CFRP制孔末端执行器设计及孔位识别算法研究

作     者：赵瑞强 

作者单位：哈尔滨理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付鹏强

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：自动制孔 末端执行器 结构设计 控制系统 孔位识别 

摘      要：碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）因具有优异的物理和力学性能而被广泛应用于航空航天领域。在飞机装配过程中,CFRP结构件间连接孔的质量对飞机的安全性和使用寿命有着重要的影响。由于CFRP结构件制孔数量多,人工制孔方式无论是精度和效率都很难满足现代飞机的装配要求。针对此问题,自动制孔技术应运而生,而机器人自动制孔技术是其中应用最广泛的一种技术。在此背景下,本文对基于工业机器人的制孔末端执行器进行了深入的研究,设计了末端执行器的结构和控制系统,并提出一种基于机器视觉的孔位识别算法。具体内容如下:首先,依据CFRP结构件的制孔要求和机器人自动制孔系统的特点,对末端执行器进行功能分析。根据末端执行器的功能需求,详细设计各单元的结构,包括制孔单元、进给及调姿单元、视觉定位单元、法矢检测单元和悬臂挂板,并采用有限元仿真方法对关键组件进行强度与刚度校核和模态分析。其次,根据末端执行器控制系统的设计要求确定“PC+PLC的末端执行器控制系统方案,并建立基于MPI的PC与S7-300PLC通信策略。基于自适应模糊PID对电主轴进给运动进行闭环控制,并根据末端执行器各单元元器件的控制设计,确定各元器件的通信方式和内容,实现PC对S7-300PLC、机器人控制柜、高速相机和3D激光智能传感器的精确控制。再次,根据相机标定和工件待钻孔孔位识别的实际需求,开发相应的图像孔位提取算法,研究九孔阵列和记号划线的提取。通过提取的九孔阵列图像确定相机内参,并采用插值和最小二乘法拟合工件曲面,确定刀具坐标系下工件表面记号划线交点处的法矢向量。最后,搭建末端执行器钻孔实验平台,对末端执行器各功能进行测试,并进行钻孔实验,通过对加工孔的尺寸和定位精度的检测,验证末端执行器系统的功能与设计指标。