机器人自动制孔末端执行器研制及制孔质量控制方法研究

作     者：宋尧 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚振强

授予年度：2017年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：机器人制孔 末端执行器 制孔质量 锪窝精度 法向检测 压紧力 

摘      要：面向现代民机制孔自动化、柔性化的需求,机器人自动制孔系统充分发挥了工业机器人柔性好、集成度高、占用空间小而作业范围大等的特点,在飞机壁板和机翼等部位的钻孔作业中已经发挥了非常重要的作用。针对机器人制孔轻量化、模块化需求,研制开发了一套机器人自动制孔末端执行器,并在锪窝深度精度、法向垂直度和叠层板层间毛刺三个方面开展了理论和实验研究,提高制孔质量稳定性。主要研究内容如下:制孔末端执行器的结构框架和功能模块设计。结合机器人制孔系统的特点和飞机部件制孔工艺的特点,对制孔末端执行器的功能需求进行分析和总结,开展了结构设计和功能集成,成功研制了一台轻量化、模块化的机器人自动制孔末端执行器样机。PLC控制系统的搭建与锪窝精度的控制。建立了工业机器人制孔的主要流程,搭建了以工业PLC为核心的制孔末端执行器控制系统。建立了Modbus/TCP变量表,实现了制孔末端执行器、上位机和机器人控制系统三个主要控制系统在以太网内的通信。通过优化进给和压力脚模块结构、引入进给位置闭环控制以及误差补偿,满足了锪窝深度的精度要求。孔法向检测方法及其误差分析。提出了一种基于接触式位移传感器和柔性压力脚末端的法向检测方法,分析了传感器、安装位置、初始偏角,以及不合理的测量姿态等因素导致的测量误差,估计了测量的理论误差,并通过误差测定试验验证了估计方法的有效性。压紧力PID控制及叠层板层间毛刺控制方法验证。建立了压紧力PID控制的硬件结构和PLC程序,并完成了PID参数整定。研究了压紧和加工过程中出现的压紧力突变和失稳的情况,分析了优化PID控制提高压力控制稳定性的策略。通过铝合金叠层板钻削试验,验证了压紧力对毛刺生长的抑制作用。本文研制的制孔末端执行器样机,重量不超过50kg,可以实现机器人自动制孔预期的所有流程。经过对提高制孔质量的结构和方法的进一步研究,基本满足了锪窝深度精度不超过0.02mm的需要,法向检测误差不超过±0.1°,以及压紧力PID控制有效的抑制振动和层间毛刺,满足了飞机部件制孔对高质量和高效率的要求。