用于飞机部件自动制孔的机器人制孔系统研究

王婕

摘 要：结合飞机部件自动制孔发展的趋势，本文对机器人制孔系統的总体构成进行了分析，并对系统硬件设计和控制流程进行了研究，发现系统能够利用上位机+PLC控制方式实现飞机部件自动制孔流程的控制，能够较好地完成机器人和执行器的控制要求。

关键词：飞机部件；自动制孔；机器人制孔系统

中图分类号：TP242.2 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）02-0184-02

Research on Robot Hole System for Automatic Hole Making of Aircraft Components

WANG Jie

（AVIC Xi'an Aircraft Industry （GROUP） Co.，Ltd.，Xi'an 710089，China）

Abstract：The combination of aircraft components of automatic drilling and development trend，this paper analyzes a robot drilling system，then studied the system hardware design and control process，found that the system can use the PC +PLC control method for aircraft components control automatic drilling process，better control robot and actuator requirements.

Keywords：aircraft components；automatic hole making；robot hole making system

0 引 言

一直以来，航空工业制造技术都处于制造业的前端。在飞机数字化装配领域，机器人拥有的低成本、柔性化等特点引起了制造业的关注。伴随着飞机制造的自动化发展，同时随着机器人位置精度的提升，目前工业机器人也引入到飞机部件制造领域，用以实现飞机部件的自动制孔，满足飞机装配的效率要求。因此，我们还应加强对用于飞机部件自动制孔的机器人制孔系统的研究，以便更好地探究飞机制造未来的发展方向。

1 机器人制孔系统总体构成

从系统结构来看，机器人制孔系统由机器人、制孔执行器、视觉检测装置及上位机构成，能够用于进行飞机部件钻孔和铰孔等操作，是多功能钻削系统。其中，机器人负责结合制孔任务将制孔执行器移动至目标位置，在制孔执行器与飞机工件接触后在上位机控制下进行制孔[1]；视觉检测装置负责向上位机及机器人提供制孔位置信息和焊缝信息；上位机负责进行软件层启停控制，并负责进行制孔参数设置及监控各设备的运行状态。

2 机器人制孔系统主要硬件设计分析

2.1 机器人

系统采用的机器人为IRB6640机器人，内部包含IRC5 M2004控制系统，拥有多个处理器，采用PCI总线进行通信。利用I/O板，机器人可对外围设备的输入信号进行相应的控制。在系统工作时，主要采用自动模式、手动减速模式和手动全速模式，工作电压为24V，可以按照PAPID语言程序运动。利用以太网，机器人可以与上位机通信，实现运动指令、位置信息及运行状态的发送，并利用RS-232C传输钻孔参数等数据。

2.2 视觉检测装置

系统采用的视觉检测装置由FV2520型号的镜头和GRAS-20S4M-C型号的摄像机构成。根据需要识别的视场大小及识别精度选型。该装置能够用于进行制孔位置信息检测，并对系统的各组成设备的运行状态进行监控。通过手眼标定，可以对制孔位置进行识别和计算。此外，它还能利用检测装置进行焊缝检测。

2.3 制孔执行器

系统制孔器能够实现一体化制孔，它包含制孔单元、基准测量单元、压紧单元等各种单元，能够在制孔前将设备压紧，以减小机器人悬臂振动给制孔质量带来的影响。利用制孔单元，可以进行钻、铰一体化操作，并通过真空吸除废屑。另外，利用基准测量单元，可以进行制孔位置找正。

3 机器人制孔系统用于飞机部件自动制孔流程

3.1 系统控制方式

从系统采用的控制方式来看，主要是上位机与PLC联合控制的方式。利用PLC，可以与上位机构成安装灵活、扩展方便和性价比高的控制系统，同时系统可靠性较强，能够满足飞机部件自动制孔需求。其中，上位机负责进行机器人制孔系统启停控制，并负责制孔状态监控和参数设置。采用PLC，可以进行主轴旋转、进气和气缸往复运动的控制，即实现对执行器制孔操作过程的控制。从总体流程来看，系统开始运行后，机器人会先运动，上位机确认机器人是否到位，未到位继续运动，到位后会控制执行器钻孔[2]。钻孔后，系统需确认是否完成当前孔，未完成需要继续钻孔，完成后系统会进行已钻孔信息的统计，确认任务是否完成，未完成需要重新进行机器人运动，完成则能结束任务。

3.2 上位机控制

在上位机控制过程中，其界面包含手动模块、参数设置模块和自动模块三种，能够通过界面操作完成各项操作。利用手动模块，可以手动实现进给电机、主轴电机等装置的运行控制；通过参数设置模块，可以对系统各部门的运行参数进行设置，如进给电机进给率、制孔初始行列等；利用自动模块，可以使系统自动开展制孔任务，实现系统状态监控和启停控制。

3.3 PLC控制

在PLC控制方面，需要采用模块化思想进行编程。结合不同的控制对象进行不同模块的调用，如初始化指令模块、自动操作模块和回原点操作模块等。在执行器开始执行制孔任务时，可以进行手动、回零、自动三个模式的选择。选择自动模式，将实现初始化操作，然后进行压力采集，将工件压紧。在初始化阶段，系统需要进行故障检测，发现故障后，系统会报警，并进行复位操作。初始化完成后，才能进行钻孔。钻孔时，确认压紧到位后，会启动主轴，开始进给运动。进给完成后，将进行退刀，使执行器回到原点，然后退回压脚，完成钻孔。

3.4 系统控制关键点

在系统控制过程中，关键在于要保证系统信号协调。在机器人运动到指定位置后，需向PLC发送钻孔信号。完成钻孔任务后，PLC需要发出运动指令，使机器人移动。在制孔阶段，需要保证刀具轴线始终与工件表面垂直。利用机器人工具标定功能，可以进行刀具轴线与机器人第六轴法兰盘相对位置关系标定，来保证轴线垂直工件[3]。在系统运行的过程中，需要实时躲避障碍物，采用示教方式，可以对机器人路径进行规划，避免机器人与障碍物发生碰撞。

4 结 论

通过研究发现，采用机器人进行制孔执行器移动，同时利用视觉检测装置进行制孔位置检测可以使执行器准确落在制孔位置，在上位机和PLC控制下完成制孔操作。所以在飞机装配领域，采用机器人制孔系统可以完成部件自动制孔，提高飞机装配的效率，满足飞机部件制孔的质量要求。因此，相信随着相关技术的发展，机器人制孔系统将能在飞机自动装配生产领域得到应用。

参考文献：

[1] 刘顺涛，陈雪梅，郭喜锋，等.飞机蒙皮自动制孔工艺设计研究 [J].制造业自动化，2017，39（4）：87-90.

[2] 席志成，杨宏安，夏常凯，等.基于机器人的飞机部件自动制孔设备控制系统设计研究 [J].机械制造，2014，52（3）：61-64.

[3] 张杰，秦现生，胡鹏，等.基于机器人的飞机部件自动制孔末端执行器设计 [J].制造业自动化，2013，35（16）：15-17+24.