面向飞机自动钻铆系统的工业机器人精度补偿技术.pdf

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1、钐论坛。衫论坛曾远帆，田威，廖文和(南京航空航天大学机电学院，南京210016)【摘要】新型飞机对我国航空制造业提出了更高的要求，工业机器人在飞机自动钻铆系统中的应用越来越广泛。由于工业机器人自身的绝对定位精度无法满足飞机自动钻铆系统的精度要求，研究机器人的精度补偿技术显得至关重要。分别对基于运动学标定、基于非参数标定和基于实时反馈的机器人精度补偿技术进行了简要的介绍。关键词：精度补偿；机器人学；参数标定；非参数标定；自动钻铆系统DOI：10．160S0／j．issnl671-833x．2016．18

2、．046曾远帆博士研究生。主要从事飞机自动钻铆技术、机器人精度补偿技术、机器人离线编程技术等方向的研究，参与国家自然科学基金、工信部04重大专项、中航工业创新基金等着干科研项目，发表SCI论文4篇。随着我国航空工业的不断进步，四代机、无人机以及大飞机正逐渐成为研发的热点与重点，航空制造技术+基金项目：国家自然科学基金面向机器人精度补偿的定位误差相似度机理(51475225)。46航空制造技术·2016年第18期正迎接新的挑战。面对新型飞机高质量、高精度的技术需求，传统的人工作业渐渐力不从心，研制先进的

3、智能制造装备迫在眉睫。随着“工业4．0”和“中国制造2025”战略的提出，工业机器人作为一种灵活性强、可靠性高的通用设备，正逐渐应用于航空制造领域，其中最具有代表性的是基于工业机器人的自动钻铆系统⋯。在飞机自动钻铆系统中，工业机器人是主要的运动载体，负责将自动钻铆末端执行器定位至待加工孑L位，因此飞机自动钻铆系统的工业机器人在工作时以点位控制为主。飞机部件产品尺寸大、孔位多，对孔的位置精度和法向精度要求较高，为保证机器人编程的效率和精度，机器人的工作任务和定位程序必须通过离线编程系统进行规划和生成，因

4、此离线编程是飞机自动钻铆系统的必要组成部分。而要使离线编程技术能够有效地应用于飞机部件的自动钻铆，必须保证工业机器人具有足够高的绝对定位精度(即机器人实际定位位置与其运动指令位置之间的差异)。由于离线编程是通过指定末端执行器刀尖点(TCP)在加工坐标系中的绝对位置来对机器人进行编程的，因此机器人执行离线程序时的定位精度依赖于机器人的绝对定位精度。现实的问题在于，尽管工业机器人通常具有较高的重复定位精度(即机器人重复执行同一运动指令时定位位置的差异)，但是其绝对定位精度是比较低的。重复定位精度达到±0．

5、1mm的机器人，其本体的绝对定位精度往往仅有±2～3mm[241；再加上末端执行器到TCP的误差传递，机器人系统的绝对定位精度将进一步降低。一般而言，飞机产品要求孔的位置精度达到±0．5mm，然而目前尚未有重载工业机器人的绝对定位精度能够直接满足这一要求。因此，提高工业机器人的绝对定位精度是飞机自动钻铆系统所必须解决的核心问题之一，也是将工业机器人应用于其他任何领域的关键。工业机器人的精度补偿技术能够有效解决制造装备自身精度与产品精度要求之间的矛盾。国航空专用装备外飞机制造装备企业，如美国EI(Ele

6、ctroimpact)和德国BROETJE公司在其自主研发的机器人自动钻铆设备中使用了精度补偿技术，EI公司采用标定与关节闭环反馈相结合的技术(图1)，使该公司的ONCE(ONe—sidedCellEndeffectoi‘)系统定位精度达到±0．25raml5币l；BROETJE公司的RACe(RobotAssemblyCell)系统中采用了“标定一压力补偿一网格补偿一温度补偿”的多手段结合的精度补偿包(图2)。使得机器人系统的定位精度达到±0．3ramnlj国外企业均将精度补偿技术作为机器人自动钻铆

7、系统的核心技术与商业机密，对我国实施技术封锁，因此，自主研发机器人的精度补偿技术。对提高我国航空制造水平具有重要的意义。机器人的精度补偿技术大致可伊-、、图1ONCE的二级编码器Fig．1ONCE2levelencoder以分为基于参数标定的精度补偿技术和基于非参数标定的精度补偿技术。本文将从这两个角度对机器人精度补偿技术进行简要介绍。所涉及的各项技术，并不都在飞机自动钻铆系统中获得应用，由于工业机器人精度补偿技术是机器人应用领域的通用技术，下述技术均可在飞机自动钻铆系统中获得借鉴应用，以满足飞机自动

8、钻铆系统的定位精度要求。机器人运动学参数标定技术机器人运动学参数标定是提高机器人定位精度的传统方法，主要思想是通过建立机器人运动学参数模型，通过对机器人的实际定位误差进行采样，拟合计算出各项运动学参数误差．并据此修正机器人的运动学模型IS-91，这项技术一般涉及误差建模、误差采样和参数识别等问题，下文对这3个方面进行简要介绍，1机器人运动学参数模型建立合适的机器人运动学参数模型是进行参数标定的基础。最经典的机器人运动学参数模型是D—H(Denavit—H