航空制孔機(jī)器人的現(xiàn)狀與展望

袁培江，陶一寧，傅 帥，蘇 峰，陳冬冬，史震云

（1. 北京航空航天大學(xué)，北京 100191；2. 北京大學(xué)，北京 100871；3. 上海大學(xué)，上海 200444）

我國(guó)航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)裝配技術(shù)的要求愈發(fā)提高。飛機(jī)的裝配質(zhì)量會(huì)極大影響飛機(jī)的壽命、強(qiáng)度和密封性[1]，且飛機(jī)的裝配工作在整個(gè)飛機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中占30%～45%[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一架大型客機(jī)由上百萬(wàn)個(gè)零部件組成，其中70%都是機(jī)械連接[3]。螺栓連接和鉚接與其他連接形式相比，因穩(wěn)定性高、成本低、質(zhì)量輕、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是機(jī)械連接的主要形式[4]。螺栓連接和鉚接就意味著需要制孔，制孔質(zhì)量對(duì)連接質(zhì)量具有重要的影響[5–6]。因此，提高連接孔的制孔質(zhì)量對(duì)提高飛機(jī)壽命、強(qiáng)度、密封性等性能具有重要的意義。

在飛機(jī)裝配過(guò)程中，傳統(tǒng)手工制孔存在質(zhì)量差、人工成本高、效率低、穩(wěn)定性差等諸多問(wèn)題，而航空制孔機(jī)器人極大提高了飛機(jī)裝配質(zhì)量和效率。國(guó)外航空制造公司在飛機(jī)裝配中廣泛應(yīng)用航空制孔機(jī)器人，并顯著提高了工作效率。而我國(guó)對(duì)航空制孔機(jī)器人技術(shù)研究相對(duì)較晚，目前僅在運(yùn) 20 和殲 20 等部分重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)的批量生產(chǎn)線上有所應(yīng)用。研究航空制孔機(jī)器人技術(shù)可以滿足高效率、低成本的現(xiàn)代化飛機(jī)制孔需求，解決制約我國(guó)航空工業(yè)核心零部件高效加工裝配的問(wèn)題。

本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外航空制孔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了航空制孔機(jī)器人的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制算法、制孔過(guò)程管控、視覺(jué)標(biāo)定與檢測(cè)4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。

1 航空制孔機(jī)器人研究現(xiàn)狀

航空制孔機(jī)器人主要由制孔末端執(zhí)行器、機(jī)器人平臺(tái)和控制系統(tǒng)組成。通常在機(jī)器人平臺(tái)上安裝末端執(zhí)行器，依靠移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)位移、調(diào)姿、壓緊、制孔、锪窩等功能?？刂葡到y(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)航空制孔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)決策、信號(hào)采集及處理、各功能模塊控制等。

1.1 航空制孔機(jī)器人

目前，根據(jù)機(jī)器人平臺(tái)的不同，將航空制孔機(jī)器人分為以下3 種。

（1）工業(yè)機(jī)器人式航空制孔機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人式航空制孔機(jī)器人由工業(yè)機(jī)器人和制孔末端執(zhí)行器組成，通常工業(yè)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)6 自由度運(yùn)動(dòng)。在工業(yè)機(jī)器人法蘭末端安裝制孔末端執(zhí)行器，該制孔機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)是采用通用的工業(yè)機(jī)器人作為機(jī)器人平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，研發(fā)成本低、工作速度快，可滿足不同工況的制孔需求，但是剛度較差，需要使用精度補(bǔ)償以滿足制孔需求，而且工作范圍較小，需搭載自動(dòng)導(dǎo)航運(yùn)輸裝置 （Automated guided vehicle，AGV）平臺(tái)等可移動(dòng)結(jié)構(gòu)使用以增加工作范圍。

2002年，美國(guó)EI 公司與飛機(jī)制造商Boeing 公司共同研發(fā)了第一代單側(cè)單元末端執(zhí)行器 （One-sided cell end-effector，ONCE）工業(yè)機(jī)器人式航空制孔機(jī)器人，如圖1所示[7]，該機(jī)器人主要應(yīng)用于超級(jí)大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)F/A–18E/F 的機(jī)翼后緣襟翼，可實(shí)現(xiàn)制孔、锪窩、檢測(cè)等功能。

圖1 美國(guó)EI 公司第一代ONCE 航空制孔機(jī)器人[7]Fig.1 American EI company’s first generation one-sided cell end-effector aviation drilling robot[7]

（2）柔性軌道式航空制孔機(jī)器人。柔性軌道式航空制孔機(jī)器人的兩條柔性軌道吸附于作業(yè)平面，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿著柔性軌道移動(dòng)制孔末端執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)定位、制孔等功能。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好，但是需要在作業(yè)平面鋪設(shè)柔性軌道，鋪設(shè)過(guò)程復(fù)雜，工作范圍小。如圖2所示，美國(guó)EI公司和Boeing 公司共同研發(fā)了一款4 自由度柔性軌道式機(jī)器人制孔機(jī)器人“Flex Track”，該機(jī)器人成功應(yīng)用于Boeing777 機(jī)身對(duì)接處的制孔[8–9]。

圖2 美國(guó)EI 公司“Flex Track”航空制孔機(jī)器人[8–9]Fig.2 American EI company’s Flex Track aviation drilling robot[8–9]

（3）自主移動(dòng)式航空制孔機(jī)器人。自主移動(dòng)式航空制孔機(jī)器人包括可在飛機(jī)部件上自主移動(dòng)的機(jī)器人平臺(tái)和制孔末端執(zhí)行器，通過(guò)機(jī)器人平臺(tái)帶動(dòng)制孔末端執(zhí)行器完成定位、制孔等功能。該機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)是靈活性高、重量輕、對(duì)工裝要求低等，但是存在剛度較低、開(kāi)發(fā)難度大、精度低等問(wèn)題。如圖3（a）所示，西班牙M.Torres 公司研制了一款具有8 個(gè)真空吸盤的5 自由度自主移動(dòng)式航空制孔機(jī)器人TLD （Torres light drill）[10]，該機(jī)器人可對(duì)Al、Ti、CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）等航空材料進(jìn)行高精度制孔，而且可以識(shí)別并跨越30 mm的臺(tái)階。北京航空航天大學(xué)袁培江團(tuán)隊(duì)與上海飛機(jī)制造有限公司、南京航空航天大學(xué)聯(lián)合研制了一款自主移動(dòng)式自動(dòng)制孔機(jī)器人[11–12]，該機(jī)器人使用激光位移傳感器檢測(cè)加工平面法向信息，同樣采用8 個(gè)真空吸盤，分別通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠和氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)伸縮移動(dòng)，到達(dá)工作區(qū)域后利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，在鋁鋰合金的飛機(jī)蒙皮試件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該制孔機(jī)器人孔圓度達(dá)到了0.0025 mm，滿足制孔要求，如圖3（b）所示。

圖3 自主移動(dòng)式航空制孔機(jī)器人Fig.3 Autonomous mobile aviation drilling robot

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外的航空企業(yè)與科研單位率先開(kāi)展了機(jī)器人制孔的研究。目前，在航空制造領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用了工業(yè)機(jī)器人式航空制孔機(jī)器人。2009年，美國(guó)EI 公司在第一代ONCE 制孔機(jī)器人的基礎(chǔ)上，研制了第2 代航空制孔機(jī)器人TEDS（The trailing edge drilling system） ，如圖4所示[13]。該制孔機(jī)器人使用大負(fù)載的KUKA KR360 工業(yè)機(jī)器人，制孔末端執(zhí)行器安裝于法蘭末端，可對(duì)Al、Ti、CFRP等材料進(jìn)行高精度制孔，孔徑誤差為± 0.04 mm，锪窩誤差為± 0.05 mm。該機(jī)器人增加了視覺(jué)識(shí)別功能，可對(duì)基準(zhǔn)孔進(jìn)行識(shí)別以提高制孔位置精度。如圖5所示，2013年美國(guó) EI 公司研發(fā)一款基于AGV 的航空制孔機(jī)器人[14–15]，該機(jī)器人是將KUKA KR500–L340 工業(yè)機(jī)器人安裝在自主移動(dòng)AGV 上，利用安裝在機(jī)械臂關(guān)節(jié)角上的碼盤作為反饋，使得機(jī)器人絕對(duì)定位誤差達(dá)到± 0.25 mm，成功應(yīng)用在機(jī)身、機(jī)翼等部件的高精度制孔與檢測(cè)。

圖4 美國(guó)EI 公司TEDS 航空制孔機(jī)器人[13]Fig.4 American EI company’s TEDS aviation drilling robot[13]

圖5 美國(guó)EI 公司基于AGV 的航空制孔機(jī)器人[14–15]Fig.5 American EI company’s aviation drilling robot based on AGV[14–15]

2017年，德國(guó)弗勞恩霍夫機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究所研制了一款多傳感器測(cè)量的航空制孔機(jī)器人，如圖6所示[16]。該機(jī)器人采用KUKA KR210 工業(yè)機(jī)器人裝載末端執(zhí)行器，增加了視覺(jué)測(cè)量、法線檢測(cè)、精度補(bǔ)償?shù)裙δ?，平均位置誤差達(dá)到± 0.334 mm，平均法向測(cè)量誤差為± 0.29°[17]。

然而，杜麗娘所夢(mèng)寐以求的理想畢竟是不能實(shí)現(xiàn)的。劇情的發(fā)展和結(jié)局，是劇作家湯顯祖運(yùn)用浪漫主義創(chuàng)作手法的結(jié)果。還魂——自由，是他為杜麗娘創(chuàng)造出來(lái)的實(shí)現(xiàn)愛(ài)情自由的最好的去處；而這種“幽境”實(shí)際上也是他——湯顯祖，以及她——杜麗娘那個(gè)時(shí)代所能提供的最好的解脫之地。

圖6 德國(guó)弗勞恩霍夫機(jī)械制造及其自動(dòng)化研究所航空制孔機(jī)器人[16]Fig.6 Aviation drilling robot from Germany Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation[16]

國(guó)內(nèi)在航空制孔機(jī)器人方面的研究工作起步較晚。目前國(guó)內(nèi)的高校、航空制造廠和科研院等開(kāi)發(fā)了多款樣機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)，部分設(shè)備已經(jīng)應(yīng)用于航空部件加工生產(chǎn)線。如圖7所示，北京航空航天大學(xué)畢樹(shù)生教授團(tuán)隊(duì)與沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合研制的航空制孔機(jī)器人采用同軸式懸掛形式，在鈦鋁疊成材料上進(jìn)行試驗(yàn)研究[18–21]。該機(jī)器人增加了視覺(jué)定位系統(tǒng)，可以達(dá)到± 0.4 mm的定位誤差[22]，制孔锪窩一次完成。

圖7 北京航空航天大學(xué)畢樹(shù)生教授團(tuán)隊(duì)航空制孔機(jī)器人[19]Fig.7 Aviation drilling robot developed by professor Bi’s team from Beihang University[19]

如圖8所示，北京航空航天大學(xué)袁培江副教授團(tuán)隊(duì)研制的航空制孔機(jī)器人中的末端執(zhí)行器采用雙偏心盤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆頭姿態(tài)的調(diào)整，調(diào)姿過(guò)程無(wú)須移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人，避免了二次姿態(tài)調(diào)整導(dǎo)致的位置誤差及垂直度誤差[23–24]。主軸姿態(tài)調(diào)整算法使得雙偏心盤機(jī)構(gòu)按照最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)[25–27]。采用激光測(cè)距傳感器的法線測(cè)量算法對(duì)制孔點(diǎn)的法線進(jìn)行測(cè)量，保證了法向測(cè)量誤差在± 0.5°內(nèi)[28]。

圖8 北京航空航天大學(xué)袁培江副教授團(tuán)隊(duì)航空制孔機(jī)器人[23]Fig.8 Aviation drilling robot developed by associate professor Yuan’s team from Beihang University[23]

南京航空航天大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款模塊化多功能航空制孔機(jī)器人[29–30]，該機(jī)器人采用2D 激光輪廓儀實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)孔的輪廓檢測(cè)。采用空間相似性原理對(duì)機(jī)器人絕對(duì)位置誤差進(jìn)行了補(bǔ)償[31–32]。該機(jī)器人在復(fù)合材料上進(jìn)行試驗(yàn)，達(dá)到了孔位置誤差± 0.5 mm，法向測(cè)量誤差± 0.3°，制孔效率4 個(gè)/min （圖9[31]）。

圖9 南京航空航天大學(xué)航空制孔機(jī)器人[31]Fig.9 Aviation drilling robot from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics[31]

中國(guó)航空制造技術(shù)研究院張?jiān)浦緢F(tuán)隊(duì)研制了一款基于AGV 的航空制孔機(jī)器人，如圖10 所示[33]。該機(jī)器人通過(guò)iGPS 引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行定位，在C919 翼盒上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，孔位置誤差± 0.25 mm，法向測(cè)量誤差± 0.25°，制孔效率為3 個(gè)/min[34]。

圖10 中國(guó)航空制造技術(shù)研究院基于AGV 的航空制孔機(jī)器人[33]Fig.10 Aviation drilling robot based on AGV from AVIC Manufacturing Technology Institute[33]

中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司研制了一款面向大飛機(jī)活動(dòng)翼面制孔的航空制孔機(jī)器人，如圖11所示[35]。該機(jī)器人末端執(zhí)行器配備孔徑探測(cè)器和視覺(jué)識(shí)別裝置，并使用刀柄自動(dòng)夾持開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)刀具夾持、自動(dòng)換刀，根據(jù)加工參數(shù)要求自動(dòng)制孔锪窩，加工效率與人工相比提高了75%。

圖11 西飛航空制孔機(jī)器人[35]Fig.11 Aviation drilling robot from AVIC Xi’an Aircraft Industry Group Company Ltd.[35]

中國(guó)商飛上海飛機(jī)制造有限公司魏顯奎[36]研制了一款面向異形異質(zhì)復(fù)雜部件的航空制孔機(jī)器人，如圖12 所示。該機(jī)器人集成了壓緊力控制、視覺(jué)檢測(cè)等功能，可加工孔徑為4～6 mm，定位精度≤0.5 mm，制孔法向測(cè)量誤差≤0.5°，制孔效率可達(dá)6 個(gè)/min。

圖12 中國(guó)商飛上飛航空制孔機(jī)器人[36]Fig.12 Aviation drilling robot from COMAC Shanghai Aircraft Manufacturing Co., Ltd.[36]

圖13 浙大航空制孔機(jī)器人[37]Fig.13 Aviation drilling robot from Zhejiang University[37]

上述航空制孔機(jī)器人都是由機(jī)器人平臺(tái)和鉆孔末端執(zhí)行器組成，根據(jù)機(jī)器人平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式劃分為3 種：柔性軌道和自主移動(dòng)式航空制孔機(jī)器人適用于大型工件或部件的加工，要求作業(yè)平面曲率變化較?。还I(yè)機(jī)器人式航空制孔機(jī)器人適用于復(fù)雜表面的工件加工，制孔精度較高。

3 種制孔機(jī)器人各有優(yōu)勢(shì)，但都未同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高靈活性；高精度的制孔機(jī)器人存在成本高、柔性差、靈活性差等缺點(diǎn)，高靈活性的制孔機(jī)器人存在剛性差、開(kāi)發(fā)難度大等問(wèn)題。將機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、精度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)應(yīng)用于航空制孔機(jī)器人能有效解決這些問(wèn)題，使得航空制孔機(jī)器人作業(yè)精度和靈活性再次提高。但我國(guó)航空制孔機(jī)器人技術(shù)仍未達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，還需要在航空制孔機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)上再做突破。

2 航空制孔機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)航空制孔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和控制算法，航空制孔機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)包括末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制孔機(jī)器人控制算法、制孔工藝、機(jī)器視覺(jué)等。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要集中于鉆頭調(diào)姿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，既要保證末端執(zhí)行器主軸姿態(tài)根據(jù)鉆孔點(diǎn)表面法線進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，還要盡可能縮短調(diào)整路徑；制孔機(jī)器人控制算法包括機(jī)器人平臺(tái)及末端調(diào)姿機(jī)構(gòu)控制算法，保證作業(yè)過(guò)程平穩(wěn)高效；制孔工藝則包括鉆孔進(jìn)給量控制與鉆孔點(diǎn)表面法向測(cè)量，鉆孔進(jìn)給量和鉆孔軸線偏差角度對(duì)孔壽命影響極大；工業(yè)視覺(jué)則主要是基準(zhǔn)孔視覺(jué)識(shí)別算法，輔助制孔機(jī)器人進(jìn)行定位和姿態(tài)校正。

2.1 末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代飛機(jī)使用多種難以鉆孔的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法（鉆孔模板）不再適用。為了保證鉆孔精度，航空制孔機(jī)器人在進(jìn)行鉆孔作業(yè)前需要進(jìn)行姿態(tài)校正，以確保鉆孔末端執(zhí)行器的主軸與鉆孔點(diǎn)表面法向量的角度偏差在精度要求內(nèi)。目前表面法線的調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有兩種方法：一是調(diào)節(jié)工件與主軸的姿態(tài)，使用3 點(diǎn)支架調(diào)節(jié)算法，缺點(diǎn)是難以加工大體積工件，無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整姿態(tài)；二是只調(diào)整主軸，缺點(diǎn)是成本高，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸大，調(diào)整路徑長(zhǎng)。

為了解決上述問(wèn)題，Shi 等[39]采用智能雙偏心圓盤法向調(diào)整機(jī)構(gòu)、球面滑動(dòng)軸承和帶傳感器的漂浮壓縮模塊，研制了航空機(jī)器人鉆削法向調(diào)整單元，可以有效降低孔徑公差、最大鉆削力、鉆孔熱和毛刺高度，延長(zhǎng)鉆頭壽命；并根據(jù)響應(yīng)時(shí)間最短的原則設(shè)計(jì)了智能雙偏心盤調(diào)整算法，提高了航空制孔機(jī)器人垂直鉆削的質(zhì)量。Zhang 等[40]則將兩根垂直的軸安裝在與主軸垂直的平面上，使主軸繞這兩根軸旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)調(diào)節(jié)?？琢w夫等[41]設(shè)計(jì)了一種帶有升降調(diào)節(jié)和防偏移裝置的航空設(shè)備零部件制造用打孔裝置，該裝置利用調(diào)節(jié)塊和刻度條調(diào)整鉆頭位置來(lái)避免位置偏差。

2.2 制孔機(jī)器人控制算法

目前工業(yè)制孔機(jī)器人由串聯(lián)機(jī)械臂和鉆孔末端執(zhí)行器組成，其控制算法主要分為機(jī)械臂位姿控制和末端執(zhí)行器姿態(tài)調(diào)整。通過(guò)對(duì)機(jī)械臂本體和末端執(zhí)行器施加合理的控制算法，可以提高制孔過(guò)程中的絕對(duì)定位精度、減小末端執(zhí)行器姿態(tài)角和制孔垂直度的偏差，從而有效提高制孔質(zhì)量。

串聯(lián)機(jī)械臂控制是工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的傳統(tǒng)問(wèn)題，主要研究方向在于提高控制精度，實(shí)現(xiàn)制孔過(guò)程的全閉環(huán)控制。工業(yè)機(jī)器人控制精度在實(shí)際場(chǎng)景中受許多因素綜合影響，包括結(jié)構(gòu)加工裝配精度、工作過(guò)程中的反作用力和負(fù)載、加工過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦和機(jī)械振動(dòng)等，都會(huì)讓機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)模型與理論模型存在較大的差異。為了解決這些問(wèn)題，研究者通常從智能控制算法、結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)定校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)誤差預(yù)測(cè)和補(bǔ)償?shù)确矫嫒胧帧?/p>

工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)高度動(dòng)態(tài)、高頻、非線性的系統(tǒng)。傳統(tǒng)機(jī)械臂通常使用PID（Proportional integral differential）算法進(jìn)行控制，但隨著復(fù)雜度的增加和精度要求的提高，PID 算法已很難適應(yīng)控制需求。許多現(xiàn)代控制算法被大量試驗(yàn)和應(yīng)用，如具有較高響應(yīng)頻率的自適應(yīng)控制；建立模糊模型，具有逼近特性的模糊控制以及具有強(qiáng)適應(yīng)性和實(shí)時(shí)性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。Cervantes 等[42]為PID 控制加入了誤差模型和補(bǔ)償機(jī)制。徐智浩等[43]動(dòng)態(tài)將LuGre 摩擦模型引入機(jī)械臂，用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立補(bǔ)償器對(duì)非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行逼近。錢前等[44]為滑模控制添加指數(shù)趨近律，使用RBF（Radial basis function）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)誤差補(bǔ)償，提升了系統(tǒng)的魯棒性和響應(yīng)速度。Yuan 等[45]使用基于極限學(xué)習(xí)機(jī)模型的補(bǔ)償方法，建立了位置誤差預(yù)測(cè)模型，以激光跟蹤器測(cè)量的理論位置和誤差作為輸入和輸出訓(xùn)練數(shù)據(jù)，構(gòu)建極限學(xué)習(xí)機(jī)模型，引導(dǎo)鉆孔機(jī)器人控制器補(bǔ)償預(yù)測(cè)的位置誤差。

僅憑控制算法有時(shí)仍無(wú)法滿足許多場(chǎng)景中的高精度需求，因此結(jié)構(gòu)參數(shù)的校準(zhǔn)和標(biāo)定也是工業(yè)機(jī)器人研究的熱點(diǎn)方向。在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中，經(jīng)常會(huì)因?yàn)榧庸ず脱b配精度、長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)磨損、環(huán)境和安裝情況等因素引起機(jī)器人實(shí)際模型和理論模型存在誤差，進(jìn)而導(dǎo)致末端定位精度不足。因此需要通過(guò)設(shè)計(jì)算法對(duì)結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償。焦國(guó)太等[46]將誤差分類為結(jié)構(gòu)誤差和運(yùn)動(dòng)誤差，并建立了綜合靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變形的分析模型。Palmieri等[47]基于DH（Denavit hartenberg）參數(shù)法建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差模型，并結(jié)合視覺(jué)系統(tǒng)下的手眼標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了一種迭代求解的全局標(biāo)定方法。高文斌等[48]通過(guò)在POE（Product of exponential）模型上引入空間距離誤差，避免了基坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系間坐標(biāo)變換，解決了基坐標(biāo)系誤差的引入問(wèn)題。Cai 等[49]提出了一種基于位置誤差相似性的通用克里金標(biāo)定方法，將位置誤差表示為確定性漂移和殘差部分，設(shè)計(jì)了半變異函數(shù)，同時(shí)考慮了幾何誤差和非幾何誤差。Chen 等[50–51]根據(jù)誤差相似性概念，提出了一種基于協(xié)克里金法的誤差補(bǔ)償方法，并將RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與誤差相似性結(jié)合，利用絕對(duì)位置誤差與三軸位置誤差之間的空間相似性，有效提高了工業(yè)機(jī)器人的絕對(duì)位置精度。

針對(duì)末端執(zhí)行器主軸調(diào)節(jié)，Yuan等[26]基于雙偏心盤球副姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)提出了以最短路徑調(diào)整主軸姿態(tài)的路徑規(guī)劃算法，以及從多組解中選擇最優(yōu)解的解析方法，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性，實(shí)際制孔精度達(dá)到H9 公差要求。

2.3 制孔過(guò)程管控

在航空制孔作業(yè)過(guò)程中還存在工藝問(wèn)題，包括鉆孔表面法向測(cè)量、進(jìn)給量控制等。

孔的軸向誤差是影響孔質(zhì)量的重要影響因素，其主要由制孔點(diǎn)的法線和鉆頭軸線的夾角來(lái)決定[52]。如果鉆頭軸線與制孔點(diǎn)的法線的夾角較大時(shí)，在制孔過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致孔徑變大、鉆頭切削力增加、切削熱量增加、毛刺高度增加和刀具壽命減小等問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)影響飛機(jī)部件的連接質(zhì)量和疲勞強(qiáng)度，還會(huì)影響新型戰(zhàn)斗機(jī)的超音速、隱身等性能[53–54]。如圖14所示[25]，當(dāng)鉆頭軸線與制孔點(diǎn)的法線夾角不滿足制孔要求時(shí)，鋁合金材料上孔入口處存在較為明顯的毛刺。為了降低毛刺高度，提高制孔質(zhì)量，需要提高孔的法向測(cè)量精度，研究法向修正技術(shù)。

圖14 鋁合金材料上“壞孔”入口的毛刺[25]Fig.14 Burr of “bad hole” inlet on aluminum alloy material[25]

目前激光測(cè)距傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化制孔機(jī)器人的曲面法向測(cè)量中[54–57]。激光測(cè)距傳感器是一種常用的非接觸式的距離測(cè)量傳感器，具有高精度、低功耗、穩(wěn)定性好和安全等諸多優(yōu)點(diǎn)[58]，通常將3 個(gè)或4 個(gè)激光測(cè)距傳感器安裝在壓力腳上用于曲面法向測(cè)量[59–60]。Yuan等[24]利用激光測(cè)距傳感器的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)4 個(gè)非共面點(diǎn)可定義1 個(gè)外接球的原理，在鉆削點(diǎn)周圍均勻圓周分布4 個(gè)激光測(cè)距傳感器，利用生成的外接球圓心與鉆削點(diǎn)連線來(lái)表示鉆削點(diǎn)表面法線，與現(xiàn)有方法相比，曲面法向測(cè)量算法簡(jiǎn)單，無(wú)須在不同坐標(biāo)系下進(jìn)行復(fù)雜的矩陣變換。但測(cè)距傳感器在表面邊緣等高曲率平面處分辨率低，對(duì)此，Rao 等[61]提出了一種高分辨率條紋投影傳感器，利用相位圖進(jìn)行法向估計(jì)，提高測(cè)量的魯棒性和精度。然而非接觸式法向測(cè)量方法在面對(duì)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)時(shí)誤差較大，為了解決此問(wèn)題，羅群等[62]應(yīng)用接觸式法向測(cè)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行制孔表面法線方向測(cè)量，利用壓力腳、自適應(yīng)球鉸和3 個(gè)以上的位移傳感器測(cè)量平面法向量，該測(cè)量方法可以兼容各種曲率的工件、對(duì)工件顏色和材質(zhì)不敏感，泛用性好。

在完成鉆孔表面法向測(cè)量后，制孔作業(yè)還需要控制末端執(zhí)行器進(jìn)給量。為保證飛機(jī)部件的連接強(qiáng)度，應(yīng)嚴(yán)格控制螺栓和鉚釘孔的沉孔深度，深度偏差應(yīng)小于0.05 mm。為了保證末端執(zhí)行器進(jìn)給量的精度，需要使用氣缸夾緊裝置與工件接觸，對(duì)工件表面產(chǎn)生壓緊力，增加系統(tǒng)的動(dòng)剛度，保證加工過(guò)程中鉆頭與工件之間的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化。由于機(jī)器人與制孔平面之間的機(jī)械剛度較低，氣缸的壓緊力會(huì)導(dǎo)致鉆孔點(diǎn)區(qū)域的表面變形，無(wú)法確定鉆頭的精確進(jìn)給量，導(dǎo)致沉頭深度不一致。為了解決沉孔深度不一致的問(wèn)題，Wang 等[63]采用壓力傳感器，通過(guò)檢測(cè)鉆頭的狀態(tài)和氣缸的壓緊力來(lái)控制沉頭深度，消除受壓變形對(duì)沉孔深度精度的影響。Ma 等[64]利用激光實(shí)時(shí)測(cè)量工件變形，并分析了工件變形對(duì)沉頭孔深度誤差的影響，提出了多級(jí)補(bǔ)償模型來(lái)提高精度。Yu 等[65]使用機(jī)器視覺(jué)的方法檢測(cè)沉頭孔精度，利用遠(yuǎn)心鏡頭生成沉頭孔的正交視圖，改進(jìn)了邊緣檢測(cè)算法來(lái)提取沉頭孔圖像，建立了沉頭成像過(guò)程模型。Zhang 等[66–67]依據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)方法建立了工件變形的解析模型，并建立了工件變形和切削力的綜合迭代算法，并依此提出了沉頭深度誤差補(bǔ)償策略。

2.4 視覺(jué)標(biāo)定與檢測(cè)

由于航空制孔位置精度要求很高，一般要求孔位偏差為± 0.5 mm，這就要求制孔機(jī)器人具有識(shí)別檢測(cè)基準(zhǔn)孔的能力。接觸式檢測(cè)容易劃傷金屬表面，影響孔精度，因此雙目視覺(jué)這類非接觸式檢測(cè)常應(yīng)用于制孔機(jī)器人。袁培江等[68]根據(jù)制孔機(jī)器人要求，設(shè)計(jì)了具有基準(zhǔn)孔三維坐標(biāo)提取、孔位誤差補(bǔ)償、數(shù)據(jù)讀寫等功能的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先測(cè)量基準(zhǔn)孔位置，然后根據(jù)基準(zhǔn)孔的偏差值計(jì)算出各個(gè)制孔點(diǎn)的誤差，并利用該誤差對(duì)制孔過(guò)程進(jìn)行位置補(bǔ)償，提高制孔精度。Mei 等[69]建立了自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)的位姿變換模型，利用工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)量TCP 坐標(biāo)系和待加工孔坐標(biāo)系的位姿偏差，縮短位姿變換鏈以降低誤差，并計(jì)算了視覺(jué)定位誤差與制孔加工誤差的影響關(guān)系。Khanna 等[70]使用視覺(jué)裝置檢測(cè)低溫環(huán)境下CFRP 鉆孔技術(shù)的鉆孔分層效果，作為CFRP 低溫鉆孔技術(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一。Hernandez 等[71]設(shè)計(jì)了一種用于CFRP 鉆孔檢測(cè)的全自動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用1 個(gè)低分辨率攝像頭獲取整個(gè)工作空間的鳥瞰圖，1 個(gè)高分辨率攝像頭進(jìn)行末端執(zhí)行器精確定位和孔檢測(cè)圖像拍攝，實(shí)現(xiàn)了零件自動(dòng)識(shí)別、孔識(shí)別與坐標(biāo)提取、刀具軌跡生成和校正，最后根據(jù)拍攝圖像分析鉆孔分層效果。

3 結(jié)論

航空制孔機(jī)器人技術(shù)一直是航空制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)和高校積極研發(fā)樣機(jī)和試驗(yàn)優(yōu)化，已經(jīng)解決了很多技術(shù)難題。但隨著時(shí)代發(fā)展，更多更高的技術(shù)要求不斷被提出，以目前的研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)需求來(lái)看，航空制孔機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要是以下3 種。

（1）實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)多層鉆鉚一體。目前的航空制孔機(jī)器人在鉆孔作業(yè)前需要進(jìn)行鉆孔點(diǎn)法向測(cè)量、機(jī)器人位姿調(diào)整、鉆頭位姿校正等步驟，以確保鉆孔角度偏差滿足精度要求。而現(xiàn)在大多數(shù)航空制孔機(jī)器人的鉆孔末端執(zhí)行器是單一鉆頭，這就意味著每次進(jìn)行不同孔徑的鉆孔作業(yè)時(shí)需要人工操作機(jī)器進(jìn)行刀具更換，還需要重新校正鉆頭位置，既影響自動(dòng)制孔效率，還增加了人工培訓(xùn)成本。在工業(yè)自動(dòng)化的號(hào)召下，設(shè)計(jì)全自動(dòng)更換刀具的末端執(zhí)行器和鉆孔系統(tǒng)，使得機(jī)器人鉆孔末端執(zhí)行器根據(jù)作業(yè)任務(wù)需求，自動(dòng)從刀架上選取、更換鉆頭，提高制孔效率，實(shí)現(xiàn)智能化制孔。

（2）實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)。工業(yè)制造領(lǐng)域的傳統(tǒng)加工形式多采用機(jī)器人流水線式作業(yè)，每一臺(tái)機(jī)器人單獨(dú)進(jìn)行作業(yè)，完成后將工件轉(zhuǎn)移到下一臺(tái)機(jī)器人處進(jìn)行加工。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和人工智能技術(shù)的出現(xiàn)，多傳感數(shù)據(jù)融合與多機(jī)協(xié)同技術(shù)逐漸興起，通過(guò)分布式執(zhí)行任務(wù)和采集數(shù)據(jù)，提高信息獲取效率和制造執(zhí)行速度。多機(jī)協(xié)同作業(yè)依賴環(huán)境感知、自主決策和任務(wù)分解的能力，在航空制造領(lǐng)域加工大體積、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件極為適合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間、時(shí)間、資源的最大化利用，提高加工效率和精準(zhǔn)度。

（3）實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)標(biāo)定。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精確運(yùn)動(dòng)控制，航空制孔機(jī)器人的機(jī)器人平臺(tái)和鉆孔末端執(zhí)行器都需要進(jìn)行標(biāo)定，以確定機(jī)器人工具坐標(biāo)系和機(jī)器人坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系。標(biāo)定過(guò)程中需要機(jī)器人根據(jù)已知工具點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行多次移動(dòng)，隨后進(jìn)行方程求解，獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定結(jié)果。但是在機(jī)器人使用過(guò)程中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和末端加工作業(yè)執(zhí)行工具都會(huì)受到輕微磨損，導(dǎo)致之前的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定結(jié)果精度下降，所以需要制孔機(jī)器人在每次加工作業(yè)前進(jìn)行自動(dòng)在線標(biāo)定，保證運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高制孔精度，實(shí)現(xiàn)航空制孔智能化。