基于雙目視覺的航空復雜結構件機器人制孔研究

胡維鑫,尹佳,田輝

中航西安飛機工業集團股份有限公司

1 引言

隨著新一代軍民機的研制,大型飛機的需求大幅增加,對飛機結構件的制造提出更高的尺寸、精度和生產效率要求?？准庸ぴ诤娇罩圃鞓I中占有重要地位,尤其為滿足裝配需求,通常需要在零件緣板、立筋或腹板上制出大量導孔,制孔數量大,孔的位置分布各異。

傳統飛機結構件生產主要采用人工制孔或數控機床制孔。人工制孔需經過鉆孔、修毛刺等工序,制孔過程存在不穩定、效率低、技能依賴性強等因素,難以滿足新型飛機裝配的高精度、高質量需求[1]。數控機床制孔一般需要使用大擺角五軸設備,占地面積較大,且制孔占用機床大量時間,成本較高。同時,由于工件數控加工過程中的裝夾限制以及數控機床主軸結構干涉的影響,大量導孔制取需要經過二次裝夾,且部分特殊位置導孔因位置干涉無法使用機床制取。

機器人技術已經在各個行業和領域得到了廣泛應用,工業機器人攜帶相應的制孔末端執行器,已越來越多地被各大航空公司應用于飛機自動化鉆孔工作?，F有的機器人制孔系統在航空領域的應用集中于飛機機身、機翼等大部件裝配環節[2-4],此環節具有一次性制孔數量多、制孔公差大、裝夾次數少、產品種類少的特點。

與機身機翼等典型裝配組件相比,航空結構件種類繁多,結構、尺寸差異大,制孔數量較少,導致無法針對某一目標零件設計特定工裝,無法將定位基準設計在零件上,會引入額外的零件變形誤差和零件定位誤差,因此對機器人制孔系統的空間運動精度提出了更高要求。

本研究將雙目視覺攝影測量系統應用于機器人制孔補償,使機器人制孔系統空間運動精度提升至0.16mm。在航空結構件典型試驗件上進行制孔試驗,試驗結果證明了此方法的有效性。

2 機器人加工精度控制方法

機器人加工精度控制主要包括人工示教調整、精度標定補償、關節軸半閉環補償和機器視覺補償等方法。

示教調整是在編程后人工對機器人運動軌跡進行調整,保存機器人運動軌跡的一系列位置、姿態和速度等相關信息。機器人通過重復再現示教保存的程序來完成加工操作。在實際生產中,示教編程存在機器人運動精度受操作人員水平影響大、精度低、調試占機時間長、試驗件損耗大等問題[5]。

精度標定補償是在機器人調試階段測量不同點位處機器人定位誤差,通過插值擬合建立目標運動區域誤差模型;基于建立的模型預測、計算目標位置的誤差,通過修正控制程序中目標位置坐標的方法來實現精度補償[6,7]。此方法操作簡單,成本低,由圖1和圖2可知,補償后機器人空間定位誤差縮小至±0.35mm。

圖1 補償前機器人空間定位誤差

圖2 補償后機器人空間定位誤差

關節軸半閉環補償是在機器人六個關節軸處添加光柵尺獲取各軸回轉角度,利用西門子840D數控系統驅動機器人各關節軸,補償回轉誤差[8]。此方法可實現±0.25mm的定位精度,但成本較高,與機器視覺補償相比,只能保證機器人運動定位精度,無法補償裝夾等環節造成的誤差。

機器視覺補償主要通過在機器人制孔末端執行器加裝工業相機實現[9],通過工業相機拍攝零件上預制的孔特征,在臨近制孔位置重新標定機器人空間坐標,減少大幅度運動對機器人空間運動誤差造成的影響,保證孔位精度在±0.25mm以內。此方法的補償特征在零件上獲取,受裝夾誤差及零件變形誤差影響小,可保證較高的孔位精度,在航空制造業大型部件自動化裝配制孔環節中得到廣泛應用。但此方法必須進行預加工,在零件上分區域制取標定孔,不適用于孔位較分散、單個零件制孔數量少的航空結構件。圖3和表1為裝配件與結構件的孔特征對比及需求差異。

表1 裝配件與結構件制孔需求差異

(a)機翼制孔

3 基于雙目視覺攝影測量的機器人制孔系統

基于雙目視覺攝影測量的機器人制孔系統包括機器人制孔系統、雙目視覺測量系統和快換工裝系統三大部分。機器人制孔系統包括工業機器人、控制系統、末端執行器、除塵系統等部分,與目前廣泛應用的航空裝配制孔系統相同。雙目視覺測量系統包括雙目視覺相機、靶標、計算機和數據處理軟件?？鞊Q工裝系統包括工裝基座和各族航空結構件通用工裝。各部分以及加工零件之間關系如圖4所示。

圖4 基于雙目視覺攝影測量的機器人制孔系統

基于雙目視覺攝影測量的機器人制孔系統各坐標系轉換關系如圖5所示。

圖5 機器人制孔系統坐標轉換關系

由雙目視覺測量系統測量固定標定板和快換工裝的靶標得出大地坐標系和工裝坐標系轉換關系,由工裝定位銷、底板、壓緊裝置確定工裝坐標系與工件坐標系轉換關系,從而得到雙目視覺系統下的工件位置?？刂葡到y根據預標定的基坐標系控制機器人粗定位,由雙目視覺測量系統測量、反饋機器人末端執行器空間坐標系進行機器人精定位,根據預標定的刀具坐標系得出刀尖點位姿。刀具坐標系與工件坐標系通過末端執行器主軸進給制孔運動發生關系,決定制孔位置度誤差。機器人制孔系統工作流程如圖6所示。

圖6 機器人制孔系統流程

制孔系統安裝調試時完成大地坐標系、機器人坐標系的標定,安裝刀具時完成刀具—法蘭坐標系的標定。如需更換制孔零件族,只需更換相應的快換工裝,并根據工裝上靶標點標定其相對大地坐標系的變換關系。

機器人控制系統控制機器人完成粗定位后,雙目視覺測量系統檢測制孔末端執行器空間位置誤差,反饋補償值至機器人控制系統,反復迭代直至位置測量結果與理論值差異小于0.05mm,完成后機器人控制系統驅動末端執行器主軸進給,實現導孔制取。

4 試驗驗證

4.1 機器人空間運動誤差測量試驗

圖7為機器人空間運動誤差測量試驗方案,圖8為相應的測量平臺。根據航空結構件加工所需空間位置設置測量點,在每個測量點處由雙目視覺系統測量空間位置誤差并反饋給機器人控制系統作反向運動補償。當機器人在該測量點穩定后,使用激光跟蹤儀進行測量,通過比對激光跟蹤儀測得的理論點位與實際點位的差值評價控制效果。

圖7 機器人空間運動誤差測量試驗流程

圖8 試驗平臺

機器人空間運動誤差測試數據如圖9所示。圖中橫坐標為點編號,縱坐標為激光干涉儀所測運動點的相對距離誤差?？梢钥闯?雙目視覺補償系統可以將機器人空間運動誤差控制在±0.2mm以內,滿足自動化制孔需求。

圖9 空間運動誤差

4.2 航空結構件制孔試驗

根據某機型一典型零件族結構特征設計制孔試驗件,如圖10所示。試驗件為單面帶筋結構件,尺寸為1.3m×0.3m×0.04m,筋厚2mm,制φ2.7mm導孔,制孔位置度公差±0.3mm。

圖10 制孔試驗件

制孔試驗平臺主要包括840Dsl數控系統、雙目視覺系統、KR500機器人、末端執行器和制孔工裝,如圖11所示。

①840Dsl數控系統 ②雙目視覺系統 ③KR500機器人

西門子840Dsl數控系統的主體部分包含HMI軟件系統、NC軟件系統、PLC軟件系統和通信接口軟件系統。雙目視覺系統包括兩個數碼攝像頭和一臺計算機,可以在視場范圍內跟蹤捕捉檢測到靶標點的三維空間位置信息,實現30Hz以上的采樣頻率,并將測量數據實時傳輸給數控系統。KR500機器人為KUKA工業機器人,額定載荷為500kg,重量2385kg,最大運動范圍2485mm。末端執行器為通用電主軸。制孔工裝包括通用工裝平臺、雙目視覺標定板以及螺栓壓板。

完成鉆孔后,使用三坐標測量機對孔位進行檢測。由圖12可知,制孔x,z方向位置度誤差均小于±0.3mm,滿足公差需求。與機器人空間運動誤差測試試驗相比,制孔誤差從0.16mm提高至0.3mm,原因在于機器人制孔誤差由機器人空間定位誤差、裝夾找正誤差、工件應力變形誤差等多種誤差復合而成,制孔標定基準設置在工裝上必然引入裝夾誤差和變形誤差。

(a)x方向

5 結語

(1)將雙目視覺攝影測量技術與機器人自動化制孔系統相結合,機器人制孔系統的空間運動精度為±0.16mm,加工精度為±0.30mm,滿足航空結構件機器人制孔需求。

(2)航空結構件機器人制孔精度受裝夾方式及定位方式影響較大。針對航空零件結構特征研究合理工裝,提高定位精度,減少裝夾變形,對保證機器人制孔精度有著重要意義。