飛機部件的機器人鉆孔及系統(tǒng)

　　進入20世紀90年代后，飛機制造行業(yè)對飛機裝配技術提出了高質(zhì)量、高速度、低成本的生產(chǎn)要求，飛機柔性裝配技術得到了極大的發(fā)展。機器人制孔技術是飛機柔性裝配技術的一個重要應用和研究方向。由于機器人制孔系統(tǒng)一般采用工件不動機器人移動的方式，靈活性較好，且對工件的適應性較好，同時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用。美國Electroimpact公司與英國空客公司聯(lián)合設計了一套機器人自動鉆削系統(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、復合材料以及疊層等飛機蒙皮的鉆孔、锪孔和鉸孔工作；瑞典Novator公司根據(jù)Orbital鉆頭專利技術開發(fā)了一套機器人多功能鉆削系統(tǒng)(Orbital E-D100)。但這些機器人制孔系統(tǒng)結(jié)構復雜，且成本較高。而國內(nèi)對于飛機部件機器人制孔系統(tǒng)的設計和研究尚處于起步階段�；�于國內(nèi)外研究概況，針對飛機部件自動化制孔，本課題開發(fā)了一套飛機部件級機器人制孔系統(tǒng)，系統(tǒng)涉及到機器人技術、先進制造技術以及手眼視覺技術等先進科學技術。
 　　　　　　　　　　　　　　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　機器人制孔系統(tǒng)

系統(tǒng)功能和結(jié)構
　　飛機部件級機器人制孔系統(tǒng)能夠完成大型鈦合金、鋁合金以及疊層飛機零部件的自動化制孔，圖1為機器人制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由機器人系統(tǒng)模塊、制孔執(zhí)行器模塊、視覺檢測系統(tǒng)模塊和上位機模塊4部分組成，圖2為機器人制孔系統(tǒng)結(jié)構圖。其中機器人模塊的主要作用是根據(jù)制孔任務移動制孔執(zhí)行器到目標位置，主要由機器人本體及機器人控制器組成；制孔執(zhí)行器模塊直接與工件接觸完成制孔任務，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和機器人控制器提供制孔位置信息和焊縫信息；上位機模塊主要用于在軟件層控制系統(tǒng)的啟/停、制孔參數(shù)設置以及各個設備運行狀態(tài)的監(jiān)控。下文分別從機械系統(tǒng)、視覺檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3方面對機器人制孔系統(tǒng)進行論述和分析。

機械系統(tǒng)設計
　　機器人制孔系統(tǒng)機械系統(tǒng)的設計主要包括制孔執(zhí)行器的設計和機器人的選型。

　　制孔執(zhí)行器主要由主軸單元、進給單元、壓緊單元、支承單元和傳感單元組成，如圖3所示。主軸單元和進給單元主要完成制孔過程中的主軸運動和進給運動；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)機器人連接的機械結(jié)構；壓緊單元采用氣動壓緊，主要作用是通過壓緊工件減小制孔過程中的系統(tǒng)振動，同時也可以消除疊層材料之間的間隙，防止切屑和層間毛刺進入疊層引起應力集中；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、氣缸行程開關和進給行程開關。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）可實時反饋壓緊力，用于監(jiān)測刀具的磨損或斷裂情況，并繪制壓緊力隨時間的變化圖；
（6）可附加外冷卻設備和真空吸屑裝置。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　工業(yè)中較常用的機器人主要有ABB、KUKA、Fanuc和Motoman等品牌。對于機器人制孔系統(tǒng)，機器人選型需要根據(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)機器人，其外形結(jié)構如圖4所示，它是由6個轉(zhuǎn)動副組成的空間六桿開鏈機構。
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ABB公司的工業(yè)機器人

視覺檢測系統(tǒng)設計

1 手眼視覺標定算法
　　視覺檢測系統(tǒng)采用基于機器人的手眼視覺，其主要作用有：（1）通過視覺定位向上位機和機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系，為上位機和機器人控制器提供焊縫信息。手眼視覺系統(tǒng)的關鍵問題是手眼關系標定，一般的手眼視覺系統(tǒng)均是將攝像機安裝在機器人上，手眼視覺標定即標定出攝像機坐標系與機器人坐標系的相對位姿關系，文獻[2-5]均對手眼標定算法進行了深入研究。

　　本系統(tǒng)的攝像機固定在制孔執(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定算法，標定出圖像像素坐標系o-uv的u、v軸與全局坐標系（機器人坐標系）Ow-XwYwZw的Xw、Yw軸的夾角以及工具中心點（即鉆頭中心點）在視場坐標系X1和Y1方向的坐標。該算法不需要標定攝像機工作的深度信息，且計算簡便、可操作性強。視場坐標系O1-X1Y1是根據(jù)攝像機拍攝圖像時所能拍攝到的一個實際平面區(qū)域建立的，各個坐標軸分別與圖像像素坐標系各個軸平行。工件坐標系O2-X2Y2Z2一般建立在工件上。全局坐標系、圖像像素坐標系、視場坐標系以及工件坐標系如圖5、6所示。

　　執(zhí)行制孔任務過程中，機器人在工件坐標系下工作，工件坐標系與全局坐標系（機器人坐標系）的位姿關系可以通過ABB機器人的工件標定功能求得。攝像機的工作距離與手眼標定時攝像機的工作距離相同，可由TCP到工件平面的距離保證。工件平面上制孔目標點在工件坐標系中X2和Y2方向的坐標值可根據(jù)手眼標定所得的4個標定量求得。

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

　　視覺檢測系統(tǒng)分為標定模塊、定位模塊和焊縫檢測模塊。其中，標定模塊的功能是進行手眼標定計算，定位模塊的功能是識別和計算定位孔位置，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)設計
1 控制系統(tǒng)整體方案
　　PLC具有可靠性高、安裝靈活、編程和擴展方便、性價比高等優(yōu)點，而且PLC總線與網(wǎng)絡能力越來越強，可以方便地與上位機組成控制系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)采用基于上位機和PLC的控制方式。如圖8所示，控制系統(tǒng)主要由上位機、機器人控制系統(tǒng)、制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)和視覺檢測系統(tǒng)組成。

2 硬件設計
　　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、進給電機、主軸電機、繼電器和指示燈等，PLC控制結(jié)構如圖9所示。制孔執(zhí)行器控制系統(tǒng)配備有一個電氣控制柜，PLC、變壓器、各種繼電器、主軸和進給電機伺服放大器等均安裝在控制柜中。

　　機器人采用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。機器人控制系統(tǒng)通過I/O板控制響應外圍設備的輸入信號，含有2個模擬量通道、2個數(shù)字量（16位）通道，工作電壓為24V。機器人制孔系統(tǒng)的啟/�？刂啤⒅瓶讌�數(shù)設置、制孔狀態(tài)監(jiān)控等任務主要由工業(yè)PC機完成。

3 軟件設計
　　控制系統(tǒng)的軟件設計是整個系統(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程序和上位機程序。其中下位機程序包括PLC程序和機器人運動程序，上位機程序包括系統(tǒng)啟/�？刂瞥绦颉⒅瓶讌�數(shù)設置程序、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控程序、視覺檢測數(shù)據(jù)計算程序以及人機界面程序等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)可分為手動操作模塊，回零操作模塊和自動操作模塊、其程序流程如圖10所示。

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

結(jié)束語
　　本文論述了一種用于飛機鋁合金、鈦合金以及疊層部件自動制孔的機器人制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)設計完成后，經(jīng)過安裝和調(diào)試，系統(tǒng)運行良好，各項功能均達到了預先設計指標。機器人制孔系統(tǒng)的最大工作范圍可達5000mm×3000mm×500mm，孔定位精度為±0.3mm，重復定位精度為±0.2mm，制孔效率可達4個/min，極大地提高了飛機部件制孔的效率和裝配質(zhì)量。