飛機(jī)部件的機(jī)器人鉆孔及系統(tǒng)

　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，飛機(jī)制造行業(yè)對飛機(jī)裝配技術(shù)提出了高質(zhì)量、高速度、低成本的生產(chǎn)要求，飛機(jī)柔性裝配技術(shù)得到了極大的發(fā)展。機(jī)器人制孔技術(shù)是飛機(jī)柔性裝配技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用和研究方向。由于機(jī)器人制孔系統(tǒng)一般采用工件不動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的方式，靈活性較好，且對工件的適應(yīng)性較好，同時(shí)能夠極大地提高制孔效率和精度，因此在國外已得到廣泛的研究和應(yīng)用。美國Electroimpact公司與英國空客公司聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)(O.N.C.E)，該系統(tǒng)主要用于波音F/A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的鉆孔和锪孔[1]；美國EOA公司與波音公司也聯(lián)合生產(chǎn)研制了一種機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)(EOA)，該系統(tǒng)可以完成對鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料以及疊層等飛機(jī)蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔工作；瑞典Novator公司根據(jù)Orbital鉆頭專利技術(shù)開發(fā)了一套機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)(Orbital E-D100)。但這些機(jī)器人制孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且成本較高。而國內(nèi)對于飛機(jī)部件機(jī)器人制孔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究尚處于起步階段。基于國內(nèi)外研究概況，針對飛機(jī)部件自動(dòng)化制孔，本課題開發(fā)了一套飛機(jī)部件級機(jī)器人制孔系統(tǒng)，系統(tǒng)涉及到機(jī)器人技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)以及手眼視覺技術(shù)等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)。
 　　　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　機(jī)器人制孔系統(tǒng)

系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)
　　飛機(jī)部件級機(jī)器人制孔系統(tǒng)能夠完成大型鈦合金、鋁合金以及疊層飛機(jī)零部件的自動(dòng)化制孔，圖1為機(jī)器人制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由機(jī)器人系統(tǒng)模塊、制孔執(zhí)行器模塊、視覺檢測系統(tǒng)模塊和上位機(jī)模塊4部分組成，圖2為機(jī)器人制孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中機(jī)器人模塊的主要作用是根據(jù)制孔任務(wù)移動(dòng)制孔執(zhí)行器到目標(biāo)位置，主要由機(jī)器人本體及機(jī)器人控制器組成；制孔執(zhí)行器模塊直接與工件接觸完成制孔任務(wù)，主要由制孔執(zhí)行器本體及PLC控制系統(tǒng)組成；視覺檢測模塊主要向上位機(jī)和機(jī)器人控制器提供制孔位置信息和焊縫信息；上位機(jī)模塊主要用于在軟件層控制系統(tǒng)的啟/停、制孔參數(shù)設(shè)置以及各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。下文分別從機(jī)械系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3方面對機(jī)器人制孔系統(tǒng)進(jìn)行論述和分析。

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　機(jī)器人制孔系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括制孔執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和機(jī)器人的選型。

　　制孔執(zhí)行器主要由主軸單元、進(jìn)給單元、壓緊單元、支承單元和傳感單元組成，如圖3所示。主軸單元和進(jìn)給單元主要完成制孔過程中的主軸運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；支承單元一方面為制孔執(zhí)行器上的其他組件提供必要的機(jī)械連接接口和支承，另一方面提供制孔執(zhí)行器與工業(yè)機(jī)器人連接的機(jī)械結(jié)構(gòu)；壓緊單元采用氣動(dòng)壓緊，主要作用是通過壓緊工件減小制孔過程中的系統(tǒng)振動(dòng)，同時(shí)也可以消除疊層材料之間的間隙，防止切屑和層間毛刺進(jìn)入疊層引起應(yīng)力集中；傳感單元主要用于制孔過程中的狀態(tài)信息采集，包括壓力傳感器、氣缸行程開關(guān)和進(jìn)給行程開關(guān)。制孔執(zhí)行器性能參數(shù)如下：
（1）外形尺寸長×寬×高約為580mm×274mm×350mm，重量約為45kg；
（2）可加工孔的直徑范圍為φ5mm～φ8mm，制孔材料為鋁合金、鈦合金或疊層材料；
（3）采用氣動(dòng)壓緊，壓緊力范圍為0～180kg，壓緊行程為0～20mm；
（4）主軸的最高轉(zhuǎn)速為6000r/min，額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，連續(xù)扭矩2N·m，峰值扭矩8N·m；
（5）可實(shí)時(shí)反饋壓緊力，用于監(jiān)測刀具的磨損或斷裂情況，并繪制壓緊力隨時(shí)間的變化圖；
（6）可附加外冷卻設(shè)備和真空吸屑裝置。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　工業(yè)中較常用的機(jī)器人主要有ABB、KUKA、Fanuc和Motoman等品牌。對于機(jī)器人制孔系統(tǒng)，機(jī)器人選型需要根據(jù)工件尺寸、制孔執(zhí)行器重量、制孔精度、鉆削力以及成本等因素綜合考慮。本系統(tǒng)選用ABB公司的IRB6640-235/2.25型工業(yè)機(jī)器人，其外形結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是由6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成的空間六桿開鏈機(jī)構(gòu)。
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ABB公司的工業(yè)機(jī)器人

視覺檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 手眼視覺標(biāo)定算法
　　視覺檢測系統(tǒng)采用基于機(jī)器人的手眼視覺，其主要作用有：（1）通過視覺定位向上位機(jī)和機(jī)器人控制器提供所需的制孔位置信息；（2）通過檢測焊縫并測量它與所需制孔位置的相互關(guān)系，為上位機(jī)和機(jī)器人控制器提供焊縫信息。手眼視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵問題是手眼關(guān)系標(biāo)定，一般的手眼視覺系統(tǒng)均是將攝像機(jī)安裝在機(jī)器人上，手眼視覺標(biāo)定即標(biāo)定出攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系的相對位姿關(guān)系，文獻(xiàn)[2-5]均對手眼標(biāo)定算法進(jìn)行了深入研究。

　　本系統(tǒng)的攝像機(jī)固定在制孔執(zhí)行器上，且工件是規(guī)則的平面�；�于以上原因，本課題采用了一種基于二維平面工作的手眼標(biāo)定算法，標(biāo)定出圖像像素坐標(biāo)系o-uv的u、v軸與全局坐標(biāo)系（機(jī)器人坐標(biāo)系）Ow-XwYwZw的Xw、Yw軸的夾角以及工具中心點(diǎn)（即鉆頭中心點(diǎn)）在視場坐標(biāo)系X1和Y1方向的坐標(biāo)。該算法不需要標(biāo)定攝像機(jī)工作的深度信息，且計(jì)算簡便、可操作性強(qiáng)。視場坐標(biāo)系O1-X1Y1是根據(jù)攝像機(jī)拍攝圖像時(shí)所能拍攝到的一個(gè)實(shí)際平面區(qū)域建立的，各個(gè)坐標(biāo)軸分別與圖像像素坐標(biāo)系各個(gè)軸平行。工件坐標(biāo)系O2-X2Y2Z2一般建立在工件上。全局坐標(biāo)系、圖像像素坐標(biāo)系、視場坐標(biāo)系以及工件坐標(biāo)系如圖5、6所示。

　　執(zhí)行制孔任務(wù)過程中，機(jī)器人在工件坐標(biāo)系下工作，工件坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系（機(jī)器人坐標(biāo)系）的位姿關(guān)系可以通過ABB機(jī)器人的工件標(biāo)定功能求得。攝像機(jī)的工作距離與手眼標(biāo)定時(shí)攝像機(jī)的工作距離相同，可由TCP到工件平面的距離保證。工件平面上制孔目標(biāo)點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中X2和Y2方向的坐標(biāo)值可根據(jù)手眼標(biāo)定所得的4個(gè)標(biāo)定量求得。

2 硬件和軟件設(shè)計(jì)
　　視覺檢測系統(tǒng)硬件主要包括攝像機(jī)和鏡頭，攝像機(jī)和鏡頭主要根據(jù)需要識(shí)別的視場大小以及識(shí)別精度來選型。本系統(tǒng)最終選用了PointGrey公司GRAS-20S4M-C型號(hào)的黑白工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和Myutron公司FV2520型號(hào)的固定25mm焦距鏡頭。

　　視覺檢測系統(tǒng)分為標(biāo)定模塊、定位模塊和焊縫檢測模塊。其中，標(biāo)定模塊的功能是進(jìn)行手眼標(biāo)定計(jì)算，定位模塊的功能是識(shí)別和計(jì)算定位孔位置，焊縫檢測模塊用于焊縫檢測，程序流程如圖7所示。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 控制系統(tǒng)整體方案
　　PLC具有可靠性高、安裝靈活、編程和擴(kuò)展方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，而且PLC總線與網(wǎng)絡(luò)能力越來越強(qiáng)，可以方便地與上位機(jī)組成控制系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)采用基于上位機(jī)和PLC的控制方式。如圖8所示，控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)和視覺檢測系統(tǒng)組成。

2 硬件設(shè)計(jì)
　　制孔執(zhí)行器采用PLC控制，需要控制的元件主要包括電磁閥、進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)、繼電器和指示燈等，PLC控制結(jié)構(gòu)如圖9所示。制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)配備有一個(gè)電氣控制柜，PLC、變壓器、各種繼電器、主軸和進(jìn)給電機(jī)伺服放大器等均安裝在控制柜中。

　　機(jī)器人采用IRB6640本身的IRC5 M2004控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)為多處理器系統(tǒng)，含有PCI總線。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過I/O板控制響應(yīng)外圍設(shè)備的輸入信號(hào)，含有2個(gè)模擬量通道、2個(gè)數(shù)字量（16位）通道，工作電壓為24V。機(jī)器人制孔系統(tǒng)的啟/停控制、制孔參數(shù)設(shè)置、制孔狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)主要由工業(yè)PC機(jī)完成。

3 軟件設(shè)計(jì)
　　控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分，本控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括下位機(jī)程序和上位機(jī)程序。其中下位機(jī)程序包括PLC程序和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序，上位機(jī)程序包括系統(tǒng)啟/�？刂瞥绦颉⒅瓶讌�數(shù)設(shè)置程序、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控程序、視覺檢測數(shù)據(jù)計(jì)算程序以及人機(jī)界面程序等5部分。

　　制孔執(zhí)行器采用PLC控制，根據(jù)功能和控制對象的不同，PLC控制系統(tǒng)可分為手動(dòng)操作模塊，回零操作模塊和自動(dòng)操作模塊、其程序流程如圖10所示。

　　　　　　
　　機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序采用IRB6640機(jī)器人的RAPID語言在機(jī)器人示教盒中進(jìn)行編寫，或者在其他計(jì)算機(jī)中編寫完成后通過USB接口下載到控制器中。在執(zhí)行任務(wù)過程中，機(jī)器人控制系統(tǒng)與上位機(jī)采用以太網(wǎng)的方式通信，而與制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)則采用I/O方式進(jìn)行通信。

結(jié)束語
　　本文論述了一種用于飛機(jī)鋁合金、鈦合金以及疊層部件自動(dòng)制孔的機(jī)器人制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過安裝和調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，各項(xiàng)功能均達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)指標(biāo)。機(jī)器人制孔系統(tǒng)的最大工作范圍可達(dá)5000mm×3000mm×500mm，孔定位精度為±0.3mm，重復(fù)定位精度為±0.2mm，制孔效率可達(dá)4個(gè)/min，極大地提高了飛機(jī)部件制孔的效率和裝配質(zhì)量。