航空制孔机器人的末端姿态调整技术研究

【类型】学位论文

【作者】公茂震 

【关键词】 机器人制孔 法线测量 法向姿态调整 飞机装配 制孔机器人控制系统

【摘要】现代飞机装配的连接方式仍以铆接为主，制孔是飞机数字化装配的关键环节。为满足我国飞机批产、“四性”（安全性、经济性、舒适性和环保性）迫切需求，解决手工制孔中存在的效率低、一致性差等问题，在飞机的数字化装配中广泛采用机器人制孔技术将是必然趋势。实时的法向姿态调整（垂直度调整）是航空制孔机器人核心技术之一，倾斜制孔不仅加大了制孔难度和刀具磨损，而且会严重影响连接孔的质量，导致飞机性能和安全使用寿命的降低。因此，深入研究实时的法向姿态调整对实现自动化、数字化的机器人制孔具有重要意义。本文主要研究的是航空制孔机器人的末端姿态调整，即调整制孔机器人末端主轴的轴线，使其沿飞机蒙皮制孔点的法线方向钻孔。主要从提高制孔的法向精度和姿态调整的实时性着手，寻找新的法线测量方法，创新设计法向微调机构，设计和优化具有姿态调整的机器人控制系统，实现机器人自动化精确制孔的目的。本文从三个方面对法向姿态调整进行深入分析和研究：法线测量、法向姿态调整和在机器人控制系统设计与优化。法线在线测量：首先分析飞机装配制孔中的测量环境，根据非接触测量的要求，利用激光测距传感器提出“三点法线测量法”，即利用均匀分布在主轴周围的三个激光测距传感器，测量制孔点周围的三个点，并确定此三点的空间坐标，利用“切线—叉积”算法计算制孔点的法向量。最后在CATIA V5和MATLAB中进行仿真研制其准确性。末端垂直度调整：根据快速、高精度垂直姿态调整的要求，创新设计了“双偏心法向姿态调整机构”，给出了调姿算法，利用两个偏心半径相同的大小偏心盘，实现主轴轴向指向的两个旋转自由度微调，同时保持钻头刀尖不动，避免位置补偿和重复定位。机器人控制系统设计与优化：针对双偏心圆周伺服控制和制孔机器人的集成控制，本文通过对整体控制系统的设计，伺服电机的PID调节，实现机器人的稳定、精确的调姿与制孔。通过实验，对不同材料的制孔质量、制孔的难易程度、刀具的磨损进行分析，特别是对加工孔的垂直度进行测量分析。数据表明法线的测量精度可达±0.2°，双偏心调姿精度达到±0.1°，最终法向精度保持在0.5°内。最后，介绍了调姿系统的改进和展望。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】北京航空航天大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】袁培江

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