一種新型飛機(jī)裝配自動(dòng)化鉆孔系統(tǒng)研究

陳龑斌 林偉 霍玥玥

摘要：介紹了一種利用低成本、低精度的機(jī)器人和標(biāo)準(zhǔn)的鉆孔工具、先進(jìn)的VR技術(shù)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配線鉆孔過程自動(dòng)化。飛機(jī)裝配線上需要鉆孔的零件主要包括機(jī)翼上下壁板、前后梁、肋骨、機(jī)身蒙皮等。傳統(tǒng)的飛機(jī)零件鉆孔過程通常由人員執(zhí)行，而設(shè)計(jì)的解決方案可以去除人工操作，提高系統(tǒng)的靈活性。同時(shí)，它也適用于現(xiàn)有的裝配線，因?yàn)樗恍枰獙ρb配線進(jìn)行最小的更改，并且對市場上幾乎所有可用的機(jī)械手都有效。為此提出了設(shè)計(jì)方案，使低成本的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)械手滿足鉆孔任務(wù)的要求。進(jìn)一步來說，采用了一種帶有商用鉆削末端執(zhí)行器和力傳感器的標(biāo)準(zhǔn)手臂機(jī)械手。并在一個(gè)真實(shí)的裝置上對設(shè)計(jì)的架構(gòu)的有效性進(jìn)行了測試。與此同時(shí)，在飛機(jī)裝配的工藝設(shè)計(jì)中運(yùn)用了vR設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)階段用vR環(huán)境測試飛機(jī)進(jìn)行人與設(shè)備“物理”交互。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化鉆孔;新型自動(dòng)化;力控制;VR設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：V262.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001—5922（2021）01-0192—05

0引言

本文介紹了如何利用低成本的部件來完成鉆飛機(jī)鉆孔。特別是，采用低精度機(jī)器人（關(guān)于航空業(yè)允許的公差），配備有力傳感器和現(xiàn)成的鉆孔工具。在手頭的任務(wù)中采用力/扭矩傳感器可能有幾個(gè)原因。在不使用參考夾具的情況下，它允許控制鉆孔方向的力，同時(shí)最小化切向力，以防止滑冰現(xiàn)象。另一方面，為了充分考慮鉆模位置對鉆模位置的不完全了解，合理地控制鉆模沿鉆向的受力，在參考鉆模存在的情況下，需要采用力控制算法。從硬件和設(shè)計(jì)軟件兩方面描述了該體系結(jié)構(gòu)，提供了所有必要的細(xì)節(jié)，從而從現(xiàn)成的機(jī)器人開始最終解決方案。

1硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)

本節(jié)介紹了采用的硬件和開發(fā)的軟件。在此，值得強(qiáng)調(diào)的是，僅使用了商用部件。

1.1硬件體系結(jié)構(gòu)

下面描述的設(shè)置安裝在薩勒諾大學(xué)的自動(dòng)實(shí)驗(yàn)室。采用Comau公司生產(chǎn)的智能六機(jī)器人對鋁件進(jìn)行鉆孔。在表I中，報(bào)告了SmartSix規(guī)范。這是一個(gè)小尺寸6自由度（DOF）6kg有效載荷的串聯(lián)鏈?zhǔn)綑C(jī)器人，其擬人結(jié)構(gòu)如圖1所示（在左側(cè)）。該機(jī)器人主要用于汽車工業(yè)中的電弧焊、密封或噴漆作業(yè)。機(jī)器人配有C4G控制器，除其他外，該控制器允許使用標(biāo)準(zhǔn)外部PC對機(jī)器人進(jìn)行控制。即使對于工業(yè)機(jī)器人（如所考慮的機(jī)器人），這也是當(dāng)今非常常見的特征，因此不會(huì)破壞所提出解決方案的一般性。機(jī)器人安裝在一個(gè)滑動(dòng)軌道上，增加了機(jī)器人的工作空間。在同一幅圖中可以看到，在機(jī)器人的頂端安裝了一個(gè)鉆孑L工具和一個(gè)力傳感器。鉆孔工具最好如圖2所示。它是Lubbering公司生產(chǎn)的一種現(xiàn)成氣動(dòng)工具，操作人員常用于手動(dòng)鉆孔，配備有同心夾頭，在鉆孑L過程中，它提供了一種符合人體工程學(xué)的、快速的將鉆頭夾緊到夾具孔中的方法。該工具經(jīng)過了輕微的修改，只是為了在不改變其主要特性的情況下安裝在Comau機(jī)器人上。最后，鉆孔工具安裝在一個(gè)ATI GammaS165-56軸力/扭矩傳感器上，該傳感器依次連接到機(jī)器人尖端。要鉆孔的零件是由圖3（左側(cè)）所示的柔性夾具固定的鋁板。面板由真空帽固定，夾具的靈活性是因?yàn)榭梢灾匦屡渲媒Y(jié)構(gòu)以固定可變曲率面板。在同一張圖（右邊）中，它詳細(xì)地顯示了一個(gè)帶有一系列參考孔的夾具。夾具上的這些孔使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確定位要鉆孔的點(diǎn)的位置。圖4顯示了鉆孔系統(tǒng)所采用的軟件體系結(jié)構(gòu)的概述。

2.2.軟件體系結(jié)構(gòu)

圖4顯示了鉆孔系統(tǒng)所采用的軟件體系結(jié)構(gòu)的概述。體系結(jié)構(gòu)的主要部分由控制單元來表示，控制單元負(fù)責(zé)收集來自不同外設(shè)（包括機(jī)器人）的所有信息，制定控制策略，并發(fā)送控制命令?？刂茊卧且慌_(tái)運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)Pc，該操作系統(tǒng)已通過免費(fèi)的實(shí)時(shí)擴(kuò)展進(jìn)行了修補(bǔ)，以獲得實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。為了產(chǎn)生高效的、可重用的代碼，所有用于系統(tǒng)控制的軟件都是使用開放式機(jī)器人控制軟件（0ROCOS）框架編寫的，該框架是在自由軟件許可下發(fā)布的。OROCOS的目標(biāo)是為機(jī)器人和機(jī)器控制開發(fā)一個(gè)通用的、自由的軟件和模塊化框架。它有時(shí)被稱為中間件，因?yàn)樗挥趹?yīng)用程序和操作系統(tǒng)之間，負(fù)責(zé)軟件組件的實(shí)時(shí)通信和執(zhí)行。OROCOS的設(shè)計(jì)是為了自然地允許軟件的模塊化和可重用性。實(shí)際上，圖4中所示的每個(gè)設(shè)備都與一個(gè)OROCOS組件相關(guān)聯(lián)，該組件從中收集信息并發(fā)送回命令。不同組件之間的信息交換通過靜態(tài)或動(dòng)態(tài)定義組件連接來保證。此選項(xiàng)允許輕松向系統(tǒng)添加新功能。

如上所述，選擇用于此設(shè)置的機(jī)器人是ComauSmartSix（圖1），是Comau機(jī)器人中最小的。C4G控制單元通過以太網(wǎng)上的實(shí)時(shí)通信以500Hz的頻率與控制Pc通信。在每個(gè)時(shí)間步，每個(gè)機(jī)器人軸的狀態(tài)（位置、速度、電機(jī)電流和其他監(jiān)控信息）被發(fā)送到控制Pc機(jī)，控制Pc機(jī)計(jì)算參考輸人。對于后者，允許多種操作模式。特別是可以：聯(lián)合位置參考并使用內(nèi)置Comau位置控制器（位置模式）;速度參考并使用內(nèi)置的Comau速度控制控制器（速度模式）;允許用戶設(shè)計(jì)自己的控制策略（當(dāng)前模式）的當(dāng)前參考。

由于活動(dòng)的目標(biāo)之一是開發(fā)盡可能通用的解決方案，因此選擇了第一種操作模式。事實(shí)上，幾乎所有的工業(yè)機(jī)器人控制器都允許外部生成關(guān)節(jié)位置命令，而只有少數(shù)控制器允許速度和當(dāng)前模式

通過控制Pc命令鉆具，控制Pc通過以太網(wǎng)向鉆具控制箱發(fā)送命令。激活同心夾頭的單個(gè)命令可在標(biāo)準(zhǔn)操作模式下啟動(dòng)鉆孔任務(wù)并停用同心夾頭，循環(huán)持續(xù)時(shí)間約為20s。最后，通過在PCI總線上工作的國家儀器使用FTD-DAQ-M 1PCI-6220DAQ卡將力傳感器連接到控制單元。

2控制策略

本節(jié)描述了一種通用控制策略的設(shè)計(jì)，該策略使標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人適合于鉆孔任務(wù)。結(jié)果是針對現(xiàn)有的機(jī)器人平臺(tái)，然而，方法是完全通用的。

2.1問題表述

考慮的鉆孔任務(wù)包括6個(gè)階段：（a）人工根據(jù)位置選擇鉆孔或鉆孔順序;（b）機(jī)器人接近鉆孔點(diǎn)。在這種情況下，控制Pc為機(jī)器人規(guī)劃一條軌跡，并以指定的頻率將關(guān)節(jié)位置發(fā)送給C4G控制器;（c）接近階段結(jié)束后，機(jī)器人移動(dòng)，使鉆頭尖端與要鉆孔的零件接觸;（d）一旦鉆孔工具到達(dá)最終位置，面板將最終鉆孔;（e）在鉆孔任務(wù)結(jié)束時(shí)，將鉆具從鉆孔部件中取出;（f）開始新的一輪鉆孔任務(wù)。

如果在沒有參考夾具的情況下進(jìn)行鉆孔，則需要在（c）-（f）階段使用直接力控制算法，以最小化與面板相關(guān)的切向力，并控制沿鉆孔方向的力;同樣，在鉆削過程中，必須采用力矩控制算法來保持鉆軸垂直于面板。同樣，當(dāng)同心集管必須安裝在夾具孔上時(shí)，在使用參考夾具鉆孔時(shí)需要力控制。這是由于機(jī)器人的精度較低和/或不完全了解參考夾具相對于鉆孔工具的位置。盡管階段（a）、階段（b）的軌跡規(guī)劃沒有提出任何具體問題，但力控制算法的設(shè)計(jì)值得詳細(xì)討論。此外，在第二節(jié)所述的上下文中，需要通過適當(dāng)使用機(jī)器人的低級(jí)內(nèi)置位置控制器來設(shè)計(jì)力控制回路。

2.2力控制算法設(shè)計(jì)

機(jī)械化鉆孔作業(yè)要求精確控制機(jī)械手與環(huán)境相互作用時(shí)產(chǎn)生的接觸力。在使用鉆模鉆孔時(shí)，力控制允許機(jī)器人安全地將末端執(zhí)行器同心夾頭插入鉆?？字?。這種耦合的誤差遠(yuǎn)小于工業(yè)機(jī)器人的定位精度。此外，通過將所需力矩設(shè)置為零，控制算法還可以容忍同心夾頭軸和鉆孔軸之間的對準(zhǔn)誤差，從而使其在孔內(nèi)滑動(dòng)。

4VR技術(shù)+裝配，飛機(jī)裝配的工藝設(shè)計(jì)

我們的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）的重點(diǎn)是可視化和與飛機(jī)CAD幾何圖形交互，從而提供一個(gè)幾乎與設(shè)計(jì)階段為飛機(jī)構(gòu)建的全尺寸物理模型內(nèi)部相同的VR環(huán)境。我們相信，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅可以讓人直觀地看到一組零件的CAD表示，還可以讓人與零件進(jìn)行“物理”交互，即將零件移人或移出安裝位置，繞過障礙物，等等。

目前我們工作的主要目標(biāo)是發(fā)展和展示我們所稱的“以自我為中心的人類模型”。我們指的是一種虛擬現(xiàn)實(shí)能力，參與者從第一人稱的角度感知自己進(jìn)入飛機(jī)幾何結(jié)構(gòu)，“穿著”一個(gè)圖形化的人體，其位置和動(dòng)作與他/她自己的非常相似。參與者四肢、軀干和頭部的位置/方向傳感器向計(jì)算機(jī)提供必要的信息，使計(jì)算機(jī)能夠在相應(yīng)位置繪制圖形體。實(shí)時(shí)碰撞檢測軟件會(huì)通知參與者是否遇到障礙物。觸覺反饋系統(tǒng)會(huì)讓用戶真正感受到這種碰撞。同時(shí)，我們提供聲音提示，并使物體變色，以通知用戶發(fā)生碰撞。

5結(jié)語

文章面向航空工業(yè)鉆孔作業(yè)自動(dòng)化的軟硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這里設(shè)計(jì)的解決方案使用了低成本、低精度的機(jī)器人和標(biāo)準(zhǔn)的手動(dòng)鉆孔工具。詳細(xì)描述了利用這些機(jī)器人所要采取的步驟。通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。作為今后的工作，將對無基準(zhǔn)鉆模的鉆進(jìn)進(jìn)行試驗(yàn)研究。此外，一個(gè)CMOS和一個(gè)熱成像相機(jī)將被用于過程監(jiān)控目的。它們最終將由其他機(jī)械手?jǐn)y帶，并在分布式控制的框架內(nèi)進(jìn)行處理。此外，我們在飛機(jī)裝配的工藝設(shè)計(jì)中還運(yùn)用了VR設(shè)計(jì)，即采用VR環(huán)境測試飛機(jī)進(jìn)行人與設(shè)備“物理”交互，從而提供一個(gè)幾乎與設(shè)計(jì)階段為飛機(jī)構(gòu)建的全尺寸物理模型內(nèi)部相同的VR環(huán)境。