基于工业机器人的飞机部件柔性化装配系统研究

黄 希，王 恒，田 威，马海波

（1. 南通大学 机械工程学院，南通 226019；2. 南京航空航天大学 机电学院，南京 210016）

0 引言

飞机作为一种复杂产品，其研制过程改型频繁，结构和外形的调整对制造设备的柔性化要求日趋迫切。此外，为了缩短制造周期，节约成本，在批量生产时也对设备的柔性化提出了技术需求。飞机制造质量的关键环节在于装配，装配质量直接影响到飞机的总体性能指标，因此，飞机制造对设备柔性化和自动化的需求最迫切的是装配系统[1,2]。目前国内外已经广泛应用的自动钻铆设备在提高自动化水平和装配质量方面效果突出，但是在柔性化水平上还略显不足，因此，国内外学者都在探索一种新的柔性装配系统，其中研究的热点集中在工业机器人载体的应用。尽管已有德国Brötje和美国ELECTROIMPACT公司推出了类似产品，但在系统定位精度、离线编程、末端执行器集成等方面还存在一定的提升空间，同时这些技术对我国进行了封锁[3]。

本文的目的是为了进一步完善柔性装配系统的理论体系，突破国外技术的封锁，对系统的组成和工作模式、精度补偿以及离线编程等关键技术进行探索，为基于工业机器人的飞机部件柔性化装配系统的研制提供理论支持。

1 系统组成与工作流程分析

1.1 柔性装配系统组成

飞机部件的装配工作包括定位、夹紧和连接，其中定位和夹紧主要是通过工装来实现，连接主要包括制孔和铆接，由末端执行器和自动化平台实现。根据飞机部件的制造任务需求和柔性化技术需求，本文讨论的飞机部件柔性装配系统主要由柔性工装、机器人、末端执行器、地轨、控制器和激光跟踪仪等组成，如图1所示。柔性工装为阵列式POGO柱结构，对工件的适应范围广泛；末端执行器安装的机器人的法拉盘上，机器人装配在地轨的滑台上，以便实现更大的加工范围，末端执行器具备制孔和铆接功能；激光跟踪仪实现系统坐标系关系建立和机器人定位精度补偿研究。

图1 系统组成

1.2 系统工作流程分析

根据对基于工业机器人的飞机部件柔性化装配系统的功能需求分析，系统主要工作包括柔性工装重构任务、机器人工作任务、末端执行器任务三大部分，由于本系统属于一个异构的、多轴、开放式数控系统，系统控制流程由工件三维数模决定，以此为数据源生成各个任务的控制程序，并最终完成相应的生产任务。

具体工作流程包括离线编程、精度补偿和加工三个阶段，详细工作流程如图2所示。首先，根据产品数模分析工装、机器人和末端执行器的任务，通过离线编程平台完成对柔性工装、机器人和末端执行器的任务规划，接着应用精度补偿功能模块实现对机器人的定位精度补偿，最后将数控程序下载到控制器，控制相关功能部件完成整个装配加工流程。

图2 系统工作流程

2 系统精度补偿技术

2.1 精度补偿需求分析

飞机装配的精度和制造质量在很大程度上取决于制孔的精度，制孔的精度除了表征孔的加工质量以为还包括孔位精度和孔的轴线与蒙皮法向的重合精度（下面简称“法向精度”）。其中，系统的绝对定位精度与孔位精度相关，刀具的姿态定位精度与孔的轴向精度相关。

根据系统的组成，其位置定位精度在很大程度上取决于工业机器人的绝对定位精度，但是传统工业机器人通常强调重复定位精度，而绝对定位精度是其薄弱环节，一般在2-3mm左右，无法满足飞机制造的定位精度要求（≤0.5mm），因此通过一定的技术手段提高机器人的绝对定位精度是一个重要的技术前提[4,5]。

法向精度是一个相对概念，表征的是刀具轴向与待加工的法向之间的偏差。因此，其精度取决于两个方面：1）系统本身的姿态定位精度；2）产品物理实体与CAD数模的一致程度。

2.2 精度补偿方法

根据上述需求分析，为了确保系统的制造质量，必须首先通过绝对定位精度补偿和法向精度补偿发发保障系统的位置和姿态定位精度。

1）绝对定位精度补偿方法

工业机器人是一种半闭环的伺服控制系统，其末端关节的绝对定位精度与杆件制造误差、装配误差、负载变化、环境条件等多因素的综合影响，主要分为几何因素和非几何因素。根据对影响因素的分析，提出了一套应用激光跟踪仪来标定机器人定位误差，从而实现对其绝对定位精度的补偿。

直接标定机器人末端关节定位精度的研究思路，忽略机器人本体的几何参数对各个关节定位误差的影响，将机器人视为一个黑箱结构，通过先进的激光跟踪仪测量手段，综合考虑空间网格、温度和负载等影响因素，建立理论定位坐标与实际定位坐标之间的对应关系，运用神经网络技术获得机器人绝对定位精度补偿模型。

本方法是以机器人较高的重复定位精度为基础，以实现补偿后的绝对定位精度趋近于重复定位精度为研究目标。假设在一个足够小的立方体网格区域内（如图3所示），任一点的绝对定位误差与网格四周八个顶点的绝对定位误差具有一致性或者内在的关联，探索这一区域内的定位精度补偿方法成为可能。通过测量实验获得立方体网格顶点空间定位理论坐标与实际坐标之间的关联，在此基础上建立网格内任一点定位精度的补偿模型。

图3 精度补偿基本思想

2）法向精度补偿方法

法向精度的误差主要包括两个因素：工件的制造误差（蒙皮表面）、机器人的定位姿态误差。根据利用激光跟踪仪的实测，比较好的品牌的工业机器人（如KUKA）的姿态定位精度较高，小于0.1°，这与飞机制造行业对法向精度小于0.5°的要求小很多，因此可以忽略，重点考虑检测蒙皮的法向与刀具轴向夹角的方法和补偿这个法向夹角的方法。

根据上述分析，提出了基于工业机器人的法向精度补偿方法，在末端执行器前端安装四个位移传感器，检测距蒙皮的距离，再通过数据处理计算法向与轴线的偏差，最后计算机器人需要调整的姿态，以补偿上述法向误差，法向精度补偿方法原理如图4所示。

图4 法向精度补偿方法

3 全软件数控系统离线编程技术

根据第一节中对系统组成和工作流程的分析，该系统属于一个异构的、多轴数控系统，需要完成对机器人、末端执行器、柔性工装和地轨的单元的控制任务，其特点与传统数控系统区别较大。根据对当前数控技术发展的分析，构建了如图5所示的全软件数控系统构架。全软件型结构的开放式数控系统是建立在实时操作系统和标准数字伺服驱动器接口基础上，是全部由软件实现数控系统功能的系统。这种结构的数控系统具有较好的价格优势和可伸缩性，将是未来开放式数控系统发展的主要方向。

图5 数控系统结构

由于该数控系统的自身特点，其控制策略的生成是一个技术难点，包括了机器人轨迹规划、机器人姿态规划、柔性工装重构策略、末端执行器任务规划等，而这些策略都直接与加工对象CAD模型建立关联，基于产品CAD模型的系统控制程序的自动生成是系统广泛应用的关键。

目前国内也有部分学者对离线编程技术进行可研究，并取得了一定的进展，其研究主要是两种模式[6,7]：一是在已有CAD平台上进行二次开发；二是从几何建模到上层的轨迹规划进行全面独立开发。这两种方法尽管都可行，但是前者对CAD软件本身的依赖性较大，后者技术的稳定性和成熟度要差一些。为此，提出了一种类似于传统CAM的数控编程模式，独立开发一套前处理软件，完成运动控制轨迹规划和工艺规划，利用成熟CAD平台导出的产品几何信息和材料信息，并在DELMIA平台上进行验证。具体的离线编程流程如图6所示。首先通过CAD模型导出加工点位信息和材料信息，然后再前处理软件中进行坐标系转换、点位规划、姿态规划、工艺规划和加工参数规划等，最后将生成的控制程序在DELMIA中进行验证和反复修正，并最终生成可用的离线编程程序。

4 试验验证

应用以上关键技术，结合行业的实际需求，实际开发了一套基于工业机器人的飞机部件柔性装配试验系统，系统包括工业机器人、末端执行器、地轨、工装、激光跟踪仪、控制系统等组成，能够完成壁板的制孔任务，如图7所示。

图6 数控系统离线编程流程

在该试验系统上，对常见的航空铝合金进行了制孔试验验证，具体的技术指标如表1所示，试验结果表明，该系统在定位精度、加工节拍、制孔质量等方面均能够满足行业需求，为该技术的进一步推广应用打下了良好的基础。

表1 系统技术指标

图7 飞机部件柔性装配试验系统

5 结论

以工业机器人为基本平台，与末端执行器、地轨及工装集成，能够实现飞机装配的自动化和柔性化，极大提高飞机装配的质量和缩短研制周期。通过精度补偿技术能够有效解决机器人绝对定位精度低的不足，为将工业机器人应用于飞机装配打下了基础。此外，突破基于工业机器人的飞机部件柔性装配系统离线编程技术也是保证系统方便可靠应用的一个技术难点，在通用CAD软件平台的基础上，通过对前处理编程软件的开发，能有效解决这一关键技术。实际研制的试验系统验证结果表明，系统的技术指标达到飞机制造的精度、质量和效率等方面的要求，为技术的推广应用打下了基础。

[1] 范玉青.飞机数字化装配技术综述—飞机制造的一次革命性变革[J]. 航空制造技术,2006,(10):44-48.

[2] 郭恩明. 国外飞机柔性装配技术[J].航空制造技术,2005,(9):28-32.

[3] 邓锋.采用标准关节机器人系统对飞机货舱门结构的自动钻铆[J].航空制造技术,2010,(19):32-35.

[4] Agostino Martineli，Nieola tomatis，Adriana tapus,Roland Siegwart. Simultnaeous localization and odometry calibration of mobile robot[C].Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ international conference on intelligent robots and systems,Las Vegas,Nevada,2003,1499-1504.

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[6] 毛剑飞,邹细勇.基于面向对象的机器人离线编程和图形仿真系统的研究[J].中国机械工程,2005,16(5):436-439.

[7] 吕鹏,孟正大.弧焊机器人离线编程的实用化技术[J].华中科技大学学报,2008,36(增刊I):273-276.