面向大型衛(wèi)星的可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工技術(shù)

張加波，劉海濤，樂毅,3,*，楊繼之，易茂斌，王云鵬，柔磊

1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100190

2. 天津大學(xué) 機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072

3. 清華大學(xué) 機(jī)械工程系，北京 100084

隨著中國(guó)載人航天和探月工程的全面實(shí)施，超大型航天器的研制任務(wù)量成倍增加。其尺寸大(直徑>4 500 mm、長(zhǎng)度>9 000 mm)、性能高(徑厚比>1 000，整體弱剛性和局部高剛性的復(fù)雜結(jié)構(gòu))、服役難(±200 ℃高低溫交變環(huán)境和15年以上設(shè)計(jì)壽命對(duì)尺寸公差要求極其嚴(yán)格)的特點(diǎn)及高精、高效的加工需求對(duì)制造方法提出了新的挑戰(zhàn)。以某大型衛(wèi)星裝配過程為例，要求分布在多塊結(jié)構(gòu)板上的安裝面具有較高的形位公差(如共面度、平面度)，且僅憑裝調(diào)很難保證載荷面的安裝精度。因此，在整星部裝完畢后，安裝面需進(jìn)行再加工。

近年來，以移動(dòng)機(jī)器人為代表的小型加工單元被列為2019年度國(guó)外國(guó)防制造技術(shù)動(dòng)向之一，成為實(shí)現(xiàn)大型航空航天零部件高精、高質(zhì)制造的新趨勢(shì)。例如，德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)研制出用于飛機(jī)機(jī)翼加工的移動(dòng)機(jī)器人；華中科技大學(xué)丁漢院士團(tuán)隊(duì)針對(duì)大型風(fēng)電葉片加工研制出移動(dòng)磨拋機(jī)器人；浙江大學(xué)研制的移動(dòng)加工機(jī)器人設(shè)備被應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身鉆鉚；天津大學(xué)研制出面向大型航天結(jié)構(gòu)件的移動(dòng)混聯(lián)加工機(jī)器人。目前，工業(yè)機(jī)器人加工大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件已成為必然趨勢(shì)。

移動(dòng)機(jī)器人加工大型航天器的主要難點(diǎn)在于裝備加工精度與制造工藝。Zhao等基于工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)研制了一套可移動(dòng)機(jī)器人加工系統(tǒng)，通過將數(shù)控加工工藝方法(如刀具補(bǔ)償、坐標(biāo)系框架變換等)移植到工業(yè)機(jī)器人上，使其具備了數(shù)控機(jī)床的加工能力。在精度補(bǔ)償方面，南京航空航天大學(xué)石章虎等開展了基于誤差相似性的移動(dòng)機(jī)器人定位誤差補(bǔ)償技術(shù)研究，結(jié)果顯示系統(tǒng)綜合定位誤差平均值由補(bǔ)償前的1.045 mm降低到0.227 mm。Susemihl等則使用雙目視覺相機(jī)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行引導(dǎo)，將移動(dòng)機(jī)器人的位置精度由1.6 mm降低至0.1 mm，并建立了移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)與空客A320機(jī)翼的誤差轉(zhuǎn)換關(guān)系。在工藝方面，北京理工大學(xué)王西彬等采用機(jī)器人行星復(fù)合銑削大型鋁合金構(gòu)件，加工效率提升21.34%以上，表面粗糙度降低幅度超過33.33%。天津大學(xué)Xiao等基于Trimule平臺(tái)建立了一套雙臂混聯(lián)機(jī)器人鏡像加工系統(tǒng)用于加工薄壁結(jié)構(gòu)件，能夠?qū)? mm薄壁件加工精度控制在±0.05 mm以內(nèi)。漢堡技術(shù)大學(xué)的Brillinger等為解決移動(dòng)加工機(jī)器人加工過程中測(cè)量遮擋問題，提出移動(dòng)激光跟蹤儀的工藝方法，同時(shí)證明了該方法不會(huì)影響激光跟蹤儀的檢測(cè)精度。

目前的研究主要將可移動(dòng)串聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)制孔，其定位加工策略以局部法向找正為主。而采用移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人加工大型結(jié)構(gòu)件如衛(wèi)星等還鮮有報(bào)道。因此，提出了一種面向大型衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)的可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工新方法。首先，描述了可移動(dòng)機(jī)器人加工實(shí)驗(yàn)的方案；其次，提出了可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工的定位策略；接著，闡述構(gòu)建移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人加工系統(tǒng)的方法；最后，開展了面向大型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件的可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工實(shí)驗(yàn)。

1 可移動(dòng)機(jī)器人加工定位策略

衛(wèi)星上存在很多較大的載荷，如太陽翼、數(shù)傳天線等，其載荷壓緊面和安裝孔分布在多塊衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板上。即便是由高精度機(jī)床加工出的壓緊面，受裝配誤差影響，也很難保證安裝面的尺寸精度。為滿足精度要求，需要在衛(wèi)星部裝完畢后，對(duì)這些安裝面進(jìn)行再次加工。

目前采用的加工方案如圖1所示，首先在衛(wèi)星部裝工位完成壓緊面的裝配，然后使用激光跟蹤儀進(jìn)行精測(cè)，測(cè)量出壓緊面在整星坐標(biāo)系下的位置，拆卸下來以后，單獨(dú)把這些壓緊面拿到小型數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工，加工完畢后重新安裝到衛(wèi)星上，并再次使用激光跟蹤儀檢測(cè)加工結(jié)果是否合格。這種“工位不動(dòng)，衛(wèi)星移動(dòng)”的工藝流程涉及到部裝、機(jī)加兩個(gè)車間轉(zhuǎn)運(yùn)，精測(cè)-拆卸-加工-復(fù)裝-復(fù)測(cè)過程，涉及3次基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。

圖1 原加工流程和可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工流程對(duì)比Fig.1 Comparison of original processing flow and processing flow of using mobile hybrid robot

而采用“衛(wèi)星不動(dòng)，工具移動(dòng)”的可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工流程則可以避免工位和基準(zhǔn)變化導(dǎo)致的效率和精度的問題。衛(wèi)星可以在部裝工位保持不動(dòng)，當(dāng)壓緊面裝配完畢以后，即可將機(jī)器人移動(dòng)到衛(wèi)星部裝工位，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行加工。

在實(shí)際的應(yīng)用中，移動(dòng)機(jī)器人取代了傳統(tǒng)機(jī)床加工，而高精度的定位找正是該方法的關(guān)鍵。由于移動(dòng)式機(jī)器人的“隨意”移動(dòng)會(huì)使得工件坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系間精確的相對(duì)位置關(guān)系很難直接確定，因此移動(dòng)式加工需要首先建立二者間的位置關(guān)系模型。

1.1 整星工件坐標(biāo)系的找正

其中，全局坐標(biāo)系為激光跟蹤儀自身定義的坐標(biāo)系框架，是由激光跟蹤儀本身自然生成的坐標(biāo)系。工件整體坐標(biāo)系是工件所有加工型面的基準(zhǔn)，所有型面的加工尺寸與形位公差都與工件整體坐標(biāo)系有關(guān)，檢測(cè)結(jié)果也都基于工件整體坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 建立整星的工件整體坐標(biāo)系Fig.2 Establishment of a workpiece coordinate system for Satellite

工件局部坐標(biāo)系、、…、L、…、L：是工件所有加工型面的局部基準(zhǔn)，是每一個(gè)加工型面，或臨近的幾個(gè)加工型面附近，激光跟蹤儀和移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人視覺相機(jī)都能夠拍攝識(shí)別的靶標(biāo)點(diǎn)組構(gòu)成，一共有個(gè)靶標(biāo)點(diǎn)組則移動(dòng)混聯(lián)加工機(jī)器人需要移動(dòng)次才能加工完成所有型面。靶標(biāo)點(diǎn)組通常由3～5個(gè)相鄰的靶標(biāo)點(diǎn)組成，這些個(gè)標(biāo)點(diǎn)呈接近三角形的布置方式穩(wěn)定的粘貼或吸附在加工型面附近非加工區(qū)域上。

(1)

(2)

其中：

1=1×1。

1.2 粗定位策略

引入可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人，由于受到全向移動(dòng)平臺(tái)精度的影響，機(jī)器人移動(dòng)至加工對(duì)象衛(wèi)星位置處的定位精度，通常在5～10 mm左右，很難滿足前面所說的0.2 mm以內(nèi)的公差要求。因此在設(shè)計(jì)可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人的定位策略時(shí)，分成粗定位和精定位兩個(gè)步驟，粗定位主要實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)機(jī)器人的大范圍移動(dòng)，使得其上安裝的混聯(lián)機(jī)器人行程，能夠覆蓋局部坐標(biāo)系下全部加工內(nèi)容，然后再通過測(cè)定局部坐標(biāo)系相對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的精確位置，并修正加工程序，完成衛(wèi)星上結(jié)構(gòu)的精確加工，具體的過程如下：

圖3 移動(dòng)機(jī)器人粗定位后與整星坐標(biāo)系的關(guān)系Fig.3 Relationship between mobile robot and workpiece coordinate system after rough positioning

(3)

粗定位過程，不需要使用精度達(dá)到10mm的定位裝備?？梢允褂檬覂?nèi)GPS，基于激光或視覺的同步定位與地圖繪制 (Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)或者基于二維碼導(dǎo)航的方式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇侄ㄎ徽`差并不會(huì)影響最終的加工精度，這也提高了移動(dòng)式加工的自適應(yīng)能力。

1.3 精確定位策略

圖4 移動(dòng)機(jī)器人精確定位后與整星坐標(biāo)系的關(guān)系Fig.4 Relationship between mobile robot and workpiece coordinate system after accurate positioning

(4)

2 加工系統(tǒng)集成

可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人主要由全向移動(dòng)平臺(tái)、混聯(lián)機(jī)器人、加工主軸和控制系統(tǒng)組成，如圖5所示。其中全向移動(dòng)平臺(tái)為基于麥克納姆輪的全向智能移動(dòng)平臺(tái)，具備全向移動(dòng)、智能避障、電動(dòng)升降調(diào)平等功能，并為機(jī)械臂及其輔助設(shè)備提供接口。

圖5 可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人Fig.5 Mobile hybrid robots

除麥克納姆輪外，在全向移動(dòng)平臺(tái)底部，安裝了視覺傳感器，位置控制精度可達(dá)到±1 mm，可以滿足粗定位策略的精度要求。全向移動(dòng)平臺(tái)還具備電動(dòng)升降支腿，當(dāng)全向移動(dòng)平臺(tái)達(dá)到位置后，3條電動(dòng)支腿下降，形成三點(diǎn)支撐。保證混聯(lián)機(jī)器人本體在加工過程中的穩(wěn)定性。電動(dòng)支腿海配備壓力儀表，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支腿壓力狀態(tài)。

可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人本體部分采用TriMule 800系列五自由度混聯(lián)機(jī)器人，其由1T2R 三自由度空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)和A/C 轉(zhuǎn)頭串接而成。通過標(biāo)定和剛度補(bǔ)償，其標(biāo)定方法可以參考文獻(xiàn)[19-20]。其全行程范圍內(nèi)的定位精度可以達(dá)到0.02 mm 以內(nèi)，完全滿足衛(wèi)星太陽翼壓緊面加工精度要求。

3 衛(wèi)星艙體的加工驗(yàn)證

3.1 加工要求分析

以大型衛(wèi)星艙體太陽翼壓緊面組合加工為例，開展應(yīng)用驗(yàn)證。具體加工要求如圖6所示。其上分布1 600 mm×800 mm的梯形區(qū)域內(nèi)分布了4個(gè)60 mm×50 mm的太陽翼壓緊面，分別安裝在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板1和2上，由于結(jié)構(gòu)板本身存在變形誤差，加上其采用螺孔連接，裝配誤差的疊加導(dǎo)致這4個(gè)壓緊面的誤差達(dá)到2 mm，難以保證其與整星坐標(biāo)系±1 mm的尺寸精度、0.5 mm的垂直度和0.2 mm的共面度要求。因此通常在上述壓緊面上留出一定的加工余量，在其裝配完成后整體進(jìn)行一次加工，保證4個(gè)面的尺寸精度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 衛(wèi)星太陽翼壓緊面及其尺寸精度要求Fig.6 Satellite solar wing pressing surface and its dimensional accuracy requirements

3.2 加工系統(tǒng)構(gòu)建

加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示，由可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人、激光跟蹤儀和衛(wèi)星艙體組成。首先由激光跟蹤儀完成衛(wèi)星整星坐標(biāo)系的建立，可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人移動(dòng)至加工工位附近，由于可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人全向移動(dòng)平臺(tái)存在定位誤差，其上所設(shè)置的機(jī)床坐標(biāo)系無法與理論位置重合，即機(jī)床坐標(biāo)系和工件坐標(biāo)系的位姿關(guān)系發(fā)生了偏移。因此需要將該偏移在數(shù)控程序中進(jìn)行坐標(biāo)系變換，以此調(diào)整刀尖位置。

圖7 加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成Fig.7 Composition of processing experiment system

通過激光跟蹤儀可實(shí)現(xiàn)混聯(lián)機(jī)器人的精確定位。由于全向移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)器人本體固聯(lián)在一起，激光跟蹤儀測(cè)量全向移動(dòng)平臺(tái)上的靶球，并通過機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系的變換，即可得到其刀尖點(diǎn)的精確位置。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所采用的刀具包括兩類。一種是直徑為16 mm的普通合金立式銑刀，另一種是直徑80 mm的自制刮面鏜刀，在鏜桿處安裝菱形車刀片。兩者均采用“Zig”方式加工。由于后者的直徑大于加工面寬度，只加工一行即可覆蓋整個(gè)安裝面。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters

圖8和圖9分別是適用上述兩種刀具的加工過程和加工結(jié)果，由加工照片得知，刮面鏜刀對(duì)于此類“最后一刀”的端面精加工，去除余量不大，粗糙度要比立式端銑刀更好，因此后續(xù)4個(gè)面的加工均采用刮面鏜刀。圖10是4個(gè)面的最終加工結(jié)果。

圖8 使用端銑刀加工過程和結(jié)果Fig.8 Machining process and results using end milling tool

圖9 使用刮面鏜刀加工過程和結(jié)果Fig.9 Machining process and results of scraped boring tool

圖10 最終加工結(jié)果Fig.10 The final machining results

3.3 加工結(jié)果及分析

加工實(shí)驗(yàn)主要檢測(cè)加工表面的平面度、共面度、垂直度等。使用激光跟蹤儀靶球采集4個(gè)加工面上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，每個(gè)面上采集約40個(gè)點(diǎn)位。并在整星坐標(biāo)系下完成加工結(jié)果分析，整星坐標(biāo)系的建立方式如圖11所示。

圖11 整星坐標(biāo)系與測(cè)量點(diǎn)云Fig.11 Coordinate system of spacecraft and measurement point cloud

平面度評(píng)價(jià)結(jié)果如圖12所示。采用最小二乘法，保證各點(diǎn)到擬合面的距離平方和最小，計(jì)算出各面位置，然后比較測(cè)量點(diǎn)到該平面的距離，并取距離的最大值作為評(píng)估，4個(gè)面的平面度都在0.03 mm以內(nèi)，證明機(jī)器人在進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過程中，擬合的平面較好。此外，相較于普通機(jī)床直線插補(bǔ)過程單軸或多軸的運(yùn)動(dòng)控制，混聯(lián)機(jī)器人始終涉及到三個(gè)并聯(lián)軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，較好的平面度指標(biāo)也驗(yàn)證了其插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)的控制性能。

圖12 平面度誤差曲線Fig.12 Flatness error curves

在檢測(cè)單個(gè)面的平面度后，需要測(cè)量4個(gè)面共同形成的共面度。評(píng)價(jià)4個(gè)面的共面度，仍采用上述方法，建立最佳擬合面如圖13所示，然后比較測(cè)量各點(diǎn)到該平面的距離，并取距離的最大值作為評(píng)估，從計(jì)算結(jié)果得知，共面度達(dá)到0.2 mm。

圖13 共面度評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.13 Coplanarity evaluation results

在各面的平面度滿足要求的前提下，說明機(jī)器人直線插補(bǔ)的精度能夠滿足要求，而影響共面度的因素還有機(jī)器人的刀軸進(jìn)給方向和刀具軸線平行問題。由于混聯(lián)機(jī)器人刀軸方向并不存在實(shí)際軸，因此需要旋轉(zhuǎn)工件坐標(biāo)系使其向與刀軸方向重合。

由于太陽翼有指向精度要求，需確保太陽翼壓緊面組合加工滿足位置度指標(biāo)要求。針對(duì)整星基準(zhǔn)平面，在建立的整星基準(zhǔn)坐標(biāo)系下記錄4個(gè)平面的值。4個(gè)平面向最大值和最小值如表2所示。相對(duì)于基準(zhǔn)的位置度為0.6 mm。

表2 4個(gè)凸臺(tái)Z向極值坐標(biāo)Table 2 Z-direction extremes values of four bosses

由檢測(cè)結(jié)果可知，使用混聯(lián)機(jī)器人能夠較好的完成衛(wèi)星整星制造，由于每一顆衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部裝都需要經(jīng)過該加工過程，因此采用本方法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星整星的制造具有廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

1) 相較于傳統(tǒng)方法將衛(wèi)星轉(zhuǎn)移至機(jī)床上進(jìn)行組合加工，該方法減少了衛(wèi)星轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，降低了吊裝風(fēng)險(xiǎn)。

2) 采用初步定位與精確定位相結(jié)合的“兩步定位法”大大提高了移動(dòng)式混聯(lián)機(jī)器人加工的定位精度，為大型衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件高精、高效加工提供了可行性。

3) 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用刮面鏜刀時(shí)可移動(dòng)混聯(lián)機(jī)器人加工平面度達(dá)到0.08 mm、共面度為0.2 mm、距離公差僅為0.6 mm，均達(dá)到衛(wèi)星太陽翼壓緊面的組合加工要求。