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大型复杂构件机器人制孔技术研究进展

航空学报 2022年第5期43卷 23-40页

作者：董松郑侃孟丹廖文和孙连军南京理工大学机械工程学院南京210094

航空装备大型复杂构件制造和装配中需要钻削数十万个机械连接孔,因而制孔效率和加工质量是保证飞行器使用性能和可靠性的关键。机器人制孔具有高柔性、高质量一致性以及高法向精度等优势,近年来采用机器人对飞机部件进行制孔在航空制造... 详细信息

航空装备大型复杂构件制造和装配中需要钻削数十万个机械连接孔,因而制孔效率和加工质量是保证飞行器使用性能和可靠性的关键。机器人制孔具有高柔性、高质量一致性以及高法向精度等优势,近年来采用机器人对飞机部件进行制孔在航空制造企业备受青睐。然而由于工业机器人的弱刚性以及叠层结构材料的难加工性,机器人钻削系统容易产生加工不稳定现象,严重制约了钻削质量和效率的进一步提高。目前,国内外学者在机器人制孔装备、制孔系统精度控制与机器人制孔稳定性等方面开展了理论与实验研究,并取得了诸多成果,但机器人钻削稳定性和加工质量控制研究的深度和广度仍存在较大的提升空间。为此,从机器人制孔末端执行器设计技术、机器人制孔定位精度控制技术、机器人制孔工艺过程控制技术以及机器人制孔装备研制四个方面对国内外文献进行总结和凝练,旨在为大型复杂构件机器人制孔技术的进一步研究提供指导。

关键词：机器人制孔大型复杂构件末端执行器定位精度工艺过程控制

基于结构光三维视觉测量的机器人制孔姿态修正方法

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清华大学学报（自然科学版） 2022年第1期62卷 149-155页

作者：陈璐关立文刘春陈志雄薛俊清华大学机械工程系北京100084 成都飞机工业(集团)有限责任公司成都610092 电子科技大学机械与电气工程学院成都611731 中国航空制造技术研究院北京100025

在制孔工艺中,垂直度很大程度上影响着飞机装配精度、飞机使用寿命和安全性。开展基于先进视觉检测技术的姿态修正研究具有十分重要的意义。该文基于机器人制孔工艺流程,提出了基准孔位置和法向量检测的改进方法,设计了机器人视觉检测... 详细信息

在制孔工艺中,垂直度很大程度上影响着飞机装配精度、飞机使用寿命和安全性。开展基于先进视觉检测技术的姿态修正研究具有十分重要的意义。该文基于机器人制孔工艺流程,提出了基准孔位置和法向量检测的改进方法,设计了机器人视觉检测系统的工作原理和主要模块,搭建了仿真平台和原理样机;建立了法向量检测模块的三维测量模型,生成了工件表面的点云数据,通过基于无迹Kalman滤波的在线手眼标定方法,将相机坐标系中的点云转换成制孔刀具坐标系中的点云。通过提取待制孔点法向量,提出了机器人制孔姿态修正方法。三维测量结果表明:法向量检测方法精度能够满足航空工业对制孔垂直度的要求。

关键词：机器人制孔编码结构光孔位精度垂直度

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机器人制孔质量控制数字孪生系统研发

机器人制孔质量控制数字孪生系统研发

作者：张腾飞东华大学

学位级别：硕士

机器人制孔是一种广泛应用于航空航天、汽车、造船等领域的自动化加工技术,凭借高自由度高柔性的特点可提高生产效率。然而在加工过程中,由于多关节连杆型机器人动态刚度、固有频率等多种因素影响,刀具与工件间易产生颤振,极大影响加工... 详细信息

机器人制孔是一种广泛应用于航空航天、汽车、造船等领域的自动化加工技术,凭借高自由度高柔性的特点可提高生产效率。然而在加工过程中,由于多关节连杆型机器人动态刚度、固有频率等多种因素影响,刀具与工件间易产生颤振,极大影响加工孔的尺寸精度和表面粗糙度,且影响因素为多自由度振动耦合,传统的单变量或多变量分析无法准确分析得出加工过程的具体变化。数字孪生是一种将物理实体与其数字模型相互映射的技术,可实现物理实体的状态感知、行为模拟和优化决策。本文旨在实现机器人制孔过程的实时监测和智能质量控制,为此设计开发了一套针对毛刺与孔径偏差的机器人制孔质量控制数字孪生系统。本文研究内容主要包括:(1)建立机器人制孔质量控制数字孪生系统架构,并分析数字孪生体五维模型的组成及功能。以安川GP-110机器人为研究对象,根据该制孔系统的运行特性,设计各个功能模块,构建数字孪生系统架构,建立基于数字孪生技术的质量控制运行机制。(2)引入数字孪生五维模型理论,建立机器人制孔数字孪生体模型,利用solidworks与3dsmax软件构建制孔系统的几何模型,构建制孔系统的振动、刚度和钻削力等数学物理模型,以及机器人同步运动和末端钻削等数学行为模型,对各个模型进行组合封装,并使用unity3d引擎实现模型的渲染与驱动。同时,利用传感器采集机器人制孔过程中的加工状态数据,进行滤波和特征提取,通过对不同零件模型挂载脚本,实现数字孪生体模型的同步仿真。(3)基于深度学习和遗传算法,建立机器人制孔质量控制模块。构建质量控制流程,并建立毛刺类型静态数学模型与动态修正融合预测模型;利用深度学习对振动信号进行分析,实现孔径偏差预测;利用深度学习建立主轴转速与进给速率的优化模型;利用遗传算法建立机器人位姿的优化模型,实现机器人制孔的质量控制。(4)开发人机交互操作界面。封装上述模型,并基于提出的机器人制孔质量控制数字孪生系统架构开发交互操作界面,实现同步加工控制,利用数据处理模块对加工状态数据进行处理,实现质量预测与加工参数优化。

关键词：数字孪生机器人制孔质量控制深度学习

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机器人制孔姿态优化与光顺

浙江大学学报（工学版） 2015年第12期49卷 2261-2268,2275页

作者：黄奇伟章明曲巍崴卢贤刚柯映林浙江大学机械工程学院浙江杭州310027

针对机器人在外力作用下由结构变形引起的制孔位置沿工件表面滑移问题,研究应用机器人制孔的自由度冗余特性,通过优化机器人制孔姿态抑制末端位置滑移,提高机器人的定位精度.制孔程序中首末加工位置的机器人姿态通过有限元仿真优化确定... 详细信息

针对机器人在外力作用下由结构变形引起的制孔位置沿工件表面滑移问题,研究应用机器人制孔的自由度冗余特性,通过优化机器人制孔姿态抑制末端位置滑移,提高机器人的定位精度.制孔程序中首末加工位置的机器人姿态通过有限元仿真优化确定.根据关节限位和干涉情况确定冗余自由度的优化范围并离散,应用机器人反解算法计算每一末端加工位姿对应的机器人姿态.调用相应的机器人仿真分析模型计算外力作用下的滑移变形,输出最小滑移变形对应的机器人姿态.对于中间加工位置处机器人制孔姿态的确定,提出以首末加工姿态为基准的姿态光顺算法,在保证机器人加工位置精度的同时提高机器人的关节运动效率.为考察机器人姿态优化与光顺方法的有效性,设计相应的验证实验.结果表明:优化后程序的制孔位置精度控制在0.2 mm以内,制孔效率从5孔/min提升至6孔/min,实现了机器人自动化制孔精度和效率的提升.

关键词：机器人制孔加工冗余有限元分析姿态优化姿态光顺

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基于接触式压脚的机器人制孔垂直度优化研究

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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机器人制孔自适应蚁群路径规划算法

火力与指挥控制 2017年第10期42卷 142-146页

作者：刘艳梅王鑫马跃晏沈阳航空航天大学自动化学院沈阳110136

随着现代飞机制造制孔技术的不断发展,对制孔效率、定位精度及加工质量提出更高的要求。采用CATIA软件建立飞机部件模型,提出自适应蚁群算法并应用于机器人制孔路径规划设计中。仿真实验表明,信息素挥发因子的大小对算法的全局搜索能力... 详细信息

随着现代飞机制造制孔技术的不断发展,对制孔效率、定位精度及加工质量提出更高的要求。采用CATIA软件建立飞机部件模型,提出自适应蚁群算法并应用于机器人制孔路径规划设计中。仿真实验表明,信息素挥发因子的大小对算法的全局搜索能力及收敛速度有直接影响,提出的自适应蚁群算法通过动态调整信息素挥发因子,充分改善了制孔方式的无目的性、生成的路径质量低等一些不足之处,从而实现机器人制孔路径规划的最优。

关键词： CATIA 自适应蚁群算法机器人制孔路径规划

基于双目视觉的航空复杂结构件机器人制孔研究

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工具技术 2023年第12期57卷 101-105页

作者：胡维鑫尹佳田辉中航西安飞机工业集团股份有限公司西安市710089

航空结构件具有品种类型多样、结构复杂、自由曲面多的特点,导孔制取工序存在换装频繁以及制孔精度要求高等问题,因此现有针对航空大型装配件加工需求开发的机器人自动化制孔系统无法直接应用于航空结构件孔加工环节。将双目视觉摄影测... 详细信息

航空结构件具有品种类型多样、结构复杂、自由曲面多的特点,导孔制取工序存在换装频繁以及制孔精度要求高等问题,因此现有针对航空大型装配件加工需求开发的机器人自动化制孔系统无法直接应用于航空结构件孔加工环节。将双目视觉摄影测量技术与机器人自动化制孔系统相结合,可以提高机器人制孔精度,增加机器人制孔柔性,满足航空结构件的自动化制孔需求,试验验证了此方案的有效性。

关键词：航空结构件机器人制孔双目视觉加工精度

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机器人制孔压紧力研究

机器人制孔压紧力研究

作者：刘雪锋浙江大学

学位级别：硕士

飞机数字化装配是飞机制造的重要环节,飞机构件连接孔的质量对装配精度和装配质量起着重要作用。随着飞机寿命、气动效率等性能指标的提升,传统的手工制孔,制孔精度和制孔效率已经不能满足飞机装配的要求。机器人制孔技术凭借着高精度... 详细信息

飞机数字化装配是飞机制造的重要环节,飞机构件连接孔的质量对装配精度和装配质量起着重要作用。随着飞机寿命、气动效率等性能指标的提升,传统的手工制孔,制孔精度和制孔效率已经不能满足飞机装配的要求。机器人制孔技术凭借着高精度和高效率,逐步取代手工制孔,成为飞机制孔的重要方式。机器人末端执行器刚度较弱,制孔时易发生变形,产生振动。一般在末端执行器上集成压脚装置,提高刚度性能,抑制振动。根据制孔系统的结构特点,建立机器人制孔姿态下的刚度模型。分析压脚装置的气动关系,根据气体方程,建立机器人位移和气缸压强的关系。将工件等效成刚体,将机器人简化成质量-弹簧-阻尼模型,推导机器人制孔系统的传递函数和动刚度表达式。通过锤击法测量机器人制孔系统的固有频率和阻尼比,计算系统的传递函数,仿真不同压紧力下的动态响应曲线。压紧力可以有效的增大机器人制孔系统的动刚度,提升系统的刚度和阻尼性能。机器人制孔系统加工叠层工件时,为抑制层间毛刺的生长,压脚装置施加压紧力,抑制层间间隙。分析叠层工件层间毛刺的产生原理,建立层间毛刺高度和层间间隙的关系。将叠层工件简化成固支梁模型,分析压紧力对层间间隙的影响。考虑工件厚度和压紧力因素,设计响应面实验,通过有限元数值仿真获取层间间隙,构建响应面模型。结合工件厚度和无毛刺的要求,精确预测压紧力。实验表明,随着压紧力的增大,层间毛刺逐渐减小。采用预测的压紧力,层间毛刺高度均低于0.1mm,满足无毛刺的制孔要求。基于有限元的压紧力预测方法,实现了压紧力的快速准确预测,为机器人制孔压紧力的选择提供了理论依据。

关键词：机器人制孔压紧力刚度有限元层间毛刺

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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基于接触式压脚的机器人制孔法向校正技术研究

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