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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

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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：宋尧上海交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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飞机结构机器人自动制孔的误差补偿技术研究

飞机结构机器人自动制孔的误差补偿技术研究

作者：王龙飞南京航空航天大学

学位级别：硕士

飞机零部件装配是飞机产品生产中非常重要的一个环节,而钻铆作业极大的影响着飞机装配周期。在高质量、高效率和低成本的要求下,采用工业机器人进行飞机零部件自动制孔的方法正在不断推广。采用机器人进行自动制孔时,通常存在机器人绝... 详细信息

飞机零部件装配是飞机产品生产中非常重要的一个环节,而钻铆作业极大的影响着飞机装配周期。在高质量、高效率和低成本的要求下,采用工业机器人进行飞机零部件自动制孔的方法正在不断推广。采用机器人进行自动制孔时,通常存在机器人绝对定位精度低、零部件与机器人找正存在偏差、零部件实际外形与理论外形不完全匹配等问题,影响制孔质量并最终影响产品多项性能。针对这些问题,本文从离线补偿和在线补偿两个方面,分别提出了基于ELM算法进行机器人定位误差建模补偿的离线补偿方法和一种适用于曲面结构的机器人制孔定位误差在线补偿方法,并开发了一套在线误差补偿系统。本文主要研究内容及成果如下:1.基于空间网格采样方法,分析了机器人在其基坐标系下绝对定位误差大小及方向的变化规律,验证了采用误差建模方法进行机器人定位误差补偿的可行性。2.在空间网格采样基础上,提出了基于ELM(极限学习机)算法进行机器人绝对定位误差建模的离线误差补偿方法,并针对误差模型训练中隐含层神经元个数取值问题进行了分析优化。通过相同采样空间下不同大小的训练样本集分别进行了离线误差建模和补偿实验验证,机器人平均定位误差由补偿前的0.41mm,减小到补偿后的0.20mm以内。3.针对机器人制孔在线误差补偿中的手-眼标定问题,提出利用单目视觉图像与制孔工作平面之间的单应矩阵表征手-眼关系,并给出了一种简便易行的标定方法。4.针对机器人制孔定位精度较差的问题,提出一种适用于曲面结构的制孔定位误差在线补偿方法。利用4个测距传感器和1个相机进行信息反馈,驱动机器人从基准孔理论坐标对应的位姿,不断调整至实际基准孔正上方理想位置,通过手-眼关系计算基准孔实际位置对应的机器人驱动坐标,然后根据一组基准孔的机器人三维驱动误差,计算三维驱动误差变换矩阵,据此获得这组基准孔邻域范围内各待钻孔的机器人驱动坐标补偿量,从而实现待钻孔定位误差补偿。5.开发了一套制孔误差在线补偿软件系统,实现了上位机与相机、测距传感器及机器人的实时通信,并在飞机结构实验件上进行了制孔误差补偿实验验证,实验结果表明,制孔位置和方向误差补偿前平均为2.55mm和3.30°,在线补偿后减小到最大误差分别不超过0.30mm和0.21°,验证了采用本文方法提高机器人制孔定位精度的有效性。

关键词：工业机器人误差分析误差补偿极限学习机视觉辅助制造手-眼标定机器人制孔

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飞机壁板机器人制孔系统换刀技术研究

飞机壁板机器人制孔系统换刀技术研究

作者：朱文杰浙江大学

学位级别：硕士

传统飞机装配采用人工制孔和连接,制孔质量由工人的技术水平决定,存在制孔效率低、制孔质量差等缺陷,无法满足现代飞机装配高安全性、高可靠性的要求。与人工制孔操作相比,机器人制孔系统能加快制孔速度,提高装配质量,改善工作环境,在... 详细信息

传统飞机装配采用人工制孔和连接,制孔质量由工人的技术水平决定,存在制孔效率低、制孔质量差等缺陷,无法满足现代飞机装配高安全性、高可靠性的要求。与人工制孔操作相比,机器人制孔系统能加快制孔速度,提高装配质量,改善工作环境,在工程中应用的比例正变得越来越高。相比国外成熟的机器人制孔系统研究与应用,国内目前这方面的研究还处于模仿和借鉴阶段,还没研制出十分成熟的产品。本人所在课题组在自主研制飞机壁板机器人制孔系统的同时,也研发了其自动换刀系统,本文主要对机器人自动换刀系统进行技术研究。首先,介绍了国外和国内机器人制孔系统的研究现状,同时介绍了国外和国内自动换刀系统的研究现状。分析机器人制孔系统结构和功能,以及钻锪复合刀具及刀柄的结构特点,得到了机器人自动换刀系统的设计要求和功能需求。其次,为了保证刀具的夹持稳定性,对刀夹夹持力进行研究,得到了稳定夹持所需的刀夹夹持力计算方法,并进行了实例计算;为了确保换刀过程的平稳性,对换刀阻力进行研究,得到换刀全过程的阻力计算方法,并进行了matlab数值仿真,得到了换刀过程的阻力曲线。之后,为了提升换刀系统的动态性能,通过借鉴和改进冲裁件的优化排样方法,对圆形刀盘上刀夹组件的双环排布进行深入研究,得到使总惯量最小的刀夹组件双环排布方案,并结合工程应用进行了刀具数量为24的排布实例计算;对得到的最优方案作了进一步优化。最后,介绍了机器人自动换刀系统的总体设计和自动换刀的工艺流程;分别对换刀系统的刀具储存模块、刀具选择模块和刀具装卸模块进行了结构设计,并阐述了各模块的结构组成及工作原理;给出了机器人自动换刀系统的工程应用实例。

关键词：机器人制孔自动换刀系统稳定夹持力换刀阻力双环排布模块设计

面向切向性能增强的机器人制孔加工姿态优化与平滑算法研究

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面向切向性能增强的机器人制孔加工姿态优化与平滑算法研究

作者：刘睿智浙江大学

学位级别：硕士

工业机器人因具用高柔性、高效率、低成本等优势被广泛应用于飞机自动化装配中。但是由于串联机器人自身结构的影响,刚度性能较差,影响末端的加工精度。本文针对附加第七轴的机器人制孔系统,综合考虑刀具坐标系可调及反解配置多样性等问... 详细信息

工业机器人因具用高柔性、高效率、低成本等优势被广泛应用于飞机自动化装配中。但是由于串联机器人自身结构的影响,刚度性能较差,影响末端的加工精度。本文针对附加第七轴的机器人制孔系统,综合考虑刀具坐标系可调及反解配置多样性等问题,研究了机器人切向刚度增强的姿态优化与平滑算法。首先,以KUKA KR360-2型机器人为研究对象,通过D-H方法建立了连杆坐标系,求解运动学方程,并进行反解,获得8种反解配置。使用矢量积和微分变换法求解机器人的雅可比矩阵。其次,假设连杆刚性,并且忽略补偿刚度矩阵影响,建立机器人传统静刚度模型,提出末端切向刚度性能评价指标,分析关节角度对指标的影响,通过仿真变形验证刚度评价指标的合理性。根据飞机壁板制孔系统的孔位分布特点,提出面向切向刚度增强的机器人姿态优化与平滑算法。算法先以首末点的刚度指标之和最大为目标,以底座在移动平台的位置,刀具坐标系旋转角度和机器人反解配置为优化变量,使用遗传算法求解首末点的刚度最优姿态,再根据首末姿态对中间姿态使用四元数插值做平滑处理,完成所有加工点机器人刚度性能的姿态优化。最后,设计算例分析,对机器人关节角度变化,刚度指标,末端切向变形在姿态优化与平滑前后的结果进行对比,表明算法对提高机器人的加工效率和加工精度有重要意义。

关键词：机器人制孔切向刚度性能自由度冗余遗传算法四元数插值姿态平滑

基于准零刚度的机器人制孔系统半主动环境振动抑制方法

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基于准零刚度的机器人制孔系统半主动环境振动抑制方法

作者：赵晨名兰州理工大学

学位级别：硕士

在飞机制造装配车间中,车间内大型机械设备的运行以及附近重型车辆的行驶会引起环境振动。环境振动通过地面传递到机器人自动制孔系统,造成系统的动态误差,致使位置补偿和刚度补偿技术对误差的补偿难度大大提高。因此需要对机器人自动... 详细信息

在飞机制造装配车间中,车间内大型机械设备的运行以及附近重型车辆的行驶会引起环境振动。环境振动通过地面传递到机器人自动制孔系统,造成系统的动态误差,致使位置补偿和刚度补偿技术对误差的补偿难度大大提高。因此需要对机器人自动制孔系统所受到的环境振动进行有效控制。本文通过分析系统结构参数对抑振效果的影响,在研究变刚度变阻尼技术发展现状的基础上,提出基于准零刚度被动振动控制系统的半主动环境振动抑制方法。主要研究内容如下:1.建立基于准零刚度结构的被动振动控制系统,通过静力学分析研究刚度比和结构参数对力-位移和刚度-位移曲线的影响。在保证被动振动控制系统稳定运行且实现准零刚度特性的前提下,确定合适的系统参数范围;在动力学特性分析的基础上,建立系统的运动微分方程,通过谐波平衡法求解获得系统的幅频关系;考虑到准零刚度被动振动控制系统的强非线性因素,通过定量分析方法确定实现系统稳定运行的参数临界条件;研究了刚度比、阻尼系数、激励幅值等参数对被动振动控制控制系统绝对位移传递率的影响。2.通过分析飞机装配车间环境振动的特性,探究环境振动对准零刚度被动振动控制系统和线性被动振动控制系统抑振效果的影响。考虑到被动系统在环境振动激励条件下存在抑振范围的局限性,依据刚度比对绝对位移传递率的影响,为被动振动控制系统引入刚度参数调节,实现对系统振动抑制效果的优化;根据变刚度方法的理论分析,提出基于滚珠丝杠直线模组的机械变刚度方案。3.通过分析外部激励幅值变化对准零刚度被动振动控制系统稳定性的影响,本研究确定了系统的防跳跃条件;采用数值方法,寻找阻尼系数与临界激励幅值的关系,并通过数据拟合获取近似的函数关系式;在变阻尼方法理论分析的基础上,提出剪切阀式双出杆磁流变阻尼器的变阻尼方案。4.根据所设计环境振动控制虚拟样机的结构参数和理论分析确定的参数范围,设计ADAMS虚拟仿真实验;分别在分段变频率和分段变频率、变幅值的外部激励条件下,验证了基于准零刚度的机器人制孔系统半主动环境振动抑制方法的有效性。

关键词：机器人制孔环境振动准零刚度变刚度变阻尼

基于气动力控制压脚的机器人制孔系统设计研究

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基于气动力控制压脚的机器人制孔系统设计研究

作者：汪仁浙江大学

学位级别：硕士

自动制孔技术是飞机数字化装配的关键技术之一,国内大多仍采用传统的手工制孔方式,与国外先进水平之间存在着巨大的差距。机器人自动制孔系统具有很高的灵活性和可达性,能够极大地提高制孔效率和精度。它集成了多种高新技术,对其进行研... 详细信息

自动制孔技术是飞机数字化装配的关键技术之一,国内大多仍采用传统的手工制孔方式,与国外先进水平之间存在着巨大的差距。机器人自动制孔系统具有很高的灵活性和可达性,能够极大地提高制孔效率和精度。它集成了多种高新技术,对其进行研究具有重大的工程应用价值。本文主要就机器人制孔终端执行器结构和锪窝深度控制问题展开研究,主要内容包括以下几个方面：1综述国内外飞机装配中的自动制孔技术及设备的发展现状、研究趋势和使用情况,介绍制孔终端执行器在机器人制孔系统当中的应用。2给出机器人自动制孔系统整体结构,详细介绍终端执行器主轴进给系统和底座压脚系统两大组成部分的机械结构及其控制系统的组成,并对控制元件进行选型,确立了主轴系统的控制策略。3通过分析飞机装配中的制孔要求和机器人制孔工艺流程,根据锪窝深度控制的难点,提出主轴进给底座和压脚一体的解决方法,并针对这一方法进行控制方案分析,决定采用气动力推动气缸活塞的形式作为压脚控制的方法。4设计压脚气动力控制系统并进行实验研究。针对开环力控制不够准确这一问题,分析气动力控制机理并对系统进行建模,对力传感器安装位置进行分析,采用系统辨识方法建立力控制系统在工作点附近的数学模型,设计相应的控制器,通过仿真分析系统性能。仿真结果表明最优控制+PI控制比传统的PID控制具有更快的响应速度和更强的抗干扰能力。5对全文的研究工作进行了总结,并对有待进一步研究的内容进行了展望。

关键词：机器人制孔终端执行器锪窝深度气动力控制压脚

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机器人叠层制孔压紧力优化

机器人叠层制孔压紧力优化

作者：陈威浙江大学

学位级别：硕士

在机器人自动化制孔过程中,叠层结构件之间间隙的存在给了毛刺形成和生长的空间,严重影响了制孔和装配质量。目前飞机制造自动化制孔中普遍采用单侧压紧的方式来消除叠层间隙,但是若压紧力过小,则叠层间隙难以消除,反之又会导致较大的... 详细信息

在机器人自动化制孔过程中,叠层结构件之间间隙的存在给了毛刺形成和生长的空间,严重影响了制孔和装配质量。目前飞机制造自动化制孔中普遍采用单侧压紧的方式来消除叠层间隙,但是若压紧力过小,则叠层间隙难以消除,反之又会导致较大的工件变形,影响最终的紧固孔质量。因此有必要对机器人自动化制孔过程中所使用的制孔压紧力进行准确预测、优化。同时,考虑到主轴进给和转速也对叠层间隙有影响,有必要对压紧力、转速和进给进行组合优化。本文以机器人自动化制孔系统为研究对象,研究叠层制孔过程中压紧力等工艺参数的优化。通过有限元方法,分析了压紧力对刀具轴向力所产生的层间间隙的影响。考虑叠层初始间隙和刀具轴向力的综合作用,基于弹性力学原理对压紧力进行预测。采用田口方法对压紧力、进给、转速等工艺参数进行优化。本文第一章介绍了自动化制孔技术的国内外发展现状,以及叠层制孔过程中毛刺控制的研究现状,在此基础上介绍了论文研究的背景及意义。第二章介绍了机器人自动化制孔系统的结构和末端执行器的组成单元,分析了压脚的作用,阐述了制孔过程层间毛刺的形成以及影响毛刺形成的因素。第三章建立了叠层铝合金高速钻削加工过程的三维钻削有限元模型,分析了叠层制孔过程中层间间隙的形成,以及压紧力大小对层间间隙的影响。第四章详细分析了飞机壁板初始间隙的形成过程,在综合考虑壁板初始间隙和刀具轴向力的基础上,研究并提出了一种基于弹性力学原理和影响系数法的压脚压紧力预测方法。第五章以层间毛刺最小化为目标,采用田口方法对机器人制孔过程中的加工参数进行了优化,并进行实验验证。第六章对全文的研究工作进行总结,并对有待进一步研究的内容进行了展望。

关键词：机器人制孔钻削仿真初始间隙压紧力预测田口方法参数优化

基于飞机部件数模的机器人制孔路径规划算法研究

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基于飞机部件数模的机器人制孔路径规划算法研究

作者：王鑫沈阳航空航天大学

学位级别：硕士

随着现代飞机制造业的发展,对飞机装配技术提出了很高的标准。机器人装配系统是基于数字化的方式进行装配,这其中存在了大量的制孔工作,由此需要一种更为高效、高质量的机器人自动加工方案来取代手工钻铆加工制造工艺。只有提高机器人... 详细信息

随着现代飞机制造业的发展,对飞机装配技术提出了很高的标准。机器人装配系统是基于数字化的方式进行装配,这其中存在了大量的制孔工作,由此需要一种更为高效、高质量的机器人自动加工方案来取代手工钻铆加工制造工艺。只有提高机器人制孔的准确度,才能更好地完成制孔任务。路径规划技术在机器人的研究领域中是最基本最核心的问题。其基本问题是在空间中,能够很精准的确定从初始点到目标点过程中,选择出一条最优的运动轨迹。近年来机器人制孔路径规划技术已成为在国内外航空制造领域的研究热点,是飞机柔性装配技术的一个重要技术和研究方向。本文以某飞机部件为研究对象,应用CATIA数模软件进行飞机部件产品的建模,过程中提取产品三维数模孔位设计信息(孔位置,工艺信息等)并进行处理,为实现机器人自动制孔提供数据基础。通过分析机器人路径规划的基本原理及路径规划算法,采用粒子群算法和蚁群算法对机器人制孔路径优化问题进行求解,在求解过程中找到一条最优路径,以实现机器人路径规划。在解决机器人的路径规划方面,我们通过对这两种算法的仿真结果进行分析。提出一种自适应蚁群算法应用在路径规划中,并进行仿真与比较验证。结果表明:针对机器人制孔路径规划问题,提出的自适应蚁群算法比传统蚁群算法更精确,更稳定。不管是从最短路径上看,还是从迭代的次数上来看,自适应蚁群算法在该方面问题上收敛速度快、使用的时间少和全程路径长度短,明显优于传统蚁群算法。使传统蚁群算法更容易搜索目标,并提高该算法的收敛速度和搜索全局最优值的能力。

关键词：飞机装配机器人制孔 CATIA 蚁群算法路径规划

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大飞机翼盒机器人制孔系统集成技术研究

航空制造技术 2018年第7期61卷 16-23页

作者：张云志蒋倩中国航空制造技术研究院数字化制造技术航空科技重点实验室北京100024

机翼装配是飞机制造中的一个重要环节,其中翼盒装配制孔数量多、质量要求高、工作强度大,因此各种自动化制孔装备陆续登场,活跃在国内外航空制造业的舞台。由于机器人具有高度灵活性,利用机器人对机翼蒙皮壁板装配实施数字化制孔作业,... 详细信息

机翼装配是飞机制造中的一个重要环节,其中翼盒装配制孔数量多、质量要求高、工作强度大,因此各种自动化制孔装备陆续登场,活跃在国内外航空制造业的舞台。由于机器人具有高度灵活性,利用机器人对机翼蒙皮壁板装配实施数字化制孔作业,成为现代飞机机翼装配的一个发展方向。本文介绍了一种基于AGV搭载机器人的可移动机翼装配数字化制孔系统,并对这种复合式机器人制孔系统集成技术进行了探索,通过机械系统集成、电控系统集成、软件控制集成实现总体系统集成,从而实现大飞机翼盒机器人制孔系统的自动化、精确化制孔作业。

关键词：大飞机装配机器人制孔制孔末端执行器集成控制法向测量