力控制技术在飞机数字化装配中的应用

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1、力控制技术在飞机数字化装配中的应用术岳炬德，安鲁陵(南京航空航天大学，南京210016)【摘要】飞机数字化装配技术的发展要求提高装配自动化水平，工业机器人因此得到广泛使用，而工业机器人在定位精度与结构刚度上的局限性又催生了力控制技术的研究与发展。力控制技术不同于传统的位置控制，是利用安装在机器人上的传感器反馈力的数据，以此为依据驱动机器人将构件或工具送达最佳装配位置的技术。叙述了力控制技术的发展背景、基本原理、系统组成与应用实例，并对力控制技术在飞机数字化装配中的进一步发展作出了展望。关键词：飞

2、机；数字化装配技术；力控制；工业机器人DOI：10．16080住issnl671—833x．2016．05．047岳垣德南京航空航天大学硕士研究生．研究方向为飞机装配技术。随着飞机数字化装配技术的发展，一系列柔性自动化装备应用于飞机构件的装配中。在航空制造业中，工业机器人已经得到了一定的+基金项目：国防基础科研项目(A0520132008)。应用，如用于飞机构件的自动制孑L、自动钻铆等工作【l。3】。工业机器人工作效率较高，善于完成重复性高、强度大的任务，适合在生产线上使用，可以大大加快装配速度

3、，改善装配质量，提升飞机构件装配的数字化水平。然而，工业机器人在精度方面表现出一定的局限性，这是由于工业机器人是一个柔性开环系统，其本身刚度较低且在工作中存在不可避免的弹性变形，因此装配时在外力作用下会发生较大的位移与变形，装配精度难以保证【4】。工业机器人的低精度与飞机装配过程中严格的公差要求相矛盾，在一定程度上制约着工业机器人在飞机构件装配中的应用。传统的飞机装配使用的是以“位置控制”为基础的装配定位方法，即利用安装在装配型架上的定位件对飞机构件进行定位，使其与理论数模在一定误差范围内保持一

4、致，以保证装配精度。这一方法至今仍被广泛使用，在最大限度保证装配质量的同时，也不可避免地显示出一定的局限性。首先，装配型架的设计、制造、安装与调整需要较长的生产准备周期，占用大笔资金，不利于敏捷制造的实现与并行工程的进行；其次，在型架上装配构件时，工序较为繁琐，需要人为调整构件位置、夹紧、制孑L、去毛刺、清理、连接等，对于复合材料构件，还要进行复杂的填隙补偿工作，这无疑加大了工人的劳动量，不利于自动化、数字化在飞机装配中的应用15。J。因此，在位置控制的基础上，引入力控制技术，并依靠标准工业机器

5、人平台进行飞机构件装配的方法得到了广泛研究【8。10

6、。力控制技术基本原理与系统组成早期的工业机器人面对的任务比较单一，有的很少与工作对象发生接触，如用于喷漆的机器人；有的虽然会与其他物体发生接触，但无需控制接触力的大小，因此只使用简单的位置控制即可。随着机器人控制技2016年第5期·航空制造技术47论坛FoRuM术的进步及它在航空工业中的广泛应用，情况发生了明显的变化。工业机器人越来越频繁地与构件发生接触，如利用工业机器人进行定位、制孑L、抛光、去毛刺等，为了保证装配精度且不损伤构件，必须把接

7、触力限制在一定范围内，这就要求机器人具备位置控制与力控制两种功能。为了实现力控制的功能，一般要在工业机器人的末端执行器上安装力／扭矩传感器，实时监控工作过程中力和扭矩的大小，并将其传输给控制器。控制器针对反馈回的力／扭矩数据进行分析，生成操作代码，驱动机器人以特定的速度移动到特定的位置，从而在保证合理位置精度的基础上实现接触力／扭矩的精确控制。实现力控制的方法较多，一般可以分为4大类：阻抗控制、力／位置混合控制、自适应控制与智能控制【l“。使用阻抗控制时，不直接控制机器人与构件之间的接触力，而是

8、根据机器人末端执行器的位置(或速度)和末端作用力之间的关系，通过调整反馈位置误差、速度误差或刚度来达到控制力的目的。力／位置混合控制的最佳效果是实现力与位置的独立控制，即在力的自由空间进行力控制，在剩余的正交方向进行位置控制。上述两种控制方法属于经典的控制范畴，为力控制技术的发展打下了坚实的基础，然而从控制效果来看仍有不足，无法在工业中推广使用。为了克服机器人的多自由度、运动位姿不确定性等诸多问题，众多学者研究了机器人的自适应控制，如采用自适应学习的混合控制方法进行机器人约束运动控制等。随着机器

9、人智能化的不断发展，智能控制必将成为下一代机器人控制的主流，从研究成果来看，智能控制仍处于起步阶段，尚未形成独立的控制策略，仅仅将智能控制原理如模糊和神经网络理论对以往研究中无法解决的难题进行新的尝试，仍具有一定的局限性“21。48航空制造技术·2016年第5期目前在工业机器人力控制方法的研究中，一般把力／扭矩的数值作为反馈信号，处理后作为控制信号驱动机器人到达指定的位置。因此，基于力反馈的基础，可以使用力控制技术进行飞机构件的装配。力控制技术可以通过编程使构件达到特定的位置，也可以利用机器人使