航空制孔机器人末端垂直度智能调节方法

针对飞机蒙皮的机器人制孔中铆接孔的垂直度问题,提出了一种曲面法线测量的新方法,然后对钻头的姿态进行调整,保证钻头沿钻孔点的法线方向钻孔.该方法首先利用3个激光测距传感器测量出钻孔点周围3个特征点的坐标,然后求出已知的钻孔点处的切向量,通过叉积原理计算出钻孔点的法向量及其与钻头中心轴线的夹角,并将它们反馈到控制系统,最后控制系统利用定角度的二元角度调节法调节钻头的角度使其与钻孔点的法线重合.在航空制孔机器人平台上的实验及结果证明了这种钻头垂直度调节的高精度和高效性.

航空制孔机器人末端执行器高精度制孔方法研究

铆接是飞机装配中的一种重要连接方式,铆接孔的垂直度精度对铆接质量有重要影响。传统的手工制孔存在加工质量低、工作强度大和效率低下等问题,已经不能满足高精度和高质量的飞机装配要求。针对飞机蒙皮铆接孔垂直度精度的自动制孔问题,提出了一种高精度的自动制孔方法。采用四点曲面测量方法获得制孔点法线,并通过双偏心盘调姿机构来实现制孔点法线与钻头轴线的重合,实现了高精度的制孔。在航空制孔机器人上进行了制孔试验,试验结果验证了该方法的正确性和有效性。

航空制孔机器人的现状与展望

制孔是飞机装配的重要环节之一,而航空制孔机器人凭借效率高、成本低、稳定性好的优势成为航空装配领域的研究热点。首先根据机器人平台的不同,将航空制孔机器人分为3种,介绍了国内外航空制孔机器人的研究和应用现状,然后从结构设计、控制算法、过程管控、视觉标定及检测4个方面分析了国内外航空制孔机器人关键技术,最后展望了未来航空制孔机器人的发展趋势。

自动制孔机器人在翼面类部件应用中的问题及研究

主要侧重于自动制孔机器人在加工应用中存在的问题,针对翼面类部件在装配时的特点以及特殊要求,进行了必要的分析与研究,提出了相应的解决方案,以实现自动制孔机器人在翼面类部件的装配加工中顺利应用。

手术制孔机器人研究进展

传统手术制孔是由医生操作辅助制孔装置,对医生的专业技能与经验积累有很高的要求,同时制孔精度与手术安全性不高。自动制孔技术可以保证手术制孔的安全与精度,缩短手术时间。骨骼制孔过程中,骨骼与钻头的连续摩擦会引起热积累,当温度超过临界值时会导致骨骼发生热坏死。如果钻头超过预设深度就会对骨头周围血管、肌肉及神经造成严重损伤。热积累控制和突破控制研究是保证手术制孔机器人安全操作的关键。研究表明,骨骼发生热坏死的临界温度为47℃,旋转超声骨骼制孔结合金刚石磨粒刀具的方式可以将制孔温度控制在40℃。骨骼制孔突破控制主要通过力/力矩、位置、声发射功率谱检测和神经网络分类等方法实现,其中通过力/力矩检测实现突破控制的效果最佳。在骨骼制孔过程中,还会产生钻削振动,因此对手术制孔机器人常用的振动控制方式进行了分析研究,并总结了其他有待进一步解决的问题并展望了未来的研究方向。

面向制孔机器人的视觉检测系统设计与实现

在视觉传感器标定精确的基础上,对基准孔位置的检测进行了研究,计算出待加工孔实际位置的补偿参数,实现机器人加工孔位置的修正,并通过Socket通信实现上位机和视觉传感器的数据交互,以控制机器人制孔系统的精确性。

轻型自主移动制孔机器人基准检测技术研究

针对大飞机机身大部件的装配需求,设计了一套柔性好、效率高、自动化程度高的轻型自主移动制孔机器人,并根据制孔机器人自身的结构特点,提出一套机器人视觉检测系统的手眼标定方案。在此基础上,提出了基于基准孔建立局部坐标系和空间坐标系转换的基准检测算法。实验表明:该技术能够实现机器人高精度制孔的精确定位,满足大飞机机身制孔位置精度要求。

制孔机器人在制孔过程中的振动抑制研究

针对制孔机器人在制孔过程中的振动抑制问题,对典型的双关节制孔机器进行了研究,仅考虑进给方向钻削力对制孔机器人系统的影响,分析了制孔过程中振动产生的机理,提出了模糊补偿抑振的控制算法。根据拉格朗日方程建立了制孔机器人的动力学模型,再结合根据斜角切削理论建立的钻削力模型,当制孔机器人处于某一特定位姿下时,借助Matlab/Simulink平台进行了仿真。利用模糊控制器将制孔机器人末端执行器在轴向钻削力的作用下即将产生的动态变化量提前补偿给各个关节之后,各个关节在制孔过程中的偏转量明显减弱。研究结果表明,模糊补偿的抑振算法能增强制孔机器人系统的刚度,进一步保证孔的质量。

基于ELM的航空制孔机器人定位精度补偿方法

针对航空制孔机器人绝对定位精度补偿中存在的建模复杂及运算量大的问题,提出了一种基于极限学习机的绝对定位精度补偿方法。该方法通过将机器人视为一个黑箱系统,忽略机器人的几何因素和非几何因素的影响,通过高精度的激光跟踪仪测量获得机器人的末端运动误差,采用极限学习机建立机器人误差预测模型。由机器人误差预测模型获得机器人在期望位置的位置偏差,通过修正机器人位置坐标来实现机器人的绝对定位精度补偿。最后该方法在航空制孔机器人上进行了试验,试验结果显示机器人的绝对位置误差的平均值和最大值分别降低了75.69%和78.16%。

机器人制孔末端执行器的设计及静动力学分析

提出了一种新型机器人制孔末端执行器的模块化结构设计方案,阐述了该末端执行器的主要模块结构设计、技术特点和技术参数。针对末端执行器整体和主要结构零件分别进行了有限元静力学及动力学分析计算,分析结果表明结构设计科学合理。同时,进一步揭示了高速制孔末端执行器与其匹配的机器人成本和制孔质量之间的关系,可以为其他类似机器人末端执行器设计提供参考。

基于接触式压脚的机器人制孔垂直度优化研究

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。

基于双目视觉的航空复杂结构件机器人制孔研究

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。

基于压脚位移补偿的机器人制孔锪窝深度控制

为了解决机器人自动制孔过程中由于飞机壁板变形和振动引起的锪窝深度控制问题,提出将终端执行器压脚位移作为实时补偿信号的制孔进给轴全闭环控制系统设计方法;根据制孔过程中压脚振动的实际频率特性,引入低通滤波器,考虑飞机壁板锪窝深度精度要求确定截止频率,有效抑制压脚高频振荡对进给轴位置精度的影响,保证锪窝深度以及加工孔的表面质量.在材料为铝合金的圆弧工件和平面工件上,分别加工直径为5.8和9.8mm的孔.实验结果表明,该系统可将加工孔的锪窝深度误差控制在0.02mm以内,表面粗糙度达到0.8μm.

基于PLC的机器人制孔执行器控制系统设计

针对应用于飞机铝合金、钛合金以及叠层部件自动制孔的机器人制孔执行器,基于PLC开发了一套机器人制孔执行器控制系统。根据需要完成的工作任务的要求和特点,详细分析和设计了控制系统的总体框架、硬件模块、软件模块以及上位机界面模块。现场测试证明,该控制系统操作方便、性能稳定,能够极大提高飞机部件的制孔效率和装配质量。

叠层结构机器人制孔压紧力预测

为了能合理地选择机器人制孔过程中的压紧力,基于叠层结构间隙消除的基本原理,提出机器人制孔过程中考虑初始间隙的压紧力预测方法.通过分析机器人自动化制孔过程中机身壁板刚度对各制孔位置所需压紧力大小的影响,并根据机身壁板的结构特点,对机身壁板的区域进行划分.在制孔过程中,层间间隙的不同也会导致所需压紧力的不同,因而分析叠层制孔过程中间隙的形成原因以及间隙对压紧力的影响.基于构建的壁板结构有限元仿真模型,结合影响系数法获取蒙皮和长桁的刚度矩阵,利用蒙特卡洛模拟生成蒙皮和长桁的初始间隙,基于弹性力学原理计算各制孔位置间隙消除所需的制孔压紧力.采用预测的压紧力在机器人制孔平台上进行制孔实验.实验结果表明:制孔后层间毛刺高度均小于0.1mm,满足飞机装配中紧固孔的制孔质量要求.所提出的机器人制孔压紧力预测方法能够实现压紧力的准确预测,并有效抑制飞机壁板自动化制孔过程中毛刺的产生,确保紧固孔的制孔质量,为高效率的飞机自动化装配提供了技术支持.

基于西门子控制系统机器人制孔执行器的研制

根据某型号飞机铝合金、钛合金及叠层机身部件的结构特点和制孔工艺需求,基于西门子Simotion开发出了一套机器人制孔执行器。详细分析和设计了制孔执行器系统的总体框架、硬件模块、软件模块及HMI界面模块。现场应用证明,该制孔执行器操作方便、性能稳定,可提高飞机部件装配中的制孔质量和效率。

机器人制孔姿态优化与光顺

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.

基于双目视觉定位的机器人自动制孔系统研究

为了解决传统机器人自动制孔系统在自动化生产线中适应性的问题,实现制孔对象在机器人自动制孔工位快速自动流转的同时保证制孔精度,提出了一种基于双目视觉定位的机器人自动制孔方法。该套系统以现场总线的方式将机器人本体、制孔末端执行器、自动物流车、双目视觉测量系统及其他附属设备集成在一起,实现对加工件的自动制孔。介绍了其中的末端执行器设计、双目视觉测量系统、机器人离线编程和系统集成控制。试验表明,该套系统末端定位精度±0.3mm,制孔垂直精度±0.5°,孔径精度H8。

大型复合材料无人机尾翼机器人制孔系统研制及其制孔试验研究

为了解决大型复合材料无人机尾翼曲面构件制孔数量多、人工制孔轴线方向无法保证、制孔过程中易振动以及易产生粉尘污染工作环境等难题,研制了机器人自动化制孔加工系统。开发了机器人制孔用末端制孔执行单元,具有工件基准点在线测量、刀具折断在线监测、全封闭吸尘和工件辅助压紧等功能,可用于某大型复合材料无人机尾翼制孔加工。针对制孔加工过程易出现出口毛刺等缺陷,研究了转速及进给对加工质量的影响,优化了工艺参数。现场加工实践表明,研制的大型复合材料无人机尾翼自动化制孔加工系统能够满足制孔加工需求,制孔加工效率得到显著提高。

机器人制孔自适应蚁群路径规划算法

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。