機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)應(yīng)用研究

引言

由于飛機(jī)部件裝配生產(chǎn)模式仍然以工人手工群體性作業(yè)為主,在操作工人畫(huà)線定位、使用氣鉆等工具進(jìn)行制孔時(shí),受人員熟練操作程度及個(gè)人技能影響,裝配過(guò)程中存在制孔一致性差、返工多、效率低等問(wèn)題,且傳統(tǒng)裝配方法常暴露出干涉不均、毛刺、分層等質(zhì)量問(wèn)題,難以滿足部件壁板裝配的精度要求,影響生產(chǎn)效率和裝配質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)開(kāi)展了大量研究 ,國(guó)外技術(shù)發(fā)展的頂尖水平主要以美國(guó)E1ectroImpact公司、德國(guó)KUKA公司和德國(guó)BR0"TJE公司等為代表,且相關(guān)設(shè)備已在多款機(jī)型上成功應(yīng)用,提高了裝配工藝水平。但國(guó)外設(shè)備價(jià)格昂貴、交貨期長(zhǎng)、維護(hù)成本大,核心技術(shù)受制于人。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚,但經(jīng)過(guò)航空相關(guān)科研院所和智能制造企業(yè)的共同努力,已取得初步的研究成果,比如中國(guó)航空制造技術(shù)研究院、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、上海拓璞數(shù)控科技有限公司等國(guó)內(nèi)單位開(kāi)展的機(jī)器人制孔系統(tǒng)研究。

針對(duì)公司飛機(jī)壁板組件裝配需求,開(kāi)展機(jī)器人自動(dòng)制孔設(shè)備研發(fā),通過(guò)機(jī)器人自動(dòng)制孔項(xiàng)目的研究,突破末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)與集成、離線編程等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)制孔在飛機(jī)壁板組件上的應(yīng)用,提高了部件裝配質(zhì)量及生產(chǎn)效率,降低了成本,提升了企業(yè)的科技創(chuàng)新能力。

1機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)組成

機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要由機(jī)器人、車體、末端執(zhí)行器、冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

圖1機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)

設(shè)備加工能力如表1所示。

1. 1機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)主要機(jī)械組成

1.1.1制孔末端執(zhí)行器

制孔末端執(zhí)行器是基于工業(yè)機(jī)器人的飛機(jī)制孔系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一,主要由壓腳單元、伺服進(jìn)給單元、主軸單元、視覺(jué)測(cè)量單元、法向測(cè)量單元、光柵尺檢測(cè)單元、排屑裝置和氣動(dòng)控制單元等多個(gè)機(jī)械單元構(gòu)成,如圖2所示。末端執(zhí)行器主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的加工和信息采集等功能,其重量、結(jié)構(gòu)形式和體積等參數(shù)都會(huì)直接影響制孔的質(zhì)量。機(jī)器人與末端執(zhí)行器之間采用懸掛式鏈接 ,其可達(dá)性、可操作性和關(guān)節(jié)使用度優(yōu)良。

圖2末端執(zhí)行器

1.1.2可移動(dòng)式機(jī)器人升降第七軸

可移動(dòng)式機(jī)器人升降第七軸是機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的重要組成部分,可以根據(jù)實(shí)際加工需求移動(dòng)位置,在使用時(shí)用自帶的固定機(jī)構(gòu)與地面固定,這樣就能滿足在不同工位上使用的要求?？梢苿?dòng)式機(jī)器人升降第七軸主要由立 柱、滑座、支腿、可升降腳輪、進(jìn)給軸、光柵尺和操作臺(tái)等組 成,如圖3所示。

圖3可移動(dòng)式機(jī)器人升降第七軸

12機(jī)器人集成控制系統(tǒng)組成

機(jī)器人制孔系統(tǒng)包含多個(gè)硬件系統(tǒng),每套系統(tǒng)均具有獨(dú)立的控制系統(tǒng),如圖4所示。在制孔過(guò)程中,能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制,形成完整可靠的控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)高質(zhì)、高效制孔。

末端執(zhí)行器采用西門子sIM0TI0N一D數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制,機(jī)器人與數(shù)控系統(tǒng)之間采用PR0FINET總線進(jìn)行信號(hào)交互,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用sINAMICs120交流伺服系統(tǒng)控制,主軸為變頻器控制,數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置西門子可編程控制器,為設(shè)備在可靠工作前提下發(fā)揮其各種功能提供了保證。

采用多源數(shù)據(jù)耦合測(cè)控的制孔精度實(shí)時(shí)檢測(cè)、制孔質(zhì)量綜合評(píng)估、制孔系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)映射與控制等技術(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人、末端執(zhí)行器、工裝間協(xié)同運(yùn)動(dòng)及作業(yè)。

2機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)現(xiàn)變曲率飛機(jī)壁板的自動(dòng)化制孔,涉及離線編程與仿真技術(shù)和末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)。

21離線編程技術(shù)

機(jī)器人制孔離線編程系統(tǒng)以飛機(jī)部件產(chǎn)品的工藝數(shù)模為數(shù)據(jù)來(lái)源,通過(guò)獲取產(chǎn)品的加工孔工藝信息(如孔直徑、孔深、孔位坐標(biāo)、孔位法向信息等）來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人制孔任務(wù)的規(guī)劃。離線編程軟件工作流程如圖5所示。

(1）根據(jù)加工孔的類型、尺寸信息完成孔位的篩選,并進(jìn)行加工排序。

(2）通過(guò)關(guān)聯(lián)工藝數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)由孔位工藝信息自動(dòng)匹配制孔工藝,并可通過(guò)手動(dòng)添加的方式規(guī)劃制孔工藝。

(3）利用DELMIA的仿真功能對(duì)加工任務(wù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,排除任務(wù)規(guī)劃中的不合理之處。

(4）按照加工代碼規(guī)范對(duì)離線規(guī)劃的加工任務(wù)進(jìn)行后置處理,輸出符合控制系統(tǒng)要求的機(jī)器人制孔程序。

圖5離線編程軟件工作流程

2.2末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)

2.2. 1 視覺(jué)定位補(bǔ)償

視覺(jué)系統(tǒng)由智能相機(jī)、鏡頭、相機(jī)座和環(huán)形光源等組成,如圖6所示。相機(jī)對(duì)產(chǎn)品上基準(zhǔn)釘拍照,獲取二維圖像,并對(duì)基準(zhǔn)釘邊緣特征進(jìn)行圓擬合。圖像采集后發(fā)送信號(hào)給圖像采集卡,圖像采集卡把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),通過(guò)圖像處理與分析軟件對(duì)待測(cè)工件的圖像進(jìn)行分析與計(jì)算,計(jì)算出基準(zhǔn)釘2D坐標(biāo)值后,將指令發(fā)送給機(jī)器人,對(duì)要加工的孔位進(jìn)行修正,保證孔位精度。相機(jī)工作流程如圖7所示。

圖6相機(jī)組成

圖7相機(jī)工作流程

2.2.2孔位法向測(cè)量

法向檢測(cè)單元是末端執(zhí)行器的核心部件,關(guān)系到制孔的垂直度,會(huì)影響鉚接質(zhì)量和產(chǎn)品壽命。

非接觸式尋法:首先通過(guò)位于壓腳前端的4個(gè)激光位移傳感器在飛機(jī)蒙皮表面尋找法向,然后主軸進(jìn)給制孔。此方式主要應(yīng)用在飛機(jī)產(chǎn)品剛度較高的場(chǎng)合。

接觸式尋法:壓緊時(shí)先接觸再加壓,壓緊力逐步達(dá)到預(yù)設(shè)值,防止對(duì)產(chǎn)品造成損傷:然后通過(guò)壓腳組件內(nèi)的3個(gè)激光位移傳感器對(duì)壓腳進(jìn)行檢測(cè),如圖8所示,通過(guò)上位機(jī)內(nèi)的法向算法,算出法向偏差值,機(jī)器人對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整,然后主軸進(jìn)給制孔。

圖8法向檢測(cè)

上位機(jī)工藝軟件內(nèi)可設(shè)置法向調(diào)平閾值,如圖9所示,法向檢測(cè)偏差小于"調(diào)整最小角度"時(shí),機(jī)器人將不進(jìn)行法向調(diào)整:法向檢測(cè)偏差大于"調(diào)整最大角度"時(shí),機(jī)器人將發(fā)出報(bào)警,此時(shí)應(yīng)檢查壓腳與工件板面是否貼合、法向傳感器示數(shù)是否正常等。

圖9法向調(diào)整

2.2.3壓緊力檢測(cè)與控制

壓力腳組件是末端執(zhí)行器的關(guān)鍵部件,集產(chǎn)品夾緊、法向測(cè)量、超低溫風(fēng)冷、微量潤(rùn)滑、真空除屑等功能于一體。

先在上位機(jī)工藝軟件中設(shè)定壓緊力,在制孔過(guò)程中,PLC控制電氣比例閥的出氣壓力,有桿雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)壓力腳伸出 ,并壓緊產(chǎn)品,消除疊層產(chǎn)品層間間隙,降低夾層中廢屑含量,提升產(chǎn)品局部剛性,保證鉆孔加工狀態(tài)的穩(wěn)定性,如圖10所示。

3機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)應(yīng)用

機(jī)器人自動(dòng)制孔工作流程如圖11所示。

圖11自動(dòng)制孔工作流程

3.1窩深與孔徑測(cè)量

在5mm平板試板上先后加工500個(gè)孔,選取其中48個(gè)作為最終待測(cè)量孔,如圖12所示。經(jīng)測(cè)量,窩深波動(dòng)值為0.035mm,孔徑范圍為4.115～4.126mm,波動(dòng)值為0.011mm,滿足最終質(zhì)量要求。窩深和孔徑分布如圖13和圖14所示。

3.2試驗(yàn)件工藝驗(yàn)證

按照產(chǎn)品的實(shí)際外形和材料屬性,提前預(yù)投了固定工裝和5塊試驗(yàn)件進(jìn)行工藝驗(yàn)證,工藝布局如圖15所示。

圖12試驗(yàn)件工藝布局

如圖16所示,對(duì)試驗(yàn)件加工路線的工藝驗(yàn)證表明,該方案滿足點(diǎn)位、窩深和加工精度要求,此試驗(yàn)件上制孔效率是7個(gè)/min。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)組成,對(duì)核心技術(shù)以及工藝驗(yàn)證進(jìn)行了研究和應(yīng)用分析,形成了一套機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)方案。某型機(jī)護(hù)板類試驗(yàn)組件的成功應(yīng)用,證明了該機(jī)器人自動(dòng)制孔方案的可行性及高效性,為各類護(hù)板和壁板的自動(dòng)制孔奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。