基于雙目視覺的航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件機(jī)器人制孔研究

胡維鑫,尹佳,田輝

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司

1 引言

隨著新一代軍民機(jī)的研制,大型飛機(jī)的需求大幅增加,對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的制造提出更高的尺寸、精度和生產(chǎn)效率要求?？准庸ぴ诤娇罩圃鞓I(yè)中占有重要地位,尤其為滿足裝配需求,通常需要在零件緣板、立筋或腹板上制出大量導(dǎo)孔,制孔數(shù)量大,孔的位置分布各異。

傳統(tǒng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)主要采用人工制孔或數(shù)控機(jī)床制孔。人工制孔需經(jīng)過鉆孔、修毛刺等工序,制孔過程存在不穩(wěn)定、效率低、技能依賴性強(qiáng)等因素,難以滿足新型飛機(jī)裝配的高精度、高質(zhì)量需求[1]。數(shù)控機(jī)床制孔一般需要使用大擺角五軸設(shè)備,占地面積較大,且制孔占用機(jī)床大量時(shí)間,成本較高。同時(shí),由于工件數(shù)控加工過程中的裝夾限制以及數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)干涉的影響,大量導(dǎo)孔制取需要經(jīng)過二次裝夾,且部分特殊位置導(dǎo)孔因位置干涉無法使用機(jī)床制取。

機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,工業(yè)機(jī)器人攜帶相應(yīng)的制孔末端執(zhí)行器,已越來越多地被各大航空公司應(yīng)用于飛機(jī)自動(dòng)化鉆孔工作?，F(xiàn)有的機(jī)器人制孔系統(tǒng)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用集中于飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大部件裝配環(huán)節(jié)[2-4],此環(huán)節(jié)具有一次性制孔數(shù)量多、制孔公差大、裝夾次數(shù)少、產(chǎn)品種類少的特點(diǎn)。

與機(jī)身機(jī)翼等典型裝配組件相比,航空結(jié)構(gòu)件種類繁多,結(jié)構(gòu)、尺寸差異大,制孔數(shù)量較少,導(dǎo)致無法針對(duì)某一目標(biāo)零件設(shè)計(jì)特定工裝,無法將定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)在零件上,會(huì)引入額外的零件變形誤差和零件定位誤差,因此對(duì)機(jī)器人制孔系統(tǒng)的空間運(yùn)動(dòng)精度提出了更高要求。

本研究將雙目視覺攝影測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)器人制孔補(bǔ)償,使機(jī)器人制孔系統(tǒng)空間運(yùn)動(dòng)精度提升至0.16mm。在航空結(jié)構(gòu)件典型試驗(yàn)件上進(jìn)行制孔試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果證明了此方法的有效性。

2 機(jī)器人加工精度控制方法

機(jī)器人加工精度控制主要包括人工示教調(diào)整、精度標(biāo)定補(bǔ)償、關(guān)節(jié)軸半閉環(huán)補(bǔ)償和機(jī)器視覺補(bǔ)償?shù)确椒ā?/p>

示教調(diào)整是在編程后人工對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整,保存機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的一系列位置、姿態(tài)和速度等相關(guān)信息。機(jī)器人通過重復(fù)再現(xiàn)示教保存的程序來完成加工操作。在實(shí)際生產(chǎn)中,示教編程存在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度受操作人員水平影響大、精度低、調(diào)試占機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、試驗(yàn)件損耗大等問題[5]。

精度標(biāo)定補(bǔ)償是在機(jī)器人調(diào)試階段測(cè)量不同點(diǎn)位處機(jī)器人定位誤差,通過插值擬合建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)區(qū)域誤差模型;基于建立的模型預(yù)測(cè)、計(jì)算目標(biāo)位置的誤差,通過修正控制程序中目標(biāo)位置坐標(biāo)的方法來實(shí)現(xiàn)精度補(bǔ)償[6,7]。此方法操作簡(jiǎn)單,成本低,由圖1和圖2可知,補(bǔ)償后機(jī)器人空間定位誤差縮小至±0.35mm。

圖1 補(bǔ)償前機(jī)器人空間定位誤差

圖2 補(bǔ)償后機(jī)器人空間定位誤差

關(guān)節(jié)軸半閉環(huán)補(bǔ)償是在機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)軸處添加光柵尺獲取各軸回轉(zhuǎn)角度,利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸,補(bǔ)償回轉(zhuǎn)誤差[8]。此方法可實(shí)現(xiàn)±0.25mm的定位精度,但成本較高,與機(jī)器視覺補(bǔ)償相比,只能保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位精度,無法補(bǔ)償裝夾等環(huán)節(jié)造成的誤差。

機(jī)器視覺補(bǔ)償主要通過在機(jī)器人制孔末端執(zhí)行器加裝工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)[9],通過工業(yè)相機(jī)拍攝零件上預(yù)制的孔特征,在臨近制孔位置重新標(biāo)定機(jī)器人空間坐標(biāo),減少大幅度運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差造成的影響,保證孔位精度在±0.25mm以內(nèi)。此方法的補(bǔ)償特征在零件上獲取,受裝夾誤差及零件變形誤差影響小,可保證較高的孔位精度,在航空制造業(yè)大型部件自動(dòng)化裝配制孔環(huán)節(jié)中得到廣泛應(yīng)用。但此方法必須進(jìn)行預(yù)加工,在零件上分區(qū)域制取標(biāo)定孔,不適用于孔位較分散、單個(gè)零件制孔數(shù)量少的航空結(jié)構(gòu)件。圖3和表1為裝配件與結(jié)構(gòu)件的孔特征對(duì)比及需求差異。

表1 裝配件與結(jié)構(gòu)件制孔需求差異

(a)機(jī)翼制孔

3 基于雙目視覺攝影測(cè)量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)

基于雙目視覺攝影測(cè)量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)包括機(jī)器人制孔系統(tǒng)、雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)和快換工裝系統(tǒng)三大部分。機(jī)器人制孔系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、控制系統(tǒng)、末端執(zhí)行器、除塵系統(tǒng)等部分,與目前廣泛應(yīng)用的航空裝配制孔系統(tǒng)相同。雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)包括雙目視覺相機(jī)、靶標(biāo)、計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)處理軟件?？鞊Q工裝系統(tǒng)包括工裝基座和各族航空結(jié)構(gòu)件通用工裝。各部分以及加工零件之間關(guān)系如圖4所示。

圖4 基于雙目視覺攝影測(cè)量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)

基于雙目視覺攝影測(cè)量的機(jī)器人制孔系統(tǒng)各坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。

圖5 機(jī)器人制孔系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系

由雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量固定標(biāo)定板和快換工裝的靶標(biāo)得出大地坐標(biāo)系和工裝坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系,由工裝定位銷、底板、壓緊裝置確定工裝坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系,從而得到雙目視覺系統(tǒng)下的工件位置?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)預(yù)標(biāo)定的基坐標(biāo)系控制機(jī)器人粗定位,由雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量、反饋機(jī)器人末端執(zhí)行器空間坐標(biāo)系進(jìn)行機(jī)器人精定位,根據(jù)預(yù)標(biāo)定的刀具坐標(biāo)系得出刀尖點(diǎn)位姿。刀具坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系通過末端執(zhí)行器主軸進(jìn)給制孔運(yùn)動(dòng)發(fā)生關(guān)系,決定制孔位置度誤差。機(jī)器人制孔系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 機(jī)器人制孔系統(tǒng)流程

制孔系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)完成大地坐標(biāo)系、機(jī)器人坐標(biāo)系的標(biāo)定,安裝刀具時(shí)完成刀具—法蘭坐標(biāo)系的標(biāo)定。如需更換制孔零件族,只需更換相應(yīng)的快換工裝,并根據(jù)工裝上靶標(biāo)點(diǎn)標(biāo)定其相對(duì)大地坐標(biāo)系的變換關(guān)系。

機(jī)器人控制系統(tǒng)控制機(jī)器人完成粗定位后,雙目視覺測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)制孔末端執(zhí)行器空間位置誤差,反饋補(bǔ)償值至機(jī)器人控制系統(tǒng),反復(fù)迭代直至位置測(cè)量結(jié)果與理論值差異小于0.05mm,完成后機(jī)器人控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器主軸進(jìn)給,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)孔制取。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量試驗(yàn)

圖7為機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量試驗(yàn)方案,圖8為相應(yīng)的測(cè)量平臺(tái)。根據(jù)航空結(jié)構(gòu)件加工所需空間位置設(shè)置測(cè)量點(diǎn),在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)處由雙目視覺系統(tǒng)測(cè)量空間位置誤差并反饋給機(jī)器人控制系統(tǒng)作反向運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)機(jī)器人在該測(cè)量點(diǎn)穩(wěn)定后,使用激光跟蹤儀進(jìn)行測(cè)量,通過比對(duì)激光跟蹤儀測(cè)得的理論點(diǎn)位與實(shí)際點(diǎn)位的差值評(píng)價(jià)控制效果。

圖7 機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)量試驗(yàn)流程

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)

機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。圖中橫坐標(biāo)為點(diǎn)編號(hào),縱坐標(biāo)為激光干涉儀所測(cè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的相對(duì)距離誤差?？梢钥闯?雙目視覺補(bǔ)償系統(tǒng)可以將機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差控制在±0.2mm以內(nèi),滿足自動(dòng)化制孔需求。

圖9 空間運(yùn)動(dòng)誤差

4.2 航空結(jié)構(gòu)件制孔試驗(yàn)

根據(jù)某機(jī)型一典型零件族結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)制孔試驗(yàn)件,如圖10所示。試驗(yàn)件為單面帶筋結(jié)構(gòu)件,尺寸為1.3m×0.3m×0.04m,筋厚2mm,制φ2.7mm導(dǎo)孔,制孔位置度公差±0.3mm。

圖10 制孔試驗(yàn)件

制孔試驗(yàn)平臺(tái)主要包括840Dsl數(shù)控系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)、KR500機(jī)器人、末端執(zhí)行器和制孔工裝,如圖11所示。

①840Dsl數(shù)控系統(tǒng) ②雙目視覺系統(tǒng) ③KR500機(jī)器人

西門子840Dsl數(shù)控系統(tǒng)的主體部分包含HMI軟件系統(tǒng)、NC軟件系統(tǒng)、PLC軟件系統(tǒng)和通信接口軟件系統(tǒng)。雙目視覺系統(tǒng)包括兩個(gè)數(shù)碼攝像頭和一臺(tái)計(jì)算機(jī),可以在視場(chǎng)范圍內(nèi)跟蹤捕捉檢測(cè)到靶標(biāo)點(diǎn)的三維空間位置信息,實(shí)現(xiàn)30Hz以上的采樣頻率,并將測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給數(shù)控系統(tǒng)。KR500機(jī)器人為KUKA工業(yè)機(jī)器人,額定載荷為500kg,重量2385kg,最大運(yùn)動(dòng)范圍2485mm。末端執(zhí)行器為通用電主軸。制孔工裝包括通用工裝平臺(tái)、雙目視覺標(biāo)定板以及螺栓壓板。

完成鉆孔后,使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)孔位進(jìn)行檢測(cè)。由圖12可知,制孔x,z方向位置度誤差均小于±0.3mm,滿足公差需求。與機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)誤差測(cè)試試驗(yàn)相比,制孔誤差從0.16mm提高至0.3mm,原因在于機(jī)器人制孔誤差由機(jī)器人空間定位誤差、裝夾找正誤差、工件應(yīng)力變形誤差等多種誤差復(fù)合而成,制孔標(biāo)定基準(zhǔn)設(shè)置在工裝上必然引入裝夾誤差和變形誤差。

(a)x方向

5 結(jié)語

(1)將雙目視覺攝影測(cè)量技術(shù)與機(jī)器人自動(dòng)化制孔系統(tǒng)相結(jié)合,機(jī)器人制孔系統(tǒng)的空間運(yùn)動(dòng)精度為±0.16mm,加工精度為±0.30mm,滿足航空結(jié)構(gòu)件機(jī)器人制孔需求。

(2)航空結(jié)構(gòu)件機(jī)器人制孔精度受裝夾方式及定位方式影響較大。針對(duì)航空零件結(jié)構(gòu)特征研究合理工裝,提高定位精度,減少裝夾變形,對(duì)保證機(jī)器人制孔精度有著重要意義。