航空制孔机器人的现状与展望

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1、航空制孔机器人的现状与展望摘要：在飞机装配领域，飞机结构件连接以机械连接为主，连接孔的位置精 度和表面质量对飞机的寿命和安全有重要影响。然而，传统的手工制孔存在质量 差、效率低、工人劳动强度高、物力成本高等问题，显然不能满足我国航空制造 业的快速发展要求。随着工业机器人技术的飞速发展和机器人成本的不断降低， 同时考虑到机器人具有作业范围大，安装空间小，集成度高，经济效益和柔性好 等优点，利用机器人技术连接终端执行器的自动制孔系统正在以高精度、高效率 的优势取代传统的人工制孔系统。自动制孔设备在国外使用了几十年，在相关机 器人技术和激光跟踪技术领域也进行了更多的研究和应用。关键词：航空制孔机器人

2、；现状；展望引言我国航空航天技术的不断发展，对飞机装配技术的要求愈发提高。飞机的装 配质量会极大影响飞机的寿命、强度和密封性，且飞机的装配工作在整个飞机生 产过程中占30%45%。据统计，一架大型客机由上百万个零部件组成，其中70% 都是机械连接。螺栓连接和铆接与其他连接形式相比，因稳定性高、成本低、质 量轻、工艺简单等优点，是机械连接的主要形式。螺栓连接和铆接就意味着需要 制孔，制孔质量对连接质量具有重要的影响。因此，提高连接孔的制孔质量对提 高飞机寿命、强度、密封性等性能具有重要的意义。1国内研究现状国内对于机器人自动钻铆系统的研究起步较晚，目前国内大部分研究主要依 靠具有航空航天类背景的

3、部分高校和制造企业。其中，北京航空航天大学、浙江 大学、南京航空航天大学等大学进行了深入研究，有些成果已经投入了实际加工 使用。南京航空航天大学田伟教授为成都航空工业（集团）有限公司开发的机器人 自动制孔系统较为成熟，可以实际生产加工。倍福（Beck-off）公司EtherCAT 通信协议，通过软PLC将硬件与工控系统连接起来，实现信息的传输。以KUKA 机器人为载体，通过在机器人末端集成执行器，利用精度补偿算法提高机器人的 绝对定位精度，利用激光位移传感器对机器人进行法向位姿的调整。该系统绝对 定位精度达到土0.3mm，法向偏差为0.3，制孔效率可达到34个/min。 此外，还提出了工业机器

4、人工作误差的分级补偿策略，将其分为空载状态和负载 状态。分析了各种误差源，提出了相应的误差补偿方法。实验表明，在加载状态 下，机器人的位置误差从0.959毫米减小到0.217毫米。基于KUKA机器人，江 大学基于KUKA机器人使用多功能末端执行器来执行制孔、铆接等装配任务。以 激光跟踪器为跟踪和反馈装置，用VC+制作了一套控制软件，对中央处理器、机 器人、末端执行器和激光跟踪仪组成的全闭环系统实现实时控制，使得末端的定 位精度更高。然而，激光跟踪仪必须时刻配备在现场，导致整套系统更加复杂， 造价更高。此外，他们研发了一种螺旋铣孔末端执行器用于制孔，试验结果表明， 孔的位置精度达到土0.5mm，

5、法相偏差优于0.5，锪窝深度精度达到0.02m m。而北京航空航天大学所研究的集成控制系统主要完成制孔铆接功能，集成控 制系统基于主从架构，利用RS232的通信方式实现功能，结构较为简单。作者采 用加工前机器人钻削系统刚度优化和加工过程中孔位误差补偿相结合的方法。首 先，优化电机主轴和机器人端面法兰的安装角度，保证加工操作过程中机器人钻 孔系统的最大工作刚度，为高精度孔加工打下基础。然后，根据要钻孔的位置进 行误差补偿，同时考虑机器人末端受力变形和机器人的绝对位置误差。结果表明， 在所有机器人钻孔实验中，孔的位置误差明显减小，平均减少84.45%。证明这是 提高机器人钻孔定位精度的一种实用有效

6、的方法。2航空制孔机器人关键技术2.1视觉定位补偿视觉系统由智能相机、镜头、相机支架和圆形照明组成。相机对产品上基准 钉拍照，获取二维图像，并对基准钉边缘特征进行圆拟合。图像采集完成后，信 号发送到图像采集卡，图像采集卡将模拟信号转换为数字信号，使用图像处理分 析软件分析测量工件的图像，计算二维基准钉坐标值，向机器人发出命令，修改 孔处理位置，保证孔位置的准确性。2.2压紧力检测与控制压力脚组件是末端执行器的关键部件，集产品夹紧、法向测量、超低温风冷、 微量润滑、真空除屑等功能于一体。首先，在上位机工艺软件中设定压紧力，在 造孔过程中，PLC控制电气比例阀出气压力，有杆双作用气缸驱动压力脚伸出

7、， 压缩产品，叠层产品层间间隙，降低夹层中废屑含量，提高产品局部刚度，保证 钻孔加工状态的稳定性。2.3制孔机器人控制算法目前工业制孔机器人由串联机械臂和钻孔末端执行器组成，其控制算法主要 分为机械臂位姿控制和末端执行器姿态调整。通过对机械臂本体和末端执行器施 加合理的控制算法，可以提高制孔过程中的绝对定位精度、减小末端执行器姿态 角和制孔垂直度的偏差，从而有效提高制孔质量。串联机械臂控制是工业机器人 领域的传统问题，主要研究方向在于提高控制精度，实现制孔过程的全闭环控制。 工业机器人控制精度在实际场景中受许多因素综合影响，包括结构加工装配精度、 工作过程中的反作用力和负载、加工过程中产生的摩

8、擦和机械振动等，都会让机 器人的实际运动模型与理论模型存在较大的差异。为了解决这些问题，研究者通 常从智能控制算法、结构参数标定校准、实时误差预测和补偿等方面入手。工业 机器人是一个高度动态、高频、非线性的系统。传统机械臂通常使用PID(Proportional integral differential)算法进行控制，但随着复杂度的增加 和精度要求的提高，PID算法已很难适应控制需求。许多现代控制算法被大量试 验和应用，如具有较高响应频率的自适应控制；建立模糊模型，具有逼近特性的 模糊控制以及具有强适应性和实时性的神经网络控制等。笔者为PID控制加入了 误差模型和补偿机制。笔者将LuGre摩

9、擦模型引入机械臂，用模糊神经网络建立 补偿器对非线性环节进行逼近。笔者为滑模控制添加指数趋近律，使用RBF(Radial basis function)网络进行自适应误差补偿，提升了系统的鲁棒性和 响应速度。笔者使用基于极限学习机模型的补偿方法，建立了位置误差预测模型， 以激光跟踪器测量的理论位置和误差作为输入和输出训练数据，构建极限学习机 模型，引导钻孔机器人控制器补偿预测的位置误差。结束语航空制孔机器人技术一直是航空制造领域的研究热点，国内多家企业和高校 积极研发样机和试验优化，已经解决了很多技术难题。但随着时代发展，更多更 高的技术要求不断被提出，以目前的研究现状和产业需求来看，航空制孔

10、机器人 技术的发展趋势主要是以下3种。（1）实现全自动多层钻铆一体。目前的航空 制孔机器人在钻孔作业前需要进行钻孔点法向测量、机器人位姿调整、钻头位姿 校正等步骤，以确保钻孔角度偏差满足精度要求。而现在大多数航空制孔机器人 的钻孔末端执行器是单一钻头，这就意味着每次进行不同孔径的钻孔作业时需要 人工操作机器进行刀具更换，还需要重新校正钻头位置，既影响自动制孔效率， 还增加了人工培训成本。在工业自动化的号召下，设计全自动更换刀具的末端执 行器和钻孔系统，使得机器人钻孔末端执行器根据作业任务需求，自动从刀架上 选取、更换钻头，提高制孔效率，实现智能化制孔。（2）实现多机协同作业。 工业制造领域的传

11、统加工形式多采用机器人流水线式作业，每一台机器人单独进 行作业，完成后将工件转移到下一台机器人处进行加工。随着信息技术的高速发 展和人工智能技术的出现，多传感数据融合与多机协同技术逐渐兴起，通过分布 式执行任务和采集数据，提高信息获取效率和制造执行速度。多机协同作业依赖 环境感知、自主决策和任务分解的能力，在航空制造领域加工大体积、结构复杂 的部件极为适合，可以实现对空间、时间、资源的最大化利用，提高加工效率和 精准度。（3）实现全自动标定。为了实现机器人精确运动控制，航空制孔机器 人的机器人平台和钻孔末端执行器都需要进行标定，以确定机器人工具坐标系和 机器人坐标系之间的位姿关系。标定过程中需

12、要机器人根据已知工具点坐标进行 多次移动，随后进行方程求解，获得机器人运动学标定结果。但是在机器人使用 过程中，机器人运动关节和末端加工作业执行工具都会受到轻微磨损，导致之前 的运动学标定结果精度下降，所以需要制孔机器人在每次加工作业前进行自动在 线标定，保证运动学标定结果的准确性，提高制孔精度，实现航空制孔智能化。参考文献1 魏显奎.机器人自动制孔系统应用研究J.机电信息,2020（20）:19-22.2 .机器人自动制孔系统J.测控技术,2019,40（02）:4.3 王龙飞.飞机结构机器人自动制孔的误差补偿技术研究D.南京航空航天 大学,2019.4 向勇.自主移动机器人制孔系统集成与优化D.南京航空航天大学,2018.5 武如静.自动制孔机器人末端执行系统的设计研究D.北华航天工业学 院，2018.