面向飛機自動鉆鉚系統(tǒng)的工業(yè)機器人精度補償技術.pdf

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1、釤論壇。衫論壇曾遠帆，田威，廖文和(南京航空航天大學機電學院，南京210016)【摘要】新型飛機對我國航空制造業(yè)提出了更高的要求，工業(yè)機器人在飛機自動鉆鉚系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。由于工業(yè)機器人自身的絕對定位精度無法滿足飛機自動鉆鉚系統(tǒng)的精度要求，研究機器人的精度補償技術顯得至關重要。分別對基于運動學標定、基于非參數(shù)標定和基于實時反饋的機器人精度補償技術進行了簡要的介紹。關鍵詞：精度補償；機器人學；參數(shù)標定；非參數(shù)標定；自動鉆鉚系統(tǒng)DOI：10．160S0／j．issnl671-833x．2016．18

2、．046曾遠帆博士研究生。主要從事飛機自動鉆鉚技術、機器人精度補償技術、機器人離線編程技術等方向的研究，參與國家自然科學基金、工信部04重大專項、中航工業(yè)創(chuàng)新基金等著干科研項目，發(fā)表SCI論文4篇。隨著我國航空工業(yè)的不斷進步，四代機、無人機以及大飛機正逐漸成為研發(fā)的熱點與重點，航空制造技術+基金項目：國家自然科學基金面向機器人精度補償?shù)亩ㄎ徽`差相似度機理(51475225)。46航空制造技術·2016年第18期正迎接新的挑戰(zhàn)。面對新型飛機高質量、高精度的技術需求，傳統(tǒng)的人工作業(yè)漸漸力不從心，研制先進的

3、智能制造裝備迫在眉睫。隨著“工業(yè)4．0”和“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出，工業(yè)機器人作為一種靈活性強、可靠性高的通用設備，正逐漸應用于航空制造領域，其中最具有代表性的是基于工業(yè)機器人的自動鉆鉚系統(tǒng)?。在飛機自動鉆鉚系統(tǒng)中，工業(yè)機器人是主要的運動載體，負責將自動鉆鉚末端執(zhí)行器定位至待加工孑L位，因此飛機自動鉆鉚系統(tǒng)的工業(yè)機器人在工作時以點位控制為主。飛機部件產品尺寸大、孔位多，對孔的位置精度和法向精度要求較高，為保證機器人編程的效率和精度，機器人的工作任務和定位程序必須通過離線編程系統(tǒng)進行規(guī)劃和生成，因

4、此離線編程是飛機自動鉆鉚系統(tǒng)的必要組成部分。而要使離線編程技術能夠有效地應用于飛機部件的自動鉆鉚，必須保證工業(yè)機器人具有足夠高的絕對定位精度(即機器人實際定位位置與其運動指令位置之間的差異)。由于離線編程是通過指定末端執(zhí)行器刀尖點(TCP)在加工坐標系中的絕對位置來對機器人進行編程的，因此機器人執(zhí)行離線程序時的定位精度依賴于機器人的絕對定位精度?，F(xiàn)實的問題在于，盡管工業(yè)機器人通常具有較高的重復定位精度(即機器人重復執(zhí)行同一運動指令時定位位置的差異)，但是其絕對定位精度是比較低的。重復定位精度達到±0．

5、1mm的機器人，其本體的絕對定位精度往往僅有±2～3mm[241；再加上末端執(zhí)行器到TCP的誤差傳遞，機器人系統(tǒng)的絕對定位精度將進一步降低。一般而言，飛機產品要求孔的位置精度達到±0．5mm，然而目前尚未有重載工業(yè)機器人的絕對定位精度能夠直接滿足這一要求。因此，提高工業(yè)機器人的絕對定位精度是飛機自動鉆鉚系統(tǒng)所必須解決的核心問題之一，也是將工業(yè)機器人應用于其他任何領域的關鍵。工業(yè)機器人的精度補償技術能夠有效解決制造裝備自身精度與產品精度要求之間的矛盾。國航空專用裝備外飛機制造裝備企業(yè)，如美國EI(Ele

6、ctroimpact)和德國BROETJE公司在其自主研發(fā)的機器人自動鉆鉚設備中使用了精度補償技術，EI公司采用標定與關節(jié)閉環(huán)反饋相結合的技術(圖1)，使該公司的ONCE(ONe—sidedCellEndeffectoi‘)系統(tǒng)定位精度達到±0．25raml5幣l；BROETJE公司的RACe(RobotAssemblyCell)系統(tǒng)中采用了“標定一壓力補償一網格補償一溫度補償”的多手段結合的精度補償包(圖2)。使得機器人系統(tǒng)的定位精度達到±0．3ramnlj國外企業(yè)均將精度補償技術作為機器人自動鉆鉚

7、系統(tǒng)的核心技術與商業(yè)機密，對我國實施技術封鎖，因此，自主研發(fā)機器人的精度補償技術。對提高我國航空制造水平具有重要的意義。機器人的精度補償技術大致可伊-、、圖1ONCE的二級編碼器Fig．1ONCE2levelencoder以分為基于參數(shù)標定的精度補償技術和基于非參數(shù)標定的精度補償技術。本文將從這兩個角度對機器人精度補償技術進行簡要介紹。所涉及的各項技術，并不都在飛機自動鉆鉚系統(tǒng)中獲得應用，由于工業(yè)機器人精度補償技術是機器人應用領域的通用技術，下述技術均可在飛機自動鉆鉚系統(tǒng)中獲得借鑒應用，以滿足飛機自動

8、鉆鉚系統(tǒng)的定位精度要求。機器人運動學參數(shù)標定技術機器人運動學參數(shù)標定是提高機器人定位精度的傳統(tǒng)方法，主要思想是通過建立機器人運動學參數(shù)模型，通過對機器人的實際定位誤差進行采樣，擬合計算出各項運動學參數(shù)誤差．并據(jù)此修正機器人的運動學模型IS-91，這項技術一般涉及誤差建模、誤差采樣和參數(shù)識別等問題，下文對這3個方面進行簡要介紹，1機器人運動學參數(shù)模型建立合適的機器人運動學參數(shù)模型是進行參數(shù)標定的基礎。最經典的機器人運動學參數(shù)模型是D—H(Denavit—H