機器人自動鉆鉚系統(tǒng)精密檢測技術

1、機器人自動鉆鉚系統(tǒng)精密檢測技術 飛機部件的裝配連接是飛機裝配的重要環(huán)節(jié)。近年來，機器人自動鉆鉚技術依托機器人的高度柔性，成為飛機大部件自動鉆鉚技術的研究熱點。在機器人自動鉆鉚系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的測量技術已難以滿足系統(tǒng)的快速、高效、高精度檢測要求，而與機器人自動鉆鉚系統(tǒng)高度集成的先進檢測和測量設備，能夠對鉆鉚過程進行全生命周期的監(jiān)測和實時的測量反饋，以提高自動鉆鉚系統(tǒng)的自動化、智能化和安全水平，滿足飛機零部件鉆鉚的高精度要求，提高鉆鉚效率。  對于基于機器人的數(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

2、列飛機復合材料飛機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、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)了一種機器人柔性裝配系統(tǒng)，用于機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貨艙門結構的自動鉆鉚系統(tǒng)，能夠實現(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。北京航空航天大學和沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司聯(lián)合研制的機器人自動鉆孔系統(tǒng)具備視覺檢測系統(tǒng)，可對制孔過程進行監(jiān)測。浙江大學研制了一套雙機器人協(xié)同自動鉆鉚系統(tǒng)。雙機器人協(xié)同自動鉆鉚系統(tǒng)的裝配對象為大型飛機機

3、身壁板的蒙皮、長桁、鈑金框以及用來連接鈑金框與蒙皮的補償角片。  國外系統(tǒng)集成及設備供應商已經(jīng)解決了機器人自動鉆鉚系統(tǒng)中檢測方面的關鍵技術，國內有關主機廠和研究所也在這方面進行了初步研究，但是自動化鉆鉚設備和檢測系統(tǒng)等還處于分別應用狀態(tài)，沒有集成為一體。在單項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、全面的檢測技術的研究還有待深入。因此，突破機器人自動鉆鉚系統(tǒng)的關鍵檢測技術，對促進國內機器人自動鉆鉚技術在飛機裝配中的深入應用具有重要的指導意義。 機器人自動鉆鉚檢測系統(tǒng)組成  機器人自動鉆鉚系統(tǒng)主要由機器人、多功能末端執(zhí)行器、地軌、柔性工裝等組成。其中

4、，機器人可在地軌上移動實現(xiàn)多站點工作，擴大工作范圍；多功能末端執(zhí)行器安裝在機器人法蘭盤上，具有制孔、涂膠、鉚接等功能單元，各項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大型零部件的裝夾、定位和快速更換。  機器人單元、末端執(zhí)行器單元和柔性工裝單元作為3個主要獨立單元部件，必須實現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)關聯(lián)和融合；待加工產(chǎn)品的理論數(shù)模與實際數(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，不能依靠原始的機械檢測方法檢查鉆鉚質量；為保證系統(tǒng)的加工效率和安全性，必須對加工過程進行實時監(jiān)控，以防止發(fā)生突發(fā)情況。針對上述

5、問題和系統(tǒng)需求，自動檢測設備必須具備以下檢測功能：（1）刀具零點檢測：實現(xiàn)對刀，并補償?shù)毒甙惭b和換刀的偏差；（2）加工基準檢測：檢測并識別產(chǎn)品上的基準孔，并對待加工孔的位姿進行修正；（3）蒙皮法向檢測：測量蒙皮表面的法向信息，并調整機器人制孔姿態(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)品形變和孔質量的缺陷；（5）孔質量檢測：包括各層材料的厚度、锪窩深度、孔厚度、孔徑、孔邊距、孔排距、沉頭窩等質量信息；（6）刀具判斷：實時監(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。機器人自動鉆鉚檢測系統(tǒng)工作流

6、程  根據(jù)機器人自動鉆鉚系統(tǒng)工作特點和要求以及各檢測項目的特點，合理安排檢測順序，系統(tǒng)的檢測流程（如圖2所示）：（1）進行系統(tǒng)初始化并完成系統(tǒng)自檢，主要包括機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)行器和電主軸復位檢查、各輸油輸氣管道檢查以及機器人工作空間安全檢查等各項檢查。（2）進行系統(tǒng)標定，建立機器人系統(tǒng)，末端執(zhí)行器和柔性工裝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關聯(lián)，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。（3）控制機器人帶動末端執(zhí)行器到測試區(qū)域，進行刀具零點檢測，獲得刀具實際位置，并修正制孔TCP位置。（4）啟動基準檢測裝置，測量測試板上的基準孔，并完成測試板上的試加工。（5）完成試加工后，進行實際加工，進行產(chǎn)

7、品上的加工基準檢測，并以此修正待加工孔位的坐標。（6）將末端執(zhí)行器定位到產(chǎn)品的待加工孔的位置，進行蒙皮法向檢測，測量蒙皮法向，若不滿足法向要求，則控制機器人進行法向調姿，若滿足要求，則進行下一步。（7）法向調整后，進行加工距離檢測，刀具定位到合理的距離，啟動主軸，進行制孔。（8）加工過程，實時進行各層材料厚度檢測、锪窩深度檢測，并判斷刀具狀態(tài)，當?shù)毒邠p壞時，停機換刀，并重復步驟（3），重新檢測刀具零點。（9）完成制孔后，檢查制孔質量，即孔徑、沉頭窩、孔間距、孔排距檢測 ，并輸出加工數(shù)據(jù)。重復步驟（6）（9）完成當前產(chǎn)品上所有孔位的加工。（10）更換產(chǎn)品，要重新進行加工基準檢測，重復步驟（5）（

8、9），完成所有產(chǎn)品的加工。檢測系統(tǒng)關鍵技術 1 刀具零點檢測  刀具零點檢測采用3個接觸式距離傳感器來實現(xiàn)，如圖3所示，3個傳感器安裝在同一平面內，測頭均伸入一個剛性圓筒內，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所示的零點檢測幾何模型，建立二維平面坐標系，當圓筒軸線、刀具軸線和主軸回轉軸線重合時，系統(tǒng)記錄下3個傳感器測量的距離值，設定為理論值。末端執(zhí)行器的刀具對準零點檢測裝置的圓筒，系統(tǒng)記下3個傳感器的測量值，通過數(shù)學處理，計算刀具的實際位置，并與理論進行對比找出

9、偏差，以此修正TCP的位置。實際應用時，由于檢測裝置的安裝要求較高，首先應對檢測裝置進行標定，分析并測量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行修正，以消除安裝誤差。 圖3 刀具零點檢測裝置示意圖 圖4 刀具零點檢測幾何模型2 加工基準檢測  以基準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（照相測量在國內外文獻中介紹的較多9-11，這里將重點對基于2D 激光位移傳感器的基準檢測方法進行論述）。 圖5 基準檢測原理 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

10、 激光位移傳感器測量基準孔邊緣點在傳感器坐標系下的（x，z）坐標，通過測量2D激光位移傳感器延y方向做平移掃描運動的平移量，將2D傳感器的測量信息由二維擴展到三維，提取基準孔邊緣點的三維坐標，然后擬合圓孔、識別圓孔幾何特征（圓心坐標及半徑）。根據(jù)基準檢測原理設計如圖6的基準檢測裝置，2D激光位移傳感器在滑塊導軌的帶動下實現(xiàn)平移掃描運動，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)學處理，檢測并識別基準孔的位置，并與理論進行對比，修正待加工孔的位姿信息。 圖6 基準檢測裝置 以2D激光位移傳感器為主要檢測元件的基準檢測裝置，同時也可完成對加工完成的孔徑、孔邊距、孔

11、排拒、沉頭窩等孔質量檢測，實際上，對于鉆鉚工作模式，可認為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。當系統(tǒng)執(zhí)行掃描模式時，自動啟動2D激光位移傳感器裝置，執(zhí)行包括基準孔在內的各種孔的檢測。 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

12、，通過一定的數(shù)學處理計算出機器人需要調整到的姿態(tài)角度，最后輸出信息控制機器人進行姿態(tài)調整，實現(xiàn)法向測量與調整以達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現(xiàn)制孔距離的檢測，當系統(tǒng)完成法向調整，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)，對制孔距離進行調節(jié)。 4 各層材料厚度和锪窩深度檢測  在機器人自動鉆鉚系統(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給的接觸式距離傳感器來實現(xiàn)（如圖9所示）。 當?shù)毒哌M給前，距離傳感器的測頭剛好到達一個

13、固定的基準塊上，主軸繼續(xù)進給，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，將主軸速度與材料厚度信息進行匹配，提取制孔過程中各層材料的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，伸進孔內部，如圖11所示。光纖傳感器從側面發(fā)出光線照在孔內壁，傳感器以一定速度從孔內移動，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，通常采用預測的方法。前期研究階段，經(jīng)過有限元仿真分析和實驗的方法，制定刀具工藝參數(shù)庫，對于刀具的壽命進行預測和評估，其中，包括對應不同材料的多種型號的刀具的制孔磨損量的控制參數(shù)，以此作為預測的關鍵信息