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飞机制孔末端执行器法向检测方法及误差分析

机械设计与研究 2017年第4期33卷 117-122页

作者：宋尧姚振强薛雷周庆慧方伟胡永祥上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室上海200240 上海飞机制造有限公司航空制造技术研究所先进装配中心上海200436

提出了一种基于接触式位移传感器和自适应柔性压力脚末端的制孔法向检测结构,用于飞机制孔机器人末端执行器。柔性压力脚适应并贴合待测曲面,三个接触式位移传感器测得压力脚末端的偏移量,结合三角面片逼近曲面的方法可以获得待测曲面... 详细信息

提出了一种基于接触式位移传感器和自适应柔性压力脚末端的制孔法向检测结构,用于飞机制孔机器人末端执行器。柔性压力脚适应并贴合待测曲面,三个接触式位移传感器测得压力脚末端的偏移量,结合三角面片逼近曲面的方法可以获得待测曲面的近似法向及其偏角。通过理论建模,分析了测量误差随多个相关因素变化的情况,得到了在当前使用工况下法向测量误差的理论估计值。通过试验测定,得到了上述法向检测结构和方法的实际测量误差,验证了该法向检测结构和方法的有效性。

关键词：机器人制孔末端执行器法向检测误差分析

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自动制孔技术在某飞机装配中的应用研究

航空制造技术 2021年第21期64卷 84-89,95页

作者：李海伟潘新张辉杜杰李德毅航空工业沈阳飞机工业(集团)有限公司沈阳110034

与传统手工制孔工艺相比,自动制孔技术在飞机装配中的广泛应用已成必然趋势。为提高制孔工作效率和质量,在某型号飞机部件装配中应用了自动制孔设备。针对自动制孔设备应用过程中遇到的工艺性问题,开展了工艺试验和分析研究,确定了压紧... 详细信息

与传统手工制孔工艺相比,自动制孔技术在飞机装配中的广泛应用已成必然趋势。为提高制孔工作效率和质量,在某型号飞机部件装配中应用了自动制孔设备。针对自动制孔设备应用过程中遇到的工艺性问题,开展了工艺试验和分析研究,确定了压紧力、转速、进给量等加工参数,解决了零件定位刚性不足问题,优化了数据处理流程,介绍了优化后的自动制孔工艺流程。

关键词：自动制孔机器人制孔试验方案工艺参数飞机装配

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关于飞机数字化装配对接技术的研究

航空制造技术 2014年第21期57卷 109-112页

作者：王声梁泽荣吴军豪苏卫华肖望东中航飞机汉中飞机分公司

飞机部件对接技术是把构成飞机基本结构的各个部件连接在一起,形成机身、机翼或整个飞机的过程。近年来,随着数控加工技术、激光测量技术、计算机控制技术、机器人技术、计算机网络和应用集成技术的迅猛发展,飞机装配由人工装配转化为... 详细信息

飞机部件对接技术是把构成飞机基本结构的各个部件连接在一起,形成机身、机翼或整个飞机的过程。近年来,随着数控加工技术、激光测量技术、计算机控制技术、机器人技术、计算机网络和应用集成技术的迅猛发展,飞机装配由人工装配转化为半自动化、自动化装配。

关键词：部件对接数字化对接数字化测量机器人制孔工艺协调数据集

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基于基准特征照相测量反馈的制孔定位技术

基于基准特征照相测量反馈的制孔定位技术

作者：李旭南京航空航天大学

学位级别：硕士

机器人自动钻铆技术具有制孔质量和效率高、柔性集成度好、工作环境适应性强等优点,是飞机装配领域的一个重要应用和研究方向。目前,机器人自动钻铆系统中机器人的定位精度尚不能完全满足飞机钻铆需求,因此需要探索满足高精度要求且易... 详细信息

机器人自动钻铆技术具有制孔质量和效率高、柔性集成度好、工作环境适应性强等优点,是飞机装配领域的一个重要应用和研究方向。目前,机器人自动钻铆系统中机器人的定位精度尚不能完全满足飞机钻铆需求,因此需要探索满足高精度要求且易于实施的定位技术。为了提高机器人自动钻铆系统中工业机器人在制孔时的定位精度,本文提出了一种基于基准特征照相测量反馈的制孔定位技术,它借助工业相机拍摄基准孔图像,根据图像处理结果对机器人定位误差进行补偿,从而完成机器人制孔时的精确定位,本文主要研究内容和成果包括:1.针对工业相机和机器人自动钻铆系统组成的手眼系统标定问题,采用了一种基于特制标定板装置的标定方法。该方法一方面将刀具坐标系的建立依托在标定板上,另一方面通过标定板九孔阵列图像来标定相机内外参数,从而可通过九孔阵列建立的标定板坐标系来确定手眼关系。2.根据机器人自动制孔过程中系统标定和视觉检测两种不同的使用需求,开发了相应的图像孔位提取算法。深入研究了圆孔图像分割、识别和提取算法,并在Canny边缘检测的基础上利用前三阶灰度矩的方法将边缘定位到亚像素级,提高了孔位提取的精度。3.为了提高制孔的位置精度,对工业机器人定位误差的补偿方法进行了研究。通过工业相机获取基准孔的实际位置和理论位置的偏差,据此建立基于线性插值的误差补偿模型,分别对待制孔的定位误差进行补偿。4.研究开发了一套基于基准特征照相测量反馈的制孔定位原型系统,用于辅助工业机器人在自动钻铆系统中的精确制孔定位。同时为了实现手眼标定、照相测量和误差补偿等操作,在VS2013平台上开发了制孔定位原型系统的计算机端配套软件。

关键词：机器人制孔视觉检测图像处理手眼标定误差补偿

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基于深度学习的复合材料圆孔检测方法研究

基于深度学习的复合材料圆孔检测方法研究

作者：杨爽浙江大学

学位级别：硕士

近年来由于性能优势,航空工业中复合材料的使用量正在不断地增加,但其丰富的表面纹理信息同时也为视觉测量带来了挑战,因此复合材料零件圆孔的视觉测量成为了机器人制孔视觉测量系统的关键问题之一。复合材料圆孔检测的难点在于其复杂... 详细信息

近年来由于性能优势,航空工业中复合材料的使用量正在不断地增加,但其丰富的表面纹理信息同时也为视觉测量带来了挑战,因此复合材料零件圆孔的视觉测量成为了机器人制孔视觉测量系统的关键问题之一。复合材料圆孔检测的难点在于其复杂的纹理信息,传统的圆检测算法容易受到纹理的干扰,在复合材料的圆检测问题中识别率过低,会严重降低机器人制孔的加工效率。针对上述问题和挑战,本文研究了基于纹理分割、深度学习和半监督学习的高精度复合材料圆检测方法,主要创新点有:(1)针对复合材料复杂的纹理信息,提出了一种基于LBP(Local Binary Patterns)改进的纹理分割方法——LEP(Local Exponential Patterns)。LEP算法舍弃了 LBP过多的二进制模式,并给二进制的值赋予了意义,中心像素的LEP值不仅反映了该像素周围区域的纹理信息,还表达了该区域纹理数量的多少。LEP算法使得具有相似纹理信息和纹理数量的像素具有相同的LEP值,非常适用于纹理图像的分割,并且具有灰度不变性和旋转不变性。(2)在LEP算法的基础上,进一步提出了基于纹理分割的圆孔检测方法。在纹理分割算法的基础上,设计了一种高效的复合材料圆孔检测流程。首先从纹理分割结果中提取轮廓,与圆形模板进行匹配,并对剩余轮廓进行随机分段的椭圆拟合来获取候选圆,最后使用主动轮廓模型的方法优化椭圆轮廓,并重新拟合得到最终的圆轮廓。该方法大大提高了复合材料圆孔检测的识别率和准确率。(3)针对传统分割算法精度不够高以及数据标注过程成本过大的问题,提出了基于半监督深度学习的复合材料圆孔检测方法。将基于纹理分割的圆孔检测方法的检测结果作为数据的伪标签,并用形态学方法进行优化,然后使用迭代自训练的方法训练圆分割模型,同时优化伪标签;针对圆分割的特定任务设计了精简高效的深度网络,并提出了一种能表征未知区域圆度的损失函数;最后采用了基于对抗训练的模型融合方法,将多个训练模型集成在一个模型中。该方法显著提升了复合材料圆孔分割的精度的和鲁棒性。

关键词：机器人制孔复合材料椭圆提取深度学习半监督

纹理边界引导的复合材料基准孔精确定位方法研究

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纹理边界引导的复合材料基准孔精确定位方法研究

作者：张太恒浙江大学

学位级别：硕士

机器人制孔作业时,通常通过视觉传感器检测、定位飞机结构件上预先钻制的基准孔来在线修正工件坐标系的原点,以矫正离线编程产生的孔位偏差。随着复合材料在飞机制造领域越来越广泛的使用,如何在复合材料纹理背景下实现圆孔快速检测和... 详细信息

机器人制孔作业时,通常通过视觉传感器检测、定位飞机结构件上预先钻制的基准孔来在线修正工件坐标系的原点,以矫正离线编程产生的孔位偏差。随着复合材料在飞机制造领域越来越广泛的使用,如何在复合材料纹理背景下实现圆孔快速检测和基准孔精确定位,已经成为机器人制孔技术中亟待解决的问题。针对这一问题,本文在对纹理描述、纹理分割、目标检测等技术进行研究后,提出了纹理边界引导的复合材料圆孔快速检测方法和复合材料基准孔精确定位方法。本文的主要研究内容和创新点如下:针对复合材料纹理对检测任务产生较强干扰的问题,使用纹理分割得到纹理边界来排除干扰。首先提出一种基于传统纹理特征的纹理分割方法,该方法将局部三进制模型（LTP）与灰度共生矩阵（GLCM）的对比度融合为纹理对比度,通过提取纹理对比度特征来实现圆孔内外纹理的快速分割。同时提出基于深度学习分割模型的纹理分割方法,该方法使用Unet++模型实现圆孔内外纹理的分割,并使用关键位置注意力增强、模型剪枝等技术提升模型的性价比。纹理对比度方法性价比高,适用于要求一般的应用场景和CPU计算环境,Unet++方法效果好、鲁棒性强,适用于要求较高的应用场景和GPU计算环境。针对复合材料圆孔检测的两大难点:纹理噪声和圆孔模糊变形,提出一种纹理边界引导的复合材料圆孔检测方法。该方法使用纹理边界的位置信息去除绝大多数非圆孔边界的图像边缘点,以排除纹理噪声对圆检测的干扰;使用纹理边界的连通信息对剩余图像边缘点进行分组,对每组边缘点分别检测得到一个最优圆,以增强对模糊变形圆孔的检测能力。该方法能够以较快的速度实现对复合材料圆孔全而准的检测,具备较高的工程应用价值。针对纹理边界引导的复合材料圆孔检测方法识别精度较低,不能完成基准孔精确定位的问题,提出一种多阶段由粗到精的基准孔定位方法。该方法将复合材料圆孔检测方法的检测过程扩展为多个阶段,每个阶段都在前一阶段圆孔检测结果的引导下进行新一轮的圆孔检测,使得每个阶段都能在前一阶段的精度基础上实现更高的精度,最终达到基准孔定位任务的精度要求。该方法有着较为出色的复合材料基准孔定位性能。

关键词：纹理描述图像分割圆检测复合材料机器人制孔

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某外襟翼可移动工装设计及制孔应用研究

某外襟翼可移动工装设计及制孔应用研究

作者：梁涛浙江大学

学位级别：硕士

国外先进航空公司已经将机电一体化工装与机器人制孔技术广泛应用在飞机装配中,组成了先进的飞机生产线,而我国在这方面还处于初期研发阶段,传统工装已经不能满足飞机的大批量研制,研制用于机器人自动制孔可移动工装是飞机大批量生产的... 详细信息

国外先进航空公司已经将机电一体化工装与机器人制孔技术广泛应用在飞机装配中,组成了先进的飞机生产线,而我国在这方面还处于初期研发阶段,传统工装已经不能满足飞机的大批量研制,研制用于机器人自动制孔可移动工装是飞机大批量生产的关键因素之一,对航空制造业发展意义重大。本文以某型机外襟翼产品为研究对象,完成了用于机器人制孔某型机外襟翼可移动工装设计研究。主要成果和创新点如下:（1）对比国内外先进装配技术,参考国内外先进工装结构,研究工装发展方向,根据外襟翼产品装配工艺流程与技术要求,面向数字化生产线机器人制孔规划,采用多台工装公用机器人站位的方案,进行了外襟翼装配工装的总体方案设计,完成了工装各个功能模块的布局。（2）围绕外襟翼产品结构特点,根据不同零部件结构形式与定位需求,采用模块化和轻量化设计理念,完成了外襟翼装配工装各部分主体结构设计,其中包括一种定力压紧器的结构设计与实验验证。根据工装移动方案进行了工装升降轮组的结构设计,并对所用成品做了选型计算。（3）基于ABAQUS有限元分析软件,对工装的静止状态、使用状态与移动状态进行变形计算及分析对比,通过计算结果验证工装结构强度和稳定性;并对几种关键定位器典型结构做了刚强度分析和拓扑优化,使工装在满足装配需求的前提下尽可能轻量化,减轻人工劳动强度。（4）采用集成设计理念,将升降轮组、控制系统、风电系统与工装合为一体,提升工装外观和性能,方便安全操作使用,提高机电一体化工装自主设计能力,逐步改变当前公司直接购买机电一体化装配工装的现状,对今后类似的机电一体化可移动工装设计具有重要参考价值。

关键词：可移动工装机器人制孔外襟翼 ABAQUS 升降轮组

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螺旋铣制孔终端执行器的研究及其应用

螺旋铣制孔终端执行器的研究及其应用

作者：胡佳浙江大学

学位级别：硕士

当今航空航天工业迅速发展,钛合金、碳纤维复合材料等新型材料大量应用,由于钛合金硬度高,在用传统的钻孔方法加工时,会使刀具磨损加快,刀具耐用度降低,并产生较大的出口毛刺;钻削碳纤维复合材料时较大的切削力易使材料产生分层、撕裂... 详细信息

当今航空航天工业迅速发展,钛合金、碳纤维复合材料等新型材料大量应用,由于钛合金硬度高,在用传统的钻孔方法加工时,会使刀具磨损加快,刀具耐用度降低,并产生较大的出口毛刺;钻削碳纤维复合材料时较大的切削力易使材料产生分层、撕裂等缺陷,加工质量难以保证,所以需要有一种新的制孔技术来满足钛合金、碳纤维复合材料的加工要求。与传统钻削技术相比,螺旋铣技术制孔精度高、轴向切削力小且制孔生成的切屑呈颗粒状,所以使用螺旋铣技术制高精度孔有很大优势。本文中设计了一种基于螺旋铣技术的终端执行器,并对其在钛合金、碳纤维复合材料及其叠层材料上制孔的可行性进行了研究。铆钉、螺栓是当前飞机装配的主要连接方式,铆钉孔、螺栓孔的加工效率和质量直接决定着飞机装配的效率和飞机连接强度。本文首先对当前广泛应用的钻孔技术进行了介绍,指出当前的钻孔技术在应用中所面临的缺陷和不足之处,同时详细描述了螺旋铣制孔技术的制孔范围、制孔原理及相对传统制孔所特有的优点,并对当前螺旋铣制孔技术的国内外发展状况进行了阐述,提出了本文的研究内容和研究方案。为了解决在碳纤维复合材料、钛合金上制螺栓孔时遇到的制孔困难问题,本文设计了一种螺旋铣制孔终端执行器,该执行器包括刀具自转单元、刀具公转单元、刀具径向偏移单元、轴向进给单元和底座压脚单元,对各部分的结构及功能进行了详细描述,并对执行器上的三个伺服电机在功率、转速和转矩三方面的可用性进行了校核。螺旋铣技术是刀具自转、进给的同时并做公转运动的一种制孔方式,为了更方便的优化各个加工参数,本文对螺旋铣技术中的运动学知识进行了分析和计算,螺旋铣刀具有端部和外围两种切削刃,所以在螺旋铣制孔过程中刀具有两个加工区域,一个是钻削区域,另一个是铣削区域,本文对两个区域中刀具公转一周的制孔深度进行了求解,并根据制孔深度求解出了铣削量和钻削量的比例,可以根据计算结果对制孔加工参数进行优化,改善制孔质量。在以上螺旋铣终端执行器设计、螺旋铣运动分析的基础上,利用工业机器人配以设计的螺旋铣制孔终端执行器,在钛合金、碳纤维复合材料上进行制螺栓孔加工试验,并与传统钻孔工艺的制孔结果进行对比分析,验证了螺旋铣技术在钛合金、碳纤维复合材料以及这两种材料构成的叠层结构上制孔的可行性。最后对全文的工作进行了总结,并对螺旋铣技术的发展前景进行了展望。

关键词：螺旋铣技术终端执行器运动学钛合金碳纤维复合材料机器人制孔

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飞机装配制孔技术发展浅析

数控机床市场 2018年第2期 58-62页

作者：王良郭春英中航沈飞民用飞机有限责任公司

现代飞机结构设计中复合材料及钛合金的使用日益广泛，对制孔质量及制孔效率的要求更高，相应的装配制孔技术随之发展，针对飞机装配过程制孔技术的发展及应用，重点介绍了半自动制孔和自动制孔技术的工艺特点、所使用的主要工具设备及... 详细信息

现代飞机结构设计中复合材料及钛合金的使用日益广泛，对制孔质量及制孔效率的要求更高，相应的装配制孔技术随之发展，针对飞机装配过程制孔技术的发展及应用，重点介绍了半自动制孔和自动制孔技术的工艺特点、所使用的主要工具设备及其适用范围。

关键词：半自动制孔自动制孔螺旋铣孔机器人制孔飞机装配