基于工业机器人的飞机交点孔精镗加工关键技术研究

摘要

交点孔作为飞机大部件装配连接的关键部位，其位姿精度直接影响飞机部件之间的互换协调性和飞机整机的装配质量。为了消除装配过程中由于定位和装配变形等原因形成的累积误差，保证交点孔位姿精度要求，在飞机装配现场需要对其进行精加工。传统的数控机床占地面积大、灵活性差，无法应用于工装设备密集、工作空间狭小的飞机装配现场。为此，本文提出了一种基于工业机器人的交点孔精镗加工方法，并针对机器人存在的机械刚度较低、定位精度较差、易产生变形和振动等问题，深入研究了机器人位姿优化、误差补偿和振动抑制等关键技术，以保证交点孔的位姿精度和加工质量。论文主要研究内容和创新点如下:
　　阐述了飞机交点孔的重要作用及其加工技术的发展现状。介绍了基于工业机器人的交点孔精镗加工系统的结构组成和加工工艺流程。为了实现机器人的准确定位，构建了加工系统完整的坐标系体系，给出了工具坐标系和工件坐标系的具体标定方法，并采用Denavit-Hartenberg方法建立了系统所用KUKA KR360-2机器人的运动学方程。
　　在深入研究机器人刚度模型及刚度特性的基础上，揭示了机器人在单方向上的平移变形与所受外力之间的严格线性关系，提出了一种可以定量地评价机器人处于某一位姿时刚度大小的性能指标。该指标具有坐标系不变性，参考坐标系的不同不会影响其对机器人刚度性能的评价结果。以该指标最大化为目标，对于普通孔加工（无干涉、无第7轴）和飞机交点孔加工（有干涉、有第7轴）等不同情况，分别建立了不同的机器人位姿优化模型，并采用基于雅克比矩阵的迭代IKP法对模型进行了求解。通过机器人受力变形试验验证了刚度性能指标的正确性，而机器人在壁板钻孔和交点孔镗孔中的具体应用实例也证明了位姿优化方法的有效性。
　　研究了基于激光跟踪仪的机器人位姿误差补偿技术。对于机器人末端物体结构复杂、形状不规则而导致其位姿难以直接测量的情况，提出了一种基于点集匹配运算的位姿误差补偿方法，借助于辅助定位点，实现了机器人位姿误差的计算和补偿;对于机器人镗孔加工这一特殊情况，提出了一种面向对象的位姿误差补偿方法，直接测量计算镗孔刀具的位置误差和方向偏差，并对其进行补偿。在飞机交点孔精加工中，通过上述方法，机器人末端镗孔刀具的位置精度可以调整到0.05mm，方向精度可以调整到0.05°，满足了某大型飞机交点孔的位姿精度要求。
　　在综合考虑机器人镗孔加工特点及其刚度特性的基础上，研究揭示了镗孔加工的振动机理:振动的主体为机器人自身，振动的类型为具有位移反馈的强迫振动，振动时的刀具运动轨迹为椭圆，而且该椭圆的形态与主轴旋转频率密切相关。根据以上结果，提出了一种基于压脚机构的振动抑制方法，通过压脚与工件之间的摩擦力抵消切削力对机器人的作用，从而抑制机器人振动的发生。通过机器人镗孔加工试验，验证了上述机器人振动机理分析的正确性。在飞机交点孔精镗加工过程中，通过压脚抑制机器人的振动，交点孔孔壁表面粗糙度达到Ra0.8，孔径公差达到H7级，满足了某大型飞机交点孔的加工质量要求。
　　最后，对全文工作进行了概括总结，并对有待进一步研究的内容进行了分析展望。

目录

声明

致谢

摘要

附图

本文使用的主要符号

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 飞机交点孔加工技术发展现状

1．3 机器人在飞机装配中的应用

1．3．1 机器人自动钻孔系统

1．3．2 机器人自动钻铆系统

1．3．3 机器人辅助装配系统

1．4 机器人加工关键技术研究现状

1．4．1 离线编程技术

1．4．2 位置误差补偿技术

1．4．3 法向偏差修正技术

1．5 研究内容和总体框架

第二章 基于工业机器入的飞机交点孔精镗加工系统

2．1 引言

2．2 系统结构和加工工艺流程

2．2．1 系统结构

2．2．2 加工工艺流程

2．3 坐标系的构建与标定

2．3．1 坐标系的构建

2．3．2 坐标系的标定

2．4 机器人运动学方程

2．4．1 机器人位姿描述

2．4．2 KUKA KR360-2机器人的运动学方程

2．5 本章小结

第三章 面向刚度的机器人位姿优化

3．1 引言

3．2 机器人刚度模型

3．2．1 传统刚度模型

3．2．2 增强型刚度模型

3．2．3 柔度矩阵式刚度模型

3．3 机器人关节刚度辨识

3．4 机器人刚度性能指标

3．4．1 机器人平移柔度子矩阵

3．4．2 机器人在单方向上的刚度特性

3．4．3 机器人刚度性能指标

3．4．4 刚度性能指标的坐标系不变性

3．5 机器人位姿优化方法

3．5．1 普通孔加工中的位姿优化

3．5．2 飞机交点孔加工中的位姿优化

3．6 刚度研究试验与优化方法应用实例

3．6．1 机器人关节刚度辨识及刚度性能指标验证试验

3．6．2 机器人位姿优化方法应用实例

3．7 本章小结

第四章 基于激光跟踪仪的机器人位姿误差补偿

4．1 引言

4．2 位姿误差描述

4．3 基于点集匹配运算的位姿误差补偿方法

4．3．1 辅助定位点的标定

4．3．2 点集匹配运算

4．3．3 位姿调整的等价变换

4．3．4 位姿误差补偿步骤

4．4 面向对象的位姿误差补偿方法

4．4．1 位姿误差补偿原理

4．4．2 位姿误差补偿步骤

4．5 应用实例

4．5．1 基于点集匹配运算的位姿误差补偿方法的应用

4．5．2 面向对象的位姿误差补偿方法的应用

4．6 本章小结

第五章 机器人镗孔加工振动分析及其抑制

5．1 引言

5．2 振动分析

5．2．1 振动机理分析

5．2．2 刀具运动轨迹分析

5．3 基于压脚机构的振动抑制方法

5．4 验证试验

5．4．1 振动机理及刀具运动轨迹的验证

5．4．2 振动抑制方法的验证

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历