基于机器人的飞机部件自动制孔末端执行器设计

图3 末端执行器和机器人的安装方式
本文所设计的末端执行器与机器人的连接方 式介于同轴式安装于悬挂式安装之间：连接法兰 轴线（机器人第六轴轴线）与末端执行器电主轴 轴线相交呈30°夹角。其好处是：一定程度上消 除了压紧力对机器人第五轴的被动力矩，有利于 提高加工孔的精度；机器人可达性好，具有合适 的可操作度。再者，这样的设计能够通过心轴定 位，使末端执行器安装检测方便，且简洁美观。 如图4所示为末端执行器与机器人法兰连接示意 图。法兰设计图如图5所示。
图8 相机和光源实物图
2.4 法向检测单元设计 法向检测单元由四个对称设置的激光距离传
感器组成。控制系统采用专门编制的微平面四点 法向调平算法计算法向偏差，当其超出预设值 时，设备执行法向调平动作。
特别的，法向传感器采用斜射安装方式。其 好处是检测范围更小，从而检测精度更高。如图9 所示为法向检测示意和传感器斜射安装。如图10 所示为法向检测传感器实物图。
[4] 梁杰,毕树生.制孔执行器的安装方式对机器人性能的影 响[J].机械工程学报,2010,46:13-18.
[5] 陈昌伟,胡国清,张冬至.飞机数字化柔性工装技术研究 [J].中国制造业信息化,2009,38(9):21-24.
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图5 法兰设计图
2.2 柔性工装调型单元设计 本文所讨论的柔性工装属于多点阵成型真空
吸盘式，如图6所示。多点阵成型真空吸盘柔性 工装由一组立柱吸盘组成，吸盘在程序控制下移 动定位，生成与装配件曲面完全符合并均匀分布 的吸附点阵[5]。末端执行器柔性工装调型单元由 Festo公司导向气缸与Camozzi公司气爪气缸组成。 在机器人的配合下，柔性工装调型单元抓取并拉 伸立柱到合适的位置，使得吸盘与装配件曲面相 符合。如图7所示为柔性工装调型实物图与调型示 意。这种设计借助机器人拉伸定位工装立柱，省 去了为每一个立柱单独配置伺服控制模块，节约 了成本，降低了控制系统复杂度。
图1 机器人自动制孔系统与末端执行器
1 设备构成及工作原理
1.1 设备构成 依据实际加工需要，末端执行器应满足：重
1.2 设备工作原理 末端执行器通过连接法兰与机器人固连。开
始工作后，机器人配合末端执行器，通过末端执 行器上的柔性工装调整单元逐一完成工装调型。 接着开始基准检测、法向检测、断刀检测和制孔 工作。设备工作原理如图2所示。
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图6 多点阵成型真空吸盘式柔性工装 图7 柔性工装调型实物图与调型示意
பைடு நூலகம்
2.3 视觉检测单元设计 视觉检测单元由COGNEX公司高精度工业相
机Insight5403与专用相机光源组成。相机安装在末 端执行器一侧。这种侧置安装方式需要精确标定 其像素原点与主轴轴线之间的相对位置关，故设 计特定的基准标定板，其一端与电主轴通过芯棒 连接，另一端加工有精密检测孔，相机进过一次 拍照后即能完成相机标定。 如图8所示为相机和光 源实物图、相机标定图。
图9 法向检测示意和传感器斜射安装
图10 法向检测传感器实物图
2.5 一体化制孔单元设计 一体化制孔单元由高速电主轴、钻铰锪一体
刀具和伺服进给组成。 所选瑞士Renaud公司电主轴最高转速可达
20000rpm，轴向跳动量不超过2μm。其外接的最 小量润滑系统能完成刀具润滑。
伺服进给由REXROTH公司MSK伺服电机与 PSK90一体滑台组成。该滑台重复定位精度可达 ±0.003mm，减小了自主选用滚珠导轨和丝杠组装 进给机构带来的误差。伺服进给如图11所示。
量约150Kg；可加工孔径3-8mm；加工对象为复合 材料＋铝合金。该设备制孔质量要求：孔径精度 H8，光洁度Ra1.6；不产生棱角、破边和裂纹；孔 位置精度±0.05mm；法向测量精度±0.1°；锪窝 深度±0.05mm。单孔钻制节拍≤10s。
为此，设备的构成包括：1）柔性工装调型： 用于工件定位，在制孔前由机器人配合末端执行 器，将POGO柱拉伸至合适的位置。2）视觉检 测：用于制孔基准找正，工件上预先标志有基准 孔，在制孔前，设备用工业相机获取基准孔2D信 息，经运算后补偿实际孔位置与理论值之间的误 差。3）法向检测：于法向找正，由于机器人、末 端执行器和工装都存在误差，制孔时刀具轴线不 一定沿孔位实际法线。法向检测采用四个高精度 激光距离传感器检测工件法失信息，经运算后补 偿法向偏差。4）一体化制孔：包括压紧工件、伺 服进给、锪窝深度控制、断刀检测、钻铰锪一次 成型和真空吸屑。一体化制孔是末端执行器核心 功能，其整体性能的好坏与制孔精度密切相关。
图11 伺服进给
特别的，末端执行器还能实现锪窝深度控 制。锪窝深度控制原理如图12所示。
工件表面到锪窝传感器顶板长度为L1，刀尖 点到传感器前端距离为L2，当刀尖接触工件开始 制孔时，传感器前端碰到顶板并开始计数，当锪 窝深度足够时控制系统停止进给。实际情况下， 由于安装误差、刀具磨损或换刀等，L1与L2并 不总是相等，这时只需要简单补偿长度即可。这 种设计巧妙的利用了相对位置关系来控制锪窝深 度，很好地满足了锪窝深度控制要求。
[3] 赵涛,周兵,等.基于CAN总线太阳能电池自动跟踪控制 器的设计[J].制作业自动,2012,34(14):105-108.
[4] 夏江涛,肖韶荣.二维平面光电跟踪瞄准系统的设计[J]. 弹箭与制导学报,2009,29(5):200-203.
[5] Active Low-Pass Filter Design [G] Application Report， SLOA049A - October 2000 Texas Instruments.
（西北工业大学 机电学院，西安 710072）
摘 要：为满足飞机部件装配中对制孔精度和效率的要求，设计了一种基于机器人的自动制孔末端执行
器。该设备采用机器人实现柔性工装调型，并通过视觉检测相机和激光距离传感器校正制孔
基准和法向偏差。设计了一体化制孔装置，并实现制孔一次成型。进行了制孔精度和效率测
试试验。结果表明，该设备达到了设计要求，具有一定的实用性和推广价值。
2 末端执行器设计
2.1 机器人法兰连接单元设计
收稿日期：2013-06-03 作者简介：张杰（1989 -），男，湖北武汉人，硕士研究生，研究方向为先进机械电子装置与数控系统。
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图4 末端执行器与机器人法兰连接
图2 设备工作原理图
末端执行器和机器人的安装方式概括起来共 有3种：同轴式、悬挂式和侧面式[4]。如图3所示。
关键词：飞机部件；自动制孔；机器人；光视检测
中图分类号：TP23
文献标识码：B
文章编号：1009-0134(2013)08(下)-0015-04
Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2013.08(下).05
0 引言
飞机制造中铆接装配占有十分重要的地位， 据估算，飞机装配劳动量约占整个飞机制造劳动 量的40%—50%，其中铆接占30%[1]。制孔是铆接 的基础，大量并且高效、高质量制孔是飞机部件 制造和装配所面对的实际问题。传统飞机装配中 的制孔主要以风钻钻孔为主，主要存在孔位精度 差、制孔步骤多和人为因素影响等缺点[2]。机器人 技术正好符合精益系统和精益制造的理念，因此 近几年在航空制造业中已开始看到机器人的“身 影”[1]。随着机器人技术的发展和成本的下降，由 机器人和多功能末端执行器组成的柔性钻削系统 近年来在航空工业得到了广泛的应用[3]。本文首先 依据飞机部件实际加工需要，提出了一种基于机 器人的飞机部件自动制孔末端执行器设计。接着 详细阐述了该设备具备的功能，包括：柔性工装 调型、视觉检测、法向检测和一体化制孔。最后 用实验验证了设备的各项功能。如图1所示为机器 人自动制孔系统示意和末端执行器实物图。
近，不同距离选择不同的比较阈值，费时费力。 因此在优化控制算法和阈值快速确定等方面还有 很多工作要完善。
参考文献：
[1] 王发灯,高春雷,两维激光跟踪系统在捣固车中的应用 [J].铁道建筑2009(1):86-88.
[2] 邢灿华,张德详,铁路轨道平直度激光检测仪的设计[J]. 大地测量与地球动力学2012(6):160-163.
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图12 锪窝深度控制原理
图13 铝合金7075制孔实物图
图14 铝合金2024制孔实物图
经检验结果表明，设备制孔孔径精度均达 H8，光洁度Ra1.6；没有产生棱角、破边和裂纹；
锪窝深度满足±0.05mm；法向检测精度能达到 ±0.1°；单孔钻制节拍≤10s。
4 结束语
本文论述了一种基于机器人的飞机部件自动 制孔末端执行器，详细讨论了其功能要求和实现 方法，并在整机设计的基础上经过制造、安装和 调试。实验验证表明，该末端执行器各项功能运 行良好，达到了设计要求，为同类设备的研制提 供了有益的参考。
基于机器人的飞机部件自动制孔末端执行器设计
Design of an aircraft components automatic drilling end effector based on robots 张 杰，秦现生，胡 鹏，刘建平
ZHANG Jie, QIN Xian-sheng, HU Peng, LIU Jian-ping
参考文献：
[1] 费军.自动钻铆技术发展现状与应用分析[J].航空制造技 术,2005,6:3l-35.
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[3] 毕树生,梁杰,战强,杜宝瑞,冯子明.机器人技术在航空工 业中的应用[J].航空制造技术,2009,4.
3 实验验证
为了验证末端执行器实际工作情况，进行了 连续制孔实验。试制材料为铝合金7075和2024， 刀具规格为Φ7.924和Φ5.05。如图13、14所示分 别为制孔实物图。