（机械制造及其自动化专业论文）基于工业机器人的机翼、垂尾测量点检测与打制系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 数字化、柔性化装配技术代表未来飞机装配技术发展的方向。在传统的机翼、 垂尾装配中，姿态测量与测量点打制分别由特别设计的水平测量点指示器和弹簧 打点器实现，不仅精度不高，而且难于实现柔性化。本文根据多型号机翼、垂尾 装配系统研制的需要，提出一种基于工业机器人的能够满足多种型号机翼、垂尾 姿态测量与测量点打制的系统设计方案，并在其工艺动作设计、机械结构设计、 运动轨迹规划等方面进行具体的研究和分析。全文共分为六章。 第一章首先对大部件姿态测量技术进行综述并进行优缺点比较；接着对机 翼、垂尾的装配流程和工业机器人的应用现状进行分析；最后指明本文的研究背 景、意义和研究内容。 第二章介绍系统的总体设计方案。首先阐述水平测量点高度数据用于机翼、 垂尾姿态测量的原理；接着通过分析测量点检测和测量点打制在工艺过程上的相 似性，巧妙利用工业机器人的柔性实现“一机双能”，并通过引入机器人“第7 轴”扩大机器人的工作范围，最终形成以机器人及其第7 轴为运动主体，以位移 传感器和气缸打点器为执行工具的系统总体设计方案。 第三章依次对系统各组成部分进行机械结构设计和选型计算分析；并对系统 作业精度进行理论上的分析和计算。 第四章在进行机器人运动学反解时，通过对机器人部分关节引入运动约束， 推导了一种比常规矩阵算法更简便的几何算法；利用基于该算法的m a t l a b 程序 生成了机器人运动仿真文件，并导入c d 。s 彳ds ! 知砌力软件进行了测量点检测作 业过程的运动学仿真。 第五章进行测量点打制试验；通过引入冲击隔离器对机器人工作过程瞬间的 冲击过载进行保护，并基于试验研究设计了一种冲击隔离器。 第六章给出本论文的结论和进一步研究的展望。 关键词：工业机器人，机翼，垂尾，打点，运动学仿真，轨迹规划 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i g i t a lf l e x i b l ea s s e m b l yt e c h n o l o g yi n d i c a t e st h ef u t u r ed i r e c t i o no ft h e a s s e m b l yt e c h n o l o g yo fa i r p l a n e i nt h et r a d i t i o n a la s s e m b l yt e c h n o l o g yo fa e r o f o i l s a n dv e r t i c a lt a i l s ，t h em e a s u r e m e n to fp o s ea n dp r i n to ft h es p e c i f i e dp o i n t sa r e r e a l i z e db yt h ei n d i c a t o ro fh o r i z o n t a lp o i n t sa n de l a s t i cs t r i k e rr e s p e c t i v e l y , w h i c hi s n o tp r e c i s ea n dd i f f i c u l tt ob ef l e x i b l e o nt h er e q u i r e m e n to fn e wt y p eo fa s s e m b l y s y s t e m sf o rt h ea e r o f o i l sa n dv e r t i c a lt a i l s ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf l e x i b l ep r o je c tw h i c h i sb a s e do ni n d u s t r i a lr o b o t s ，a n ds a t i s f i e st h en e e do ft h em e a s u r e m e n to f p o s ea n d p r i n to ft h es p e c i f i e dp o i n t sf o rv a r i o u st y p e so fa e r o f o i l sa n dv e r t i c a lt a i l s a n ds o m e r e s e a r c ha n da n a l y s i sa r em a d ei ns e v e r a la s p e c t s ，s u c ha st h ed e s i g no ft e c h n i c a l r e g u l a t i o n s ，t h e o r i e sa n dm e c h a n i s m ，t h et r a j e c t o r yp l a n n i n go fm o t i o n t h ep a p e r i n c l u d e ss i xc h a p t e r s c h a p t e r1f i r s t l yd i s c u s s e sd i f f e r e n tt e c h n o l o g i e sf o rt h em e a s u r e m e n to fl a r g e c o m p o n e n t sp o s e ，a n dt h e na n a l y z e st h ea s s e m b l yp r o c e d u r eo fa e r o f o i l sa n dv e r t i c a l t a i l s ，a n dt h ec u r r e n ta p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lr o b o t s ，f i n a l l yp o i n t so u tt h eb a c k g r o u n d ， s i g n i f i c a n c ea n dc o n t e n t so ft h i sp a p e r c h a p t e r2i n t r o d u c e s t h eg e n e r a lp r o j e c t t h et h e o r yo fu s i n gt h ed a t ao f h o r i z o n t a ls p e c i f i e dp o i n t s h e i g h tt om e a s u r et h ep o s eo fa e r o f o i l sa n dv e r t i c a lt a i l s ， a n dt h e nb ys u m m a r i z i n gt h es i m i l a r i t yo fs p e c i f i e dp o i n t si n s p e c t i o na n dp r i n t ，“o n e m a c h i n ep o s s e s s i n gd o u b l ef u n c t i o n s ”h a sb e e nr e a l i z e db yi n d u s t r i a lr o b o t s f l e x i b i l i t y , a n dt h ew o r k i n gr a n g ei se n l a r g e db yu s i n g 、h es e v e n t ha x i s ”f i n a l l yt h e g e n e r a lp r o j e c to fu s i n gt h er o b o ta n dt h es e v e n t ha x i sa st h em o t i o nm a i nb o d y , a n d u s i n gd i s p l a c e m e n ts e n s o ra n ds t r i k e rd r i v e nb ya l la i rc y l i n d e ri sg e n e r a t e d c h a p t e r3d e s i g n st h em e c h a n i s ma n da n a l y z e st h es e l e c t i o no fp a r t sf o rt h e s y s t e m ss e g m e n t s ，t h e na n a l y z e sa n dc a l c u l a t e st h es y s t e m sw o r k i n gp r e c i s i o n t h e o r e t i c a l l y i nc h a p t e r 4 ，b yc o n s t r a i n i n gp a r to ft h er o b o t sj o i n t s ，ag e o m e t r i c a la l g o r i t h m i i 浙江大学硕士学位论文 w h i c hi se a s i e rt h a nc o m m o nm a t r i x a l g o r i t h mi s i n t r o d u c e dt of i n dt h ei n v e r s e k i n e m a t i c a ls o l u t i o n t h ef i l e sw h i c hd r i v et h er o b o ta r eg e n e r a t e db yt h em a t l a b p r o g r a mb a s e do nt h ea l g o r i t h m ，a n de x p o r t e di n t ot h ec o s m o s m o t i o ns o f t w a r ef o r t h es i m u l a t i o no fs p e c i f i e dp o i n t s i n s p e c t i o n c h a p t e r5i n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n to fp r i n t i n gt h es p e c i f i e dp o i n t s b yu s i n g t h ei m p a c t s e p a r a t o r , t h ep r o t e c t i o nf r o mo v e r l o a di sr e a l i z e dt ot h er o b o t ，a n db a s e d o nt h ee x p e r i m e n t ，ap r o j e c to f d e s i g n i n gt h ei m p a c t s e p a r a t o ri sp r e s e n t e d c h a p t e r6s u m m a r i z e st h er e s u l to ft h i sp a p e r , a n dp o i n to u tt h ep o s s i b l er e s e a r c h d i r e c t i o n s 。 k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lr o b o t , a e r o f o i l ，v e r t i c a lt a i l ，p o i n tp r i n t , k i n e m a t i c a l s i m u l a t i o n ，t r a j e c t o r yp l a n n i n g i i i 学号6 0 8 0 6 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名： 鹚 签字日期：二瞬7 月馏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 逝至三盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者虢暂鹏 导师虢 签字日期：二砧年7 月汐日 签字嗍彤7 月 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 【内容提要】阐述本文的研究背景、目的和意义；对大部件姿态测量技术、机翼和垂尾装配 技术、工业机器人应用现状进行介绍；指出本文的研究内容。 1 1 研究背景与意义 大型部件的生产常采用模块化制造方式( 如飞机的机身、机翼等) ，在各模 块制造装配完毕后，再进行模块之间的对接装配 1 - 3 】。为了使对接装配达到较高 的精度，对接装配前通常要以模块外形为基准，对每个模块进行测量与姿态的调 整，以便对其交点孔及端面进行精加工，改善模块间对接装配准确度和协调准确 寐【4 1 ，又0 在传统的姿态测量与调整中，首先，将部件固定在专用精加工台上；然后， 利用精加工台上的水平测量点指示器进行测量，通过调整部件姿态使水平测量点 尽量符合水平测量图和工艺容差分配要求。如果部件固定在专用装配型架上并进 行精加工，则通常将两副或者三副工作卡板换成检验卡板，通过调整部件姿态使 其两个对接装配部件的外形面或者三个对接装配部件的外形面与检验卡板之间 的间隙尽量均匀【4 】。这样的完全依靠人工的姿态测量与调整方法，费时费力，测 量精度低，可靠性差，容易导致质量和安全隐患，很难满足现代飞机制造要求【5 】。 随着激光跟踪测量技术的出现，激光跟踪测量系统以其测量精度高、测量尺 寸大、安装操作方便、可移动等优点被广泛应用于大型部件的姿态测量与调整中 【6 。然而，当激光跟踪测量系统遇上障碍物挡光等特殊应用场景时，其应用往 往受到限制 8 】。因此，一个比较理想的装配现场测量系统应该是上述激光跟踪测 量系统和小型灵巧的便捷测量单元的优化组合。 浙江大学结合某型号研制，对飞机数字化、柔性化装配技术进行了比较系统 的研究。完成了我国第一条兼顾多个型号飞机三段机身自动化对接的数字化装配 线设计，同时解决了不同类型飞机机翼、垂尾自动化调姿及精加工问题。本论文 结合这一重大工程项目，具体研究解决飞机机翼、垂尾姿态测量和测量点最终打 制问题。 由于受到机翼、垂尾精加工固定方式的影响，对其姿态测量时，挡光障碍物 多而且不可能在机翼、垂尾这类零部件表面安装激光跟踪靶标等原因依靠单纯 的激光跟踪测量系统无法获得满意的测量效果。为此，本文建立了以激光跟踪测 量系统为主，水平测量点检测与打制系统为辅助的机翼、垂尾姿态测量系统。并 重点对测量点检测与打制系统进行丁艺动作设计、机械结构设计和运动轨迹规划 等方面的研究与分析，为机翼、垂尾类大型部t t 啪姿态测龟提供一条新的解决方 案和途径。 1 2 大部件姿态测量技术 ( 一) 激光跟踪测量技术 激光跟踪测量技术是上世纪9 0 年代发展起米的种人尺寸精密测量技术n 其基本测量原理是：激光跟踪目标反射器( 靶标) 通过自身的测角系统( 水平 测角、垂直铡角) 及激光绝对钡4 距系统米确定空m 点( 目标反射器的窄问位置) 的坐标，再通过仪器自身的校准参数和气象补偿参数对测量过程中产生的误差进 行补偿，从而得到空问点的坐标【。配合内置绝对测距仪、定位数码千 机、i , j 移动的手持测量头、扫描仪，可以完成远达4 0 米处点的位置测量】。激光跟踪仪 作为专门测量设备在飞机装配领域有许多成功应用范例。图1 1 所示是激光跟踪 仪及其附件。 篓_ 彰薹 蓁濯亳 一7 7 k 图1 - 1 激光跟踪仪及其附件 ( 二) 室内g p s 测量技术 。 。1 !r t 。 ，0 * 颈l ，学位论女 i n d o o r g p s 是美国a r c $ c o n d 公司在全球定位系统( g p s ) 启发下，在二十世 纪九十年代开发出的一种物体几何位冠测量系统。该系统使用红外脉冲激光发射 器代替g p s 卫星的作用，以旋转的方式用脉冲激光信号覆盖整个工作区域，监视 工作区域内物体的几何位置。在发射器发射的脉冲激光覆盖区域内，i n d o o r g p s 信号接受器能根据发射器投射来的光线时间特征参数，计算出接受器所在点的角 度和位置，并通过无线网络传送给控制计算机 ”】。与激光跟踪仪相比，i n d o o r g p s 系统的主要优点在于：( 1 ) i n d o o r g p s 钡y 量系统在测量过程中不会由于挡光而影 响工作进程：( 2 ) i n d o o r g p s 系统能同时对多个观测点进行测量而不需要像激 光跟踪仪一样需要通过编程来转换跟踪头的角度：( 3 ) 整个测量系统进行一次固 定装配标定后，就可以无限次数的使用，且所有进入工作区域的待测物都可以马 上测量，无需建立挫标系；( 4 ) i n d o o rg p s 系统最为突 h 的特点是可以进行大尺 寸的测量。图1 - 2 、1 3 所示分别为组成i n d o o rg p s 系统的主要设备及在装配车问 的应用。 l 芦 簟菪善- _ ! = 嗣 二5 醴 蓍喜瓣- - _ - o _ i 詈誊警 二：? 。 蚓1 - 2i n d o o r g p s 系统的仪器及其附什 警漓 阳1 - 3i n d o o r g p s 系统在波音装配车间的应用 塑毂嗣 i j 一 蓄 * 太 m 学论z ( 三) 激光雷达测量技术 l a s e rr a d a r s 是m e t r i s 公司提供的一种全自动、非接触、大尺寸光学测量 系统，其主要特征有1 3 - 1 5 1 ：( 1 ) 非接触：不需要照相测量法的点，不需要发射镜， 不需要探测器；( 2 ) 测量范围犬：达n 6 0 米；( 3 ) 测量范围可以用平面镜扩展 到视野范围咀外：( 4 ) 可以完成线扫描和单点测量：( 5 ) 叮以单独使用，也可 以集成到检测系统；( 6 ) 在个测量系统可以集成多台激光雷达。图l4 所示为 激光雷达测量系统。 图1 4 激光雷逃系统的仪器及其附件 分析几种测量系统，激光跟踪测量在装配中使用最为广泛，技术最为成熟， 通过转站可达的测量范围大且配置灵活。不足之处在于转站会造成精度损失和断 光：因为需要发射镜配合测量，使得自动化测量难度稍大需要人工参与量多， 效率较低。i n d o o r g p s 的缺点在r 配置困难，在复杂的装酉己现场每个位置都需要 有三个发射信号同时到达是比较困难的，或者需要很高的成本( 安装较多的发射 器、基础投资大) 。m e t r i s 的激光雷达由于不需要发射镜或传感器，因而与自动 化系统的集成会相当方便，但是，其精度比激光跟踪仪差。晟为重要的是激光跟 踪仪使用最为广泛，技术虽为成熟，在同内外有很多成功的范例：而后两种技术 尽管技术发展的时间几乎与激光跟踪测量技术差不多但作为测量工具推出产品 却晚很多，因此现在国内几乎没有i t h ，在围外的应用也不多见，技术支持m 险 较大。鉴于上述原因，当前在国内应用中通常选择激光跟踪仪作为装配测量的主 要仪器。 浙江大学硕士学位论文 1 3 机翼、垂尾数字化、柔性化装配技术 飞机数字化、柔性化装配技术【1 6 , 1 7 是建立在数字化设计、制造和检验基础之 上，通过对装配部件的结构特征、装夹定位方式、加工工艺、设备能力、公差分 配等因素进行综合分析和评估，采用数字化测量定位方法、数字化工装、数字化 加工、数字化管理技术，实现飞机多种型号部件共平台快速、精确定位和装配 1 8 , 1 9 】。与传统装配技术相比，装配工装种类和数量大为减少，装配效率和质量大 为提高【2 0 啦】。基于飞机数字化、柔性化装配要求开发的机翼、垂尾装配系统主要 包括姿态测量工装、调姿工装、固持工装、精加工机床、测量点打制工装等【2 3 之4 1 。 在机翼、垂尾部件装配、铆接完工，结构完全封闭之后【4 】，按照数字化装配 路线，还需依次完成如下8 个工序，才能最终实现与机身的对接装配。 ( 1 ) 吊装支撑到3 个三坐标p o g o 柱上； ( 2 ) 通过激光跟踪仪对其端面靶标进行测量，获取其姿态( 初测) ； ( 3 ) 通过三坐标p o g o 柱进行姿态调整( 初调) ； ( 4 ) 再次通过激光跟踪仪对其端面靶标进行测量，并通过位移传感器对机 翼或垂尾下表面蒙皮进行水平测量点的高度检测，获取其姿态( 精测) ； ( 5 ) 再次通过三坐标p o g o 柱进行姿态调整，使部件在空间上满足精加工 的位姿要求( 精调) ； ( 6 ) 使用柔性吸附工装和移动压紧装置对部件调姿后姿态进行固持； ( 7 ) 按照要求对机身一机翼、机身一垂尾交点孔进行精加工，使交点孔最 终符合图纸设计的机身一机翼，机身一垂尾对接装配要求； ( 8 ) 进行水平测量点打制。 1 3 1 测量点高度检测 飞机机翼、垂尾结构上主要由翼梁、翼肋和蒙皮组成，其外部形态的维持主 要取决于翼梁和翼肋【2 5 1 。由于翼梁和翼肋本身具有一定柔韧性，机翼、垂尾的 外形会因摆放方式或者支撑部位的不同而发生改变；其中，靠近主要承力大梁的 部位，由于结构刚性较好，变形相对最小，能最佳地保持机翼、垂尾的原始形状 【2 6 1 。因此，在对机翼、垂尾进行p o g o 柱支撑时，其支撑部位被指定于主要的 浙江大学硕士学位论文 承力大梁附近；用于飞机整机校平和机翼校装环节的水平测量点，其位置也都有 意选取在变形较小的梁和肋附近【2 川。 由于挡光障碍物多、蒙皮表面不允许安装激光跟踪靶标等原因，在采用激光 跟踪测量技术对机翼、垂尾进行姿态测量时，只能对其端面位置及姿态进行激光 跟踪测量和评价，但对于机翼、垂尾这类尺寸比较大、柔性比较大的结构部件来 说，变形不可避免。因此，在实际姿态调整及精加工时，需要补充机翼、垂尾外 形的测量和控制，其原理如图1 5 所示。基于这些因素的考虑，在机翼、垂尾平 放支撑的下方设计并采用了一种专门的水平测量点高度检测和水平测量点打制 单元，这种专用测量单元结合激光跟踪测量系统完成对机翼、垂尾的精确姿态评 估和计算。 = l |1 9 ， - i 。 一一皿 测 业 皿 勺 q 测量点 ( 蒙皮空间蔗 1 图l 一5 通过水平测量点高度对部件外形进行测量和控制 1 3 2 测量点打制 l 飞机的校水平、对称性及机翼校装检查，是飞机各部件对接总装后的主要工 作，也是飞机维护工作的重要内容。我国传统的飞机校平和机翼校装，是在飞机 外表面作水平测量点标志( 打制出测量点) ，以此悬挂测量钢尺或者进行激光跟 踪测量，计算出相关点的高度差，从而确定机翼等的上反角和安装角是否符合规 定的公差范围 2 7 之8 1 。图1 - 6 举例说明蒙皮上打制出水平测量点的目的： 飞机的校平。找到左右机翼上打制的1 9 号测量点，把两点间的连线作为 飞机横向水平基准线； 机翼校装检查。取左右机翼上打制的x 测点，通过比较日。与日，。，可以 6 新“大学碰i 学论文 据此考察两机翼装配是否对称。 一壁塑查! 苎堂i 1 1 1 11 1 1 壁 削l 莹皮表面剥艟点的用途 传统的水平测量点打制是通过固定于用精加工台上或者装配型架i ：的一 系列弹簧打点器进行手工打点【4 】，专用精加工台和装配型架的姿态测量与调姿精 度都不高，因此水平测量点的打点位置精度也不高。浙江大学在某型号机翼、垂 尾柔性装配系统中，测量点的打制采用了符合数字化、柔性化理念的基于机器人 的气动打点方法。 1 4 工业机器人的应用 材料加工、零件制造、产品检验和机器装配是工业机器人虽常见的四个工业 应用领域f 2 9 - 3 2 】。工业机器人相比于常规机械设各，其优势在于：动作程序可以通 过示教方式或离线编程的方式迅速改变，手爪呵实现多位簧、多方位动作，并且 能自动更换手爪从而完成不同动作1 3 3 - 3 7 】。因此，工业机器人以其灵活性和可达性， 配合各种终端执行器也被广泛用于自动化钻孔【6 】、铆接、机加工、搬运等飞机装 配作业工序【”4 0 】。洛克希德马丁公司对f - 3 5 飞机的碳纤维环氧复合材料机翼 上壁板进行制孔时大量采用了机器人自动钻孔技术”。 由于机器人的定位属于半闭环控制，定位精度不是很高【4 1 。4 3 1 。近年来，由于 采用嵌入式控制方法砥”】，通过计算机将三维激光跟踪仪与机器人集成起来，通 浙江大学硕士学位论文 过激光跟踪仪对机器人进行引导和校准，可达到机器人全闭环控制的效果，大幅 提高了机器人的定位精度，其全工作空间精度可达到o 0 5 m m ，完全能胜任飞机 的高精度钻孔等应用要划6 一。 1 5 本文的主要研究内容 本文针对机翼、垂尾数字化调姿和精加工中姿态测量和测量点打制的需要， 提出了一种利用工业机器人的柔性和灵活性，分阶段完成机翼、垂尾水平测量点 高度检测和最终测量点打制的系统方案，包括系统总体方案设计、机械结构详细 设计、机器人运动轨迹规划、打点试验等工作。重点解决了系统工艺动作设计、 机器人过载保护、机器人运动学反解等技术问题。各章节具体内容如下： 第一章，阐述本文的研究背景、目的和意义；对大部件姿态测量技术、机翼 和垂尾装配技术、工业机器人应用现状进行介绍；最后指出本文的研究内容。 第二章，对系统的应用需求进行分析，规划系统总体布局；阐述测量点高度 检测用于部件姿态评估的原理和方法；设计系统的工艺动作，选定执行机构；最 后形成系统总体设计方案。 第三章，依次对机器人选型、机器人第7 轴传动设计、工具快换器选型、位 移传感器选型、检测工装设计、打点气缸选型、打点工装设计等进行介绍和分析； 最后对系统精度进行了理论上的分析和计算。 第四章，介绍机器人运动学分析理论；对运动部件进行运动轨迹规划，并用 m a t l a b 软件生成运动仿真驱动文件；结合应用场景进行避障算法研究；建立系统 三维模型，并用c o s m o s m o t i o n 运动学仿真软件对测量点检测作业进行仿真分 析；依据仿真结果对设计方案进行修改与优化。 第五章，通过试验检验测量点打制工装的可行性；结合试验结果对打点工装 进行改进；对改进后的新方案再次进行试验验证；分析打点的大小和深度、反冲 力与打点气压、冲程、冲击隔离器材料之间的关系。 第六章，总结本文的研究成果，并指出进一步的研究方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章总体方案设计 【内容提要】对系统的应用需求进行分析，规划系统总体布局；阐述测量点高度检测用于部 件姿态评估的原理和方法；设计系统工艺动作，选定执行机构；最后形成系统总体设计方案。 2 1 系统需求分析 2 1 1p o g o 柱支撑点及测量点分布 系统的工作对象是八种不同型号的机翼和垂尾部件。各种机翼和垂尾由于其 内部承力梁、肋布局的差异，都有其特定的最理想的p o g o 柱三点支撑位置。 通过分析各型号部件p d g d 柱支撑点的分布位置，同时考虑每个p o g o 柱的行 程范围，可以找到一种p o g o 柱布局方案，能适应八种部件各自的支撑需要。 对于某种部件，不仅p o g o 柱有固定的支撑位置，其水平测量点和激光跟踪仪 靶标的安装位置也相对于部件坐标系，指定了相对固定的坐标。图2 1 所示的示 意图表示各工件的外形、p o g o 柱支撑位置、蒙皮上的测量点的位置( 位于下表 面) 以及激光跟踪靶标的安装位置( 位于机翼一机身结合端面) 。其中，机翼1 、 机翼3 、机翼5 和机翼2 、机翼4 、机翼6 分别为三种不同机型的左翼和右翼， 结构上具有对称性。 机翼1 机翼2 图2 1 八种部件的外形及其特征点分布示意图 9 浙江大学硕士学位论文 op o g o ( 测量点_激光跟踪仪靶标 图2 1 八种部件的外形及其特征点分布示意图( 续) 2 1 2 系统总体布局设计 综合考虑八种型号机翼和垂尾的外形尺寸、p o g o 柱布局方案以及柔性固持 工装、移动压紧工装布置需要等，提出了如图2 2 所示的系统总体布局方案。由 图可知，在l ，x l 2 的大平台上有规律布置了3 个p o g o 柱，用于对部件进行支 撑和调姿；5 个柔性吸附工装和2 个移动式压紧工装，均用于对部件进行姿态固 持。由于机翼、垂尾部件的端面具有较好的开敞性，且端面容易安装靶标，所以 可采用激光跟踪仪进行测量；但是，机翼、垂尾部件的下表面不便于安装靶标， 且更主要的原因是光线不容易到达，因此不采用激光跟踪仪进行测量，而拟定通 过水平测量点高度检测工装通过测量机翼、垂尾高度，间接进行姿态测量。因此 规划出了一块区域用于水平测量点的高度测量及最终的测量点打制。 1 0 浙江大学硕士学位论文 i5 糊嘴区 i 妲 1 5 个柔性 ! 激光跟 。吸雨工夏一踪仪 图2 - 2 系统总体布局图 2 1 3 机翼、垂尾的姿态评估原理 通过测量激光靶标数据和下表面水平测量点高度数据，从而评价机翼、垂尾 当前姿态的方法是基于浙江大学张斌博士提出的基于鞍点规划理论和奇异值分 解法的机翼、垂尾水平位姿评估模型，其原理简述如下。 建立系统绝对坐标系x y z 和工件坐标系x f z ，在理想姿态时，工件坐标 系恰好重合到系统绝对坐标系。机翼的位姿可以用参数口、夕，y 、t x 、t y 、t z 表示，其中口、鼻、r 是表示工件坐标系在系统绝对坐标系下姿态的r p y 角( r o l l 、 p i t c h 、y a w ) ，红、纱，l z 是工件坐标系原点在系统绝对坐标系下的坐标。为了表 述方便，令x j = 口，砣= 鼻，勋= y ，x 4 - - - - t x ，扔= t y ，x 6 - - t z ，那么机翼的位姿向 量可以写成x = 肛，砣，幻，x 4 ，如，耐丁。如图2 3 所示，机翼上有一靶标点和 一下表面水平测量点q j 。理想姿态下，的位置矢量为r e , = 只，只，最 r ( 理论 值) ；在当前姿态，它们分别位于图中的只和q ：，由激光跟踪仪测得的只1 的位置 矢量为乏= 砭，最，砭】，。由于测量时不清楚q j 的具体位置，直线位移传感器位 于其理论目标位置( 即水平测量点q ，) 的正下方并竖直向上运动，当接触到机 翼蒙皮后可通过传感器的读数和传感器本身的实际高度得出所测点的实际高度 浙江大学硕士学位论文 巧( 即伪水平测量点巧) 。 图2 - 3 姿态评估原理 那么p ：的实际位置与理论位置之间的误差大小为： a 厅= i 吃一尺( x ) 矗一r ( x ) i i 其中r ( x ) 、于( x ) 分别为将p f 点从理想位姿调姿到当前位姿时的旋转矢量和 平移矢量。 由于机翼曲面比较平坦，且经过初调后当前位姿接近理想位姿，水平测量点 q j 与伪水平测量点艿：，相距很近，可近似认为君j 位于q ；处的切平面s 上。由此 可经过一系列推导得出b j 点在当前姿态时的理论高度t 。 那么b j 的实际高度与理论高度的误差大小为： a = i 嘭一h i 由此可以建立机翼水平位姿评估的鞍点规划模型： m i n ( f ( x ) = w m 蚓+ ( 1 一w ) 乎h i ) 0 w l i = 1 ，2 ，搠1 = 1 ，2 ，m 2 其中w 是根据以上两类测量点的精度要求和分布位置等因素所设定的权重 系数。上述模型的意义是：如果测量得到了机翼靶标数据和水平测量点高度数据， 1 2 浙江大学硕士学位论文 便可以利用此模型将这些数据换算成机翼的当前姿态兄 如果知道了机翼或垂尾的当前姿态兄便可将其与机翼的理想姿态进行比 较，判断调姿是否到位，或者计算出下一步需要的调姿路径。 2 2 系统工艺动作设计 由于水平测量点在机翼、垂尾部件上具有已知的固定坐标，当部件调姿结束， 可近似认为部件处于理想位姿。此时，部件上所有水平测量点在系统绝对坐标系 中的坐标是可以知道的。以图2 - 4 中所示q ，点为例，要想打制出该点，可以通 过如下工艺动作实现： 令一工装m 携带打点头从系统绝对坐标系原点o 出发，先沿x o y 平面运 动到点a ( 五 0 ) ；再沿竖直向上方向运动到靠近蒙皮某一距离处；接着使用打 点头打制出代表该水平测量点q 的小凹坑，打制任务即完成。 图2 - 4 测量点打制原理 水平测量点的高度检测工艺过程类似，有一些不同的是：工装携带的不是打 点头，而是位移传感器；而且当沿竖直向上运动时，是一直运动到接触蒙皮，此 时通过位移传感器的读数和传感器本身的实际高度即可得出所测点的实际高度， 参见图2 3 。 综上所述，系统总的工艺动作可设计为： 1 先由工装携带位移传感器去检测部件初始调整所得到的姿态下蒙皮上水 平测量点口? 的高度，连同激光跟踪仪检测的端面靶标数据一起反馈给调姿系统； 对姿态进行评估计算并通过调姿系统完成部件精确调姿： 浙江大学硕士学位论文 2 启动机翼、垂尾精加工系统完成机翼机身，机身垂尾对合部位的精加工； 工装替换掉位移传感器，装上蒙皮专门打点装置，并携带打点装置沿着规定的路 径去打制机翼、垂尾蒙皮上的水平测量点。 通过上述2 个步骤，便可完成测量点检测和测量点打制工作。 2 3 执行机构的确定 根据上述系统需求及工艺动作分析，负责位移传感器和打点装置到达指定坐 标位置的工装应具有x 、y 、z 三轴移动和精确定位的能力，或者是空间点的精 确定位能力。前者原理如同三坐标测量机，后者原理如同工业机器人通过各串联 轴的复合运动对手臂末端的调整。考虑到很多水平测量点分布在p o g o 柱、柔 性吸附工装的周围不同部位，工装必须具有良好的运动灵活性和柔性才能到达， 因此三坐标测量机模式很难在此满足要求；相比较而言，如果采用六轴工业机器 人，因其手臂具有良好的柔性，则可通过自身姿态改变避开障碍物。 此外，综合考虑各机型的机翼、垂尾不同尺寸和构型，水平测量点分布范围 又比较大，而且y 向分布区域( 工作范围) 长度约为x 向两倍，在y 向很难依 靠工业机器人自身的回转工作范围满足所有点的检测和打制要求。为此，要求机 器人在水平工作面内增加转站能力。专门为机器人设计一条y 向移动导轨，使 机器人通过移动平台在y 向移动，扩大工作行程，用于扩大机器人行程的移动 平台可视为机器人的第7 轴。 由于测量点高度检测与打制由工业机器人分别抓持位移传感器和打点器在 不同时间段完成，因此需要对工具进行自动切换。选择快换器是一种可行的方案。 以往工厂使用的固定式弹簧打点器，不便于自动控制，采用基于气动冲击原 理的冲杆结构打点方式是一种比较好的选择。 综上所述，通过增加机器人的第7 轴，扩大机器人工作行程，通过快换接头 实现位移传感器与专用打点装置之间的换装，从而解决机翼、垂尾表面( 型面) 的位置检测以及测量点打制，总体布局设计及原理如图2 5 所示。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 - 5 系统总体设计方案 本章主要介绍了如下内容： 对系统作业对象( 八种机翼、垂尾部件) 进行分析，规划总体布局方案； 简要介绍水平测量点高度检测用于姿态评估的方法和原理； 对系统作业的工艺动作进行设计； 为工艺动作的实现选定执行机构，形成以机器人及其第7 轴为运动主体， 以位移传感器和气缸打点器为执行工具的系统总体设计方案。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统机械结构设计 【内容提要】依次对机器人选型、机器人第7 轴传动设计、工具快换器选型、位移传感器选 型、检测工装设计、打点气缸选型、打点工装设计等进行介绍和分析；最后对系统精度进行 了理论上的分析和计算。 3 1 机器人选型 结合具体应用需求，工业机器人的选型主要考虑如下三个方面： 机器人的工作范围要求覆盖所有水平测量点； 机器人体型大小适当，在作业运动过程中能通过自身姿态变形有效避开 周围各种障碍； 机器人精度适当。 将所有待3 n y - 的机翼、垂尾放到一起进行分析，如图3 1 所示，在被调姿到 理想姿态时，所有测量点分布于水平方向l l 2 ，竖直方向1 3 1 4 的区域。 图3 - 1 测量点分布图 经过反复选型比较，最终确定选用日本m o t o m a n 公司的h f 2 0 6 机器人， 其工作范围如图3 2 所示。 1 6 * 大学i 学论文 8 0 0 。 l 一，一7 幽3 - 2m o t o m a n h p 2 0 - 6 工作范围 这是一款于臂加长型工业机器人，其加长的手臂结构辅以机器人第7 轴的y 向平移，能够完全覆盖所有测量点， 。作范围示意圈如图3 - 3 所示。 、 j p ( x o + 一 m m w k 1 阁3 - 3 机器人可逃t 作范同示意剧 该机器人有6 个转动关节( 从f 往上依次分别是s 、l 、u r b 、r ) 能 实现6 自由度的运动，经计算分析确保其能有效避障。其基本参数【4 5 表3 - i 所示。 表3 - 1y o 0 y a g h ”2 0 _ i 基本参数 结构形式空间手关节 自由度 6 驱动方式交流伺服电机 有效负载 6 k g 铲 图】圜 一r 蹩奠 浙江大学硕士学位论文 重复定位精度 o 0 6 m m 重量 约2 5 0 k g 工作范围水平方向：1 9 1 5 m m竖直方向：3 4 5 9 m m 功率 2 8 k w 3 2 机器人第7 轴设计 机器人第7 轴是为了扩大机器人在y 向的工作范围而设计的一套由机器人 安装底座、导轨、大平台组成的机器人移动平台。 3 2 1 主要技术参数 大平台的长厶、宽，2 、高1 3 尺寸的确定，主要考虑工作行程需要，以及与机 翼、垂尾调姿大平台的协调。考虑到长l l 的平台加工、制造及运输都不方便，因 此等分为三段制造完成。大平台主要技术参数如下： 行程：8 6 0 0 m m最大移动速度：10 0 0 0 m m m i n 运动定位精度：0 0 5 m m重复定位精度：o 0 2 m m 导轨面在垂直平面内的直线度：0 0 15 m m m 导轨面在水平平面内的直线度：o 0 15 m m m 两导轨面的平行度：o 0 2 m m m 大平台三维结构如图3 - 4 所示。 * 大学碰i ： 位论文 圈3 4 机器人平台三维模型 3 2 2 机器人第7 轴传动设计 机器人安装底座的驱动采用电机、减速器和齿轮齿条传动形式，由直线导轨 导向，如图3 - 5 所示。 9 # l 8 ，、# 动”f 目# 底肫 长齿条 幽3 - 5 机器人底座驱动方式示意幽 传动设计的主要任务是依据设计所需的传动功率，对齿轮齿条、减速器、电 机等进行选型计算并确定产品型号。本系统传动件的设计思路及流程 4 6 琊1 如图 3 - 6 所示。 浙江大学硕士学位论文 p = v o = 监 嘞 丁：互 1 ”i r 图3 - 6 传动件设计流程图 1 ) 齿轮齿条 选择a t l a n t a 模数m = 3 ，齿数z = 2 0 的标准斜齿轮，螺旋角= 1 9 0 3 1 4 2 ”， 订货号为2 4 3 4 5 2 0 ，匹配齿条的订货号为2 9 3 0 1 0 0 。计算知节圆直径 d = 磊m 五z 万= 6 3 6 6 r a m ，查询a t l a n t a 齿轮齿条传动选配负荷表知：该齿轮齿 条组合的最大容许扭矩高达5 0 5 n m 。 齿轮齿条强度校核： 机器人安装在机器人底座上，机器人底座通过齿轮齿条驱动进行y 向移动， 移动过程中要克服摩擦力f = u n 。其中为导轨的动摩擦系数，约为0 0 2 , - - , 0 2 ； 为机器人底座及机器人的重量之和，约为6 0 0 0 n ，则 f = 州= 0 1 x 6 0 0 0 = 6 0 0 n 机器人底座最高设计移动速度为1 0 0 0 0 m m m i n ，即v = 0 1 7 m s ，计算取 v o 2 m s 加速时间砜_ o 则运动加速度a - 专= 等= 2 眺2 。 除了克服摩擦力，驱动系统另需提供f = a m = 2 x 6 0 0 = 1 2 0 0 n 的力用于加速 运动。 2 0 嚣 浙江大学硕士学位论文 故系统至少需要提供的转矩为 t 2 e 。f - - 蒜= 孑= 百1 8 0 0 6 3 6 6 = 5 7 3 n m 考虑到齿轮齿条的工作状况，选取载荷系数k a = 1 5 ，安全系数s b = 1 4 ，寿 命系数 = 2 0 ： 互吖k = 5 7 3 x 1 5 x 1 4 x 2 0 = 2 4 1 n m 5 0 5 n m 2 ) 减速器 机器人底座最大移动速度为1 0 0 0 0 m m m i n ，满足：刀d n 。= 1 0 0 0 0 m m m i n ， 其中心( r p m ) 为减速器输出端转速，d 为齿轮齿条节圆直径，计算知：玎。= 5 0 。 选取电机转速1 5 0 0 r p m ，减速器速比3 0 ：l ，即可满足输出端转速要求。 初步选取s e r v o p l a n 公司s w g l 9 0 3 0 0 0 3 0 ：1 型涡轮蜗杆减速器，其主要 参数是： 最大加速转矩：s 5 = 2 4 5 n m额定转矩：s 1 =