機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)精密檢測技術(shù)

1、機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)精密檢測技術(shù) 飛機(jī)部件的裝配連接是飛機(jī)裝配的重要環(huán)節(jié)。近年來，機(jī)器人自動鉆鉚技術(shù)依托機(jī)器人的高度柔性，成為飛機(jī)大部件自動鉆鉚技術(shù)的研究熱點(diǎn)。在機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測量技術(shù)已難以滿足系統(tǒng)的快速、高效、高精度檢測要求，而與機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)高度集成的先進(jìn)檢測和測量設(shè)備，能夠?qū)︺@鉚過程進(jìn)行全生命周期的監(jiān)測和實(shí)時的測量反饋，以提高自動鉆鉚系統(tǒng)的自動化、智能化和安全水平，滿足飛機(jī)零部件鉆鉚的高精度要求，提高鉆鉚效率。 對于基于機(jī)器人的數(shù)字化柔性裝配系統(tǒng)，整個工作過程的加工和測量是開環(huán)的，自動化檢測系統(tǒng)必不可少?？湛虯320、A330340和A340-500600型系列飛機(jī)復(fù)合材

2、料飛機(jī)水平安定面升降舵后緣的柔性鉚接裝配系統(tǒng)，可自動完成后緣的測量和校準(zhǔn)、上下壁板鉆孔和锪窩、壁板表面波紋度測量等檢測過程。Electroimpact與空客英國公司聯(lián)合開發(fā)了一種機(jī)器人柔性裝配系統(tǒng)，用于機(jī)翼壁板與骨架的裝配，該系統(tǒng)具備探測壁板(厚度)、孔檢測等檢測功能。德國寶捷研制的用于飛機(jī)貨艙門結(jié)構(gòu)的自動鉆鉚系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對臨時鉚釘、孔和邊緣、蒙皮定位、锪窩深度和孔厚度的檢測等。北京航空航天大學(xué)和沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合研制的機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)具備視覺檢測系統(tǒng)，可對制孔過程進(jìn)行監(jiān)測。浙江大學(xué)研制了一套雙機(jī)器人協(xié)同自動鉆鉚系統(tǒng)。雙機(jī)器人協(xié)同自動鉆鉚系統(tǒng)的裝配對象為大型飛機(jī)機(jī)身壁板的蒙皮

3、、長桁、鈑金框以及用來連接鈑金框與蒙皮的補(bǔ)償角片。 國外系統(tǒng)集成及設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)解決了機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)中檢測方面的關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)有關(guān)主機(jī)廠和研究所也在這方面進(jìn)行了初步研究，但是自動化鉆鉚設(shè)備和檢測系統(tǒng)等還處于分別應(yīng)用狀態(tài)，沒有集成為一體。在單項(xiàng)檢測的研究中已取得了些許成果，但是針對整個系統(tǒng)的完整的、全面的檢測技術(shù)的研究還有待深入。因此，突破機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)的關(guān)鍵檢測技術(shù)，對促進(jìn)國內(nèi)機(jī)器人自動鉆鉚技術(shù)在飛機(jī)裝配中的深入應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。機(jī)器人自動鉆鉚檢測系統(tǒng)組成 機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)主要由機(jī)器人、多功能末端執(zhí)行器、地軌、柔性工裝等組成。其中，機(jī)器人可在地軌上移動實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)工作，擴(kuò)大工作范

4、圍；多功能末端執(zhí)行器安裝在機(jī)器人法蘭盤上，具有制孔、涂膠、鉚接等功能單元，各項(xiàng)自動檢測單元也集成于末端執(zhí)行器上，分布在必要的位置；柔性工裝能滿足多種飛機(jī)大型零部件的裝夾、定位和快速更換。 機(jī)器人單元、末端執(zhí)行器單元和柔性工裝單元作為3個主要獨(dú)立單元部件，必須實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和融合；待加工產(chǎn)品的理論數(shù)模與實(shí)際數(shù)模的不匹配，必然會影響自動鉆鉚的精度；對于規(guī)劃好的產(chǎn)品加工孔位信息，加工過程必須是連續(xù)、不間斷的，不能依靠原始的機(jī)械檢測方法檢查鉆鉚質(zhì)量；為保證系統(tǒng)的加工效率和安全性，必須對加工過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，以防止發(fā)生突發(fā)情況。針對上述問題和系統(tǒng)需求，自動檢測設(shè)備必須具備以下檢測功能：（1）刀具

5、零點(diǎn)檢測：實(shí)現(xiàn)對刀，并補(bǔ)償?shù)毒甙惭b和換刀的偏差；（2）加工基準(zhǔn)檢測：檢測并識別產(chǎn)品上的基準(zhǔn)孔，并對待加工孔的位姿進(jìn)行修正；（3）蒙皮法向檢測：測量蒙皮表面的法向信息，并調(diào)整機(jī)器人制孔姿態(tài)，使得制孔方向與蒙皮法向一致；（4）制孔距離檢測：測量刀具到產(chǎn)品的距離， 以此合理控制壓緊力，防止壓力過大或過小引起的產(chǎn)品形變和孔質(zhì)量的缺陷；（5）孔質(zhì)量檢測：包括各層材料的厚度、锪窩深度、孔厚度、孔徑、孔邊距、孔排距、沉頭窩等質(zhì)量信息；（6）刀具判斷：實(shí)時監(jiān)測刀具的狀態(tài)，刀具破損和磨損時能及時更換。檢測系統(tǒng)組成如圖1所示。機(jī)器人自動鉆鉚檢測系統(tǒng)工作流程 根據(jù)機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)工作特點(diǎn)和要求以及各檢測項(xiàng)目的特點(diǎn)

6、，合理安排檢測順序，系統(tǒng)的檢測流程（如圖2所示）：（1）進(jìn)行系統(tǒng)初始化并完成系統(tǒng)自檢，主要包括機(jī)器人工作模式和通信連接檢查，各傳感器連接檢查，末端執(zhí)行器和電主軸復(fù)位檢查、各輸油輸氣管道檢查以及機(jī)器人工作空間安全檢查等各項(xiàng)檢查。（2）進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，建立機(jī)器人系統(tǒng)，末端執(zhí)行器和柔性工裝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（3）控制機(jī)器人帶動末端執(zhí)行器到測試區(qū)域，進(jìn)行刀具零點(diǎn)檢測，獲得刀具實(shí)際位置，并修正制孔TCP位置。（4）啟動基準(zhǔn)檢測裝置，測量測試板上的基準(zhǔn)孔，并完成測試板上的試加工。（5）完成試加工后，進(jìn)行實(shí)際加工，進(jìn)行產(chǎn)品上的加工基準(zhǔn)檢測，并以此修正待加工孔位的坐標(biāo)。（6）將末端執(zhí)行器定位到

7、產(chǎn)品的待加工孔的位置，進(jìn)行蒙皮法向檢測，測量蒙皮法向，若不滿足法向要求，則控制機(jī)器人進(jìn)行法向調(diào)姿，若滿足要求，則進(jìn)行下一步。（7）法向調(diào)整后，進(jìn)行加工距離檢測，刀具定位到合理的距離，啟動主軸，進(jìn)行制孔。（8）加工過程，實(shí)時進(jìn)行各層材料厚度檢測、锪窩深度檢測，并判斷刀具狀態(tài)，當(dāng)?shù)毒邠p壞時，停機(jī)換刀，并重復(fù)步驟（3），重新檢測刀具零點(diǎn)。（9）完成制孔后，檢查制孔質(zhì)量，即孔徑、沉頭窩、孔間距、孔排距檢測 ，并輸出加工數(shù)據(jù)。重復(fù)步驟（6）（9）完成當(dāng)前產(chǎn)品上所有孔位的加工。（10）更換產(chǎn)品，要重新進(jìn)行加工基準(zhǔn)檢測，重復(fù)步驟（5）（9），完成所有產(chǎn)品的加工。檢測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)1 刀具零點(diǎn)檢測 刀具零點(diǎn)檢測

8、采用3個接觸式距離傳感器來實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，3個傳感器安裝在同一平面內(nèi)，測頭均伸入一個剛性圓筒內(nèi)，分布在以圓筒軸線位置為中心的同一段圓弧上。其中，傳感器2和傳感器3的測量方向在同一直線上，傳感器1的測量方向與傳感器2、傳感器3的測量方向垂直。如圖4所示的零點(diǎn)檢測幾何模型，建立二維平面坐標(biāo)系，當(dāng)圓筒軸線、刀具軸線和主軸回轉(zhuǎn)軸線重合時，系統(tǒng)記錄下3個傳感器測量的距離值，設(shè)定為理論值。末端執(zhí)行器的刀具對準(zhǔn)零點(diǎn)檢測裝置的圓筒，系統(tǒng)記下3個傳感器的測量值，通過數(shù)學(xué)處理，計算刀具的實(shí)際位置，并與理論進(jìn)行對比找出偏差，以此修正TCP的位置。實(shí)際應(yīng)用時，由于檢測裝置的安裝要求較高，首先應(yīng)對檢測裝置進(jìn)行標(biāo)定，分

9、析并測量3個傳感器的安裝位置、角度以及相對位置誤差，并對幾何模型中3個傳感器的測量值進(jìn)行修正，以消除安裝誤差。圖3 刀具零點(diǎn)檢測裝置示意圖圖4 刀具零點(diǎn)檢測幾何模型2 加工基準(zhǔn)檢測 以基準(zhǔn)孔為主的各類孔的檢測方法有兩種，基于2D激光位移傳感器的激光掃描測量和照相測量（照相測量在國內(nèi)外文獻(xiàn)中介紹的較多9-11，這里將重點(diǎn)對基于2D 激光位移傳感器的基準(zhǔn)檢測方法進(jìn)行論述）。圖5 基準(zhǔn)檢測原理 基于2D 激光位移傳感器的孔檢測和識別方法，如圖5所示。通過2D 激光位移傳感器測量基準(zhǔn)孔邊緣點(diǎn)在傳感器坐標(biāo)系下的（x，z）坐標(biāo)，通過測量2D激光位移傳感器延y方向做平移掃描運(yùn)動的平移量，將2D傳感器的測量信

10、息由二維擴(kuò)展到三維，提取基準(zhǔn)孔邊緣點(diǎn)的三維坐標(biāo)，然后擬合圓孔、識別圓孔幾何特征（圓心坐標(biāo)及半徑）。根據(jù)基準(zhǔn)檢測原理設(shè)計如圖6的基準(zhǔn)檢測裝置，2D激光位移傳感器在滑塊導(dǎo)軌的帶動下實(shí)現(xiàn)平移掃描運(yùn)動，距離傳感器測量2D傳感器的位移量，根據(jù)傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理，檢測并識別基準(zhǔn)孔的位置，并與理論進(jìn)行對比，修正待加工孔的位姿信息。圖6 基準(zhǔn)檢測裝置 以2D激光位移傳感器為主要檢測元件的基準(zhǔn)檢測裝置，同時也可完成對加工完成的孔徑、孔邊距、孔排拒、沉頭窩等孔質(zhì)量檢測，實(shí)際上，對于鉆鉚工作模式，可認(rèn)為2D激光位移傳感器的平移掃描測量是系統(tǒng)的另一種工作模式掃描模式。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行掃描模式時，自動啟動2D

11、激光位移傳感器裝置，執(zhí)行包括基準(zhǔn)孔在內(nèi)的各種孔的檢測。3 蒙皮法向檢測 蒙皮法向檢測采用4個非接觸式激光位移傳感器來實(shí)現(xiàn)，如圖7和圖8所示的法向檢測裝置和幾何模型，4個位移傳感器等分布在以刀具軸線為中心軸的圓柱面上，且均與刀具軸線成一定夾角安裝，以使得打到蒙皮表面的4個激光束在不交叉的前提下又能夠足夠靠攏，即4束激光在蒙皮表面形成的區(qū)域盡可能小。圖7 法向精度檢測裝置4個位移傳感器檢測與蒙皮表面之間的距離，通過一定的數(shù)學(xué)處理計算出機(jī)器人需要調(diào)整到的姿態(tài)角度，最后輸出信息控制機(jī)器人進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)法向測量與調(diào)整以達(dá)到法向定位的精度要求。 為了提高傳感器的利用率，法向檢測裝置同時可實(shí)現(xiàn)制孔距離的

12、檢測，當(dāng)系統(tǒng)完成法向調(diào)整，4個距離傳感器同時記錄到蒙皮表面的距離，通過數(shù)學(xué)處理，計算到蒙皮表面的垂直距離，并傳遞給控制系統(tǒng)，對制孔距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。4 各層材料厚度和锪窩深度檢測 在機(jī)器人自動鉆鉚系統(tǒng)中，通常使用鉆絞锪一體的刀具，以提高加工效率。各層材料厚度和锪窩深度的檢測通過在主軸上安裝與主軸同時進(jìn)給的接觸式距離傳感器來實(shí)現(xiàn)（如圖9所示）。 當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)給前，距離傳感器的測頭剛好到達(dá)一個固定的基準(zhǔn)塊上，主軸繼續(xù)進(jìn)給，距離傳感器記錄移動距離，同步提取制孔過程中的主軸速度。根據(jù)以復(fù)合材料為主的疊層材料產(chǎn)品的制孔工藝要求，以主軸速度變化模型為基礎(chǔ)，將主軸速度與材料厚度信息進(jìn)行匹配，提取制孔過程中各層材料的

13、厚度和锪窩深度信息，圖10為加工過程中不同層間主軸的6個速度的變化模型。圖10 主軸速度變化模型5 孔厚自動檢測 由于蒙皮曲率的變化，造成蒙皮厚度的不均勻，需要在制孔后快速測量孔的厚度，以確定鉚釘?shù)拈L度?？缀褡詣訖z測采用一個微小的激光光纖傳感器，伸進(jìn)孔內(nèi)部，如圖11所示。光纖傳感器從側(cè)面發(fā)出光線照在孔內(nèi)壁，傳感器以一定速度從孔內(nèi)移動，通過光柵尺記錄傳感器信號變化過程中傳感器的移動量，即為孔厚度。圖11 孔厚自動檢測原理6 刀具判斷 刀具判斷包括刀具破損檢測和刀具磨損檢測兩部分。刀具磨損是逐步發(fā)生的，且制孔過程中磨損量很少，工程上很難直接或間接取得磨損信息，通常采用預(yù)測的方法。前期研究階段，經(jīng)過有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)的方法，制定刀具工藝參數(shù)庫，對于刀具的壽命進(jìn)行預(yù)測和評估，其中，包括對應(yīng)不同材料的多種型號的刀具的制孔磨損量的控制參數(shù)，以此作為預(yù)測