單元是末端執(zhí)行器的核心部件，關(guān)系到制孔的垂直度，會(huì)影響鉚接質(zhì)量和產(chǎn)品壽命。