机器人自动钻铆系统集成控制技术

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1、机器人自动钻铆系统集成控制技术术张晋，田威，周敏，田林山(南京航空航天大学机电学院，南京210016)[摘要】针对飞机自动化装配中对机器人自动钻铆系统设备的控制要求，设计一套以工业机器人为载体，基于Beckhof!F控制系统的自动钻铆设备。该控制系统以现场总线的方式，将工业机器人、扩展地轨、多功能末端执行器、刀库以及其他附属设备通过Beckhoff的核心控制软件联系在一起，实现对加工现场的实时控制。并通过一系列的精度补偿措施在多个环节对误差进行修正补偿以提高精度。试验表明，该套系统可达到末端制孔定位精度

2、-t-0．5mm，垂直精度-4-0．30，孔径精度H8，锪窝深度精度-4-0．0lmm。关键词：自动化钻铆；集成控制；机器人；末端执行器；地轨DoI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．09．038张晋南京航空航天大学机电学院硕士研究生，主要研究方向为飞机装配技术。在校期间参与机器人自动钻铆系统与双机器人电磁铆接系统的研究，主要负责上位机程序编写、算法集成、硬件调试以及系统的集成控制。*基金项目：国家自然科学基金项目(51575273)。38航空制造技术·2017年第9期航空工业

3、是国家级战略性产业，是世界大国间竞争的超级产业的重要组成部分，是一个关系国家经济命脉和国防安全的高技术产业⋯。在航空制造领域中，基于工业机器人的柔性装配钻铆技术凭借其高效率、高质量和高可靠性等显著优势，已成为飞机数字化柔性装配的重要发展趋势12-4]o目前，国外著名的飞机装配设备制造厂家生产了许多大型的面向飞机装配的自动化设备，并已经在空客A380、波音787、JSF战斗机等产品的研制过程中得到应用，效果相当显著，不仅在很大程度上降低了飞机的研发制造成本、缩短了生产周期，并且飞机等航空装备的装配质量也大

4、大提高【5】。在国内，北京航空航天大学、南京航空航天大学、浙江大学和西北工业大学都对此进行了较为深入的研究，但对其控制方式、研究思想不太相同，而且大部分研究只是在NTL平n检测方面较深入。本文针对机器人自动化钻铆系统的集成控制技术进行了研究，在精度的控制方面，针对各个工作环节可能造成的误差提出了多种在线或者离线的精度补偿的方法，例女n$,JTL前的基准检测和法向找正等，并且在制孔锪窝时的精度控制等一些关键的技术上进行改进和优化，设计了一套面向飞机装配的机器人自动钻铆设备‘6‘1”。集成系统硬件组态与通讯

5、架构1集成系统硬件组态在飞机装配中应用机器人来进行制孔铆接将是未来发展的趋势。本系统由KUKA机器人作为本体承载多功能末端执行器进行NTL铆接等一系列工作，并通过扩展地轨增大机器人工作范围，采用外置刀库来进融。限。。。、。，机器人技术行刀具磨损或者断刀后的自动换刀操作。另外，利用冷却机、真空吸屑器等设备来辅助整个工作的快速安全进行。整套设备由上位层的工控机通过Beckhoff的PLC控制系统来进行统筹指挥。其系统整体硬件结构如图1所示。2通讯链路架构整个系统采用现场总线模式，利用上位机PC集成控制的方式

6、实现，由于下层被控硬件设备所兼容的通信方式和协议不同，因此采用多种通信协议进行协调控制，通讯链路架构如图2所示。采用两条通信主线实现对机器人的控制。第一条通信主线采用通用的EthernetT业以太网，遵循TCP／IP协议，由上位机PC通过上位机网卡l，借助以太网线与机器人控制柜内以太网通信模块取得连接，从而实现机器人点位信息白上而下的传输以及机器人自身当前状态信息的白下而上的反馈⋯I。第二条通信主线采用德国Beckhoff公司开发的EtherCAT工业以太网，先由上位机PC通过以太网和Beckhoff公

7、司自己开发的PLC端子排连接，端子排中的EL673l端子模块以Profibus—DP协议接入KUKA机器人的控制柜中实现和机器人系统的内部变量映射。而对地轨、末端执行器、刀库以及其他辅助设备的控制则是通过Beckhoff的Ethel·CAT工业以太网协议，采用不同的端子模块接人端子耦合模块中，最后利用以太网线接人上位机PC中，由上位层工控机实现对图1系统硬件组态Fig．1Hardwareconfigurationofsystem]：控机谢藩3～爨镭参恼攘2D扫捕仪图2系统通讯链路架构Fig．2Commu

8、nicationconfigurationofsystem整个加工系统的集成控制～集成控制系统工作流程本系统是面向飞机装配的自动化钻铆集成设备，整个_T作流程从最开始的离线编程开始，通过离线编程生成机器人走位点的一系列NC代码信息，然后将此NC代码加载到上位层工控机上，经过精度补偿算法对工装上基准孔点位信息补偿后发送给机器人自己的控制柜进行走位，机器人定位完成后利用2D扫描仪进行基准检测，得到工装的理论与实际的位置误差，利用此误差对机器人后