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南京航空航天大学学报 2023年第3期55卷 418-426页

作者：连哲楠郭英杰霍超赵树滨董辉跃浙江大学机械工程学院浙江省先进制造技术重点研究实验室杭州310027 沈阳飞机工业(集团)有限公司沈阳110034 杭州艾美依航空制造装备有限公司杭州310018

针对传统非接触式法向校正技术在弱刚性薄壁上的不足,在接触式压脚结构的基础上对传统法向校正方案进行了研究,提出一种仅适用于接触式压脚结构的两点校正算法,同时设计了一套基于激光跟踪仪的法向测量系统标定方法。针对弱刚性薄壁受... 详细信息

针对传统非接触式法向校正技术在弱刚性薄壁上的不足,在接触式压脚结构的基础上对传统法向校正方案进行了研究,提出一种仅适用于接触式压脚结构的两点校正算法,同时设计了一套基于激光跟踪仪的法向测量系统标定方法。针对弱刚性薄壁受到压脚单向压紧力产生回退对制孔位置精度的影响,提出一种工具中心点(Tool center point, TCP)变位补偿技术,该技术利用激光位移传感器监测壁板回退量,在法向校正前动态调整TCP位置,实现对壁板回退量的实时补偿。搭建试验平台并通过制孔试验验证了接触式法向校正技术与TCP变位补偿技术可有效保证孔的垂直度与孔位精度,实现孔垂直度误差小于0.25°,孔位偏差小于0.4 mm。

关键词：飞机装配机器人制孔接触式压脚法向校正实时补偿

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基于接触式压脚的机器人制孔法向校正技术研究

基于接触式压脚的机器人制孔法向校正技术研究

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作者：连哲楠浙江大学

学位级别：硕士

飞机部件常使用蒙皮配合整体骨架的半硬壳式结构,其中存在大量薄壁叠层。传统飞机装配中制孔作业依靠人工完成,制孔质量依赖操作人员的专业水平与加工经验,可重复性较差。随着国内对飞机性能、寿命要求的提高,机器人制孔系统等自动化设... 详细信息

飞机部件常使用蒙皮配合整体骨架的半硬壳式结构,其中存在大量薄壁叠层。传统飞机装配中制孔作业依靠人工完成,制孔质量依赖操作人员的专业水平与加工经验,可重复性较差。随着国内对飞机性能、寿命要求的提高,机器人制孔系统等自动化设备逐渐兴起。在制孔过程中,为了抑制层间毛刺、提升机器人刚度,机器人制孔系统会对壁板施加较大的单向压紧力。目前常用的非接触式法向校正技术忽略了单向压紧力下制孔区域的法向变化,难以在弱刚性薄壁上保证较高的制孔垂直度。本文为完成某型号飞机活动翼面制孔任务,深入研究了接触式法向校正技术,以保证机器人制孔的法向精度。分析传统非接触式法向校正技术的缺陷,确定了接触式法向校正技术原理。对比了现有接触式压脚中球面副结构间的差异,在不影响法向校正功能的前提下,提出一种以孔位精度为优化目标的球面副尺寸设计准则。综合考虑加工对象特点与制孔精度要求,设计了一种基于球面副结构能自适应贴合壁板表面的接触式压脚。分析目前常用的非接触式法向校正算法的不足,基于本文提出的接触式压脚结构,设计了一种特定的仅适用于接触式压脚结构的两点校正算法,并详细阐述了算法的原理。该法向校正算法配合接触式压脚结构,实现在壁板受单向压紧力变形后测量壁板表面法向,并控制机器人调整制孔姿态。基于两点校正算法原理,设计一种接触式压脚法向测量系统的标定方法,并完成标定试验。该标定方法将专用标定工具与激光跟踪仪相结合,基于非线性最小二乘法求解标定参数。基于Monte Carlo方法对两点校正算法进行了仿真建模,通过大量独立随机的仿真计算对算法误差分布区间进行预估,验证传感器布局及选型的可靠性。结合生产遇到的问题,对接触式法向校正技术进行了优化。分析了壁板回退对孔位精度的影响,基于传统TCP圆弧运动补偿技术,提出一种TCP变位补偿技术。该技术利用激光位移传感器监测壁板回退量,通过动态调整机床数据在法向校正前平移TCP,实现对壁板回退量的实时补偿。基于摩擦力学分析,提出了接触式压脚中球面副的自锁条件,球面副自锁会使压鼻中心与壁板表面存在缝隙,即压鼻翘起。通过深入分析压鼻翘起对孔垂直度、锪窝深度的影响,提出了接触式压脚以压鼻端面法向量代表壁板曲面法向量的预设条件的适用范围。搭建机器人自动化制孔试验平台,按照Modified DH方法对KUKA KR420R3330型机器人进行运动学建模,通过matlab的robotic toolbox验证运动学模型。建立制孔试验所需的坐标系体系,并编写NC程序控制机器人完成制孔试验。试验表明,接触式法向校正技术与TCP变位补偿技术可有效保证孔的垂直度与位置精度,实现孔垂直度误差小于0.25°,孔位偏差小于0.4mm,满足飞机装配领域制孔精度要求。

关键词：飞机装配机器人制孔接触式压脚法向校正实时补偿

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