專利名稱：應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī) 器人切削加工系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
飛機(jī)裝配過程復(fù)雜，勞動量大。目前，世界上航空業(yè)發(fā)達(dá)國家的飛機(jī)裝配 技術(shù)已從簡單機(jī)械化、自動化裝配轉(zhuǎn)向數(shù)字化、柔性化裝配，柔性裝配是飛機(jī) 裝配技術(shù)的重要發(fā)展方向。工業(yè)機(jī)器人由于其高度的柔性、較小的安裝空間需 求和可編程控制等特點已逐漸擴(kuò)大其在飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)中的應(yīng)用，比如對鋁 合金零部件進(jìn)行對接處局部輕切削修配加工、自動化鉆鉚等。
與數(shù)控加工中心、FMC等其它加工設(shè)備相比，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于切削加工 領(lǐng)域具有成本低、自動化程度高、柔性好、安裝空間小等優(yōu)點，能方便地實現(xiàn) 切削加工工具頭在空間的各種位姿(位置和姿態(tài))，可以滿足自由曲面法向鉆孔 等復(fù)雜加工的要求，而且利用工業(yè)機(jī)器人還可以在同一系統(tǒng)中完成多項不同的 作業(yè)任務(wù)，比如飛機(jī)輔助裝配(取件、定位)、鉆鉚加工、系統(tǒng)件搬運和定位等。
與數(shù)控機(jī)床相比，盡管工業(yè)機(jī)器人存在剛性不足、關(guān)節(jié)之間有一定間隙等 缺點，但是對于加工精度要求不是很高的應(yīng)用場合，仍可通過采取適當(dāng)措施提 高加工精度和質(zhì)量，比如，文獻(xiàn)"Flexible Force Control for Accurate Low-Cost Robot Drilling" (Tomas Olsson， etal.， IEEE International Conference on Robotics and Automation, Roma, 2007: p.4770-4775)提出通過切削力反饋控制的方法將 ABB IRB2400型機(jī)器人應(yīng)用于O4鋁合金的制孔加工中，加工孔的形狀和位置 精度達(dá)至U O.lmm。文獻(xiàn)"High-speed cutting for extruded aluminum alloys using robot" (Shimizu Kazunori， Shinichi Matsuoka, Yamazaki Nobuyuki， Oki Yoshinari， Journal of Japan Institute of Light Metals， 1998,48(12): p.603-607)提出通過使用小 直徑端銑刀和高速電主軸的方法，將鋁合金銑削加工中切削力降低到機(jī)床加工 時的50-70%，而且激振頻率遠(yuǎn)大于機(jī)器人機(jī)械臂自振頻率，減小了切削加工中 機(jī)器人的振動。文獻(xiàn)"End Milling for Articulated Robot Application: 3rd Report, Improvement of Machining Accuracy by Robot Calibration" (Shimse Keiichi, Tanabe Naohisa， Hirao Masatoshi, Yasui Takeshi, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, 1995,61(581): p.259-265)報道了通過機(jī)器人校準(zhǔn)的方法， 提高了關(guān)節(jié)型機(jī)器人應(yīng)用于端銑的加工精度(O.lmm)。文獻(xiàn)"Developmentand control towards a parallel water hydraulic weld/cut robot for machining processes in ITER vacuum vessel" (Huapeng Wu， PekkaPessi， etal.， Fusion Engineering and Design,2005: p.625-631)，提出了并聯(lián)機(jī)器人的方案，利用并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度大、響 應(yīng)速度快和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點設(shè)計了并聯(lián)機(jī)器人，將其應(yīng)用于焊接及水切割 加工中。目前，工業(yè)機(jī)器人的制孔、銑面、鉆鉚、切割等加工方法已經(jīng)在汽車、 航空制造等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
然而，現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人切削加工方法及裝備，功能比較單一，加工精度 一般都在0.1mm左右，并不能滿足現(xiàn)代飛機(jī)裝配中對接處局部輕切削加工的加 工精度要求(比如孔徑達(dá)到0.04mm的精度要求)。
應(yīng)用于飛機(jī)裝配中雷達(dá)罩安裝孔、面加工的機(jī)器人切削加工系統(tǒng)，還未見 技術(shù)層面的報導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工 業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)及方法。
應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人切削加工 裝置、激光跟蹤儀，工業(yè)機(jī)器人切削加工裝置包括操作面板、機(jī)器人控制器、 六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人、靶標(biāo)安裝法蘭、工具快換器、工具裝夾工裝、高 速電主軸，六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人末端依次設(shè)有靶標(biāo)安裝法蘭、工具快換 器、工具裝夾工裝、高速電主軸。
所述六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人由機(jī)器人控制器進(jìn)行驅(qū)動和控制，操作面 板和機(jī)器人控制器之間進(jìn)行通訊，進(jìn)行機(jī)器人切削加工流程控制和狀態(tài)監(jiān)控。 對機(jī)器人工具抓取、切削加工定位的初始路徑、路徑規(guī)劃及機(jī)器人運動指令的 生成,在操作面板上設(shè)有專門的離線編程系統(tǒng)，將從CAD/CAM系統(tǒng)輸出的APT 源文件轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的運動指令。
所述靶標(biāo)安裝法蘭周向上均勻地分布著6個靶標(biāo)安裝孔，針對機(jī)器人不同 末端位姿的測量，選定不同的安裝孔安裝至少3個激光跟蹤儀靶標(biāo)。工具快換 器由機(jī)器人端和工具端兩部分組成，由氣動控制兩部分的連接與分離完成工具 頭的自動抓取。工具裝夾工裝和安裝于機(jī)器人末端法蘭的工具快換器通過十字 鍵相連接，工具裝夾工裝設(shè)有上下兩個夾緊面，將高速電主軸夾緊于工具裝夾 工裝中心空腔，并通過止口進(jìn)行定位。
所述激光跟蹤儀，對機(jī)器人末端的位姿進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對機(jī)器 人切削加工工作位姿進(jìn)行校正。
應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工方法是對鋁合金航空材料進(jìn)行
鉆孔、擴(kuò)孔、锪窩、銑面、切割多種切削加工，采用4000rpm 12000rpm高速 切削技術(shù)，抑制加工切削力對機(jī)器人的影響，通過先鉆孔，再銑擴(kuò)孔，最后鉸 孔的工藝方法和制孔過程，提高制孔孔徑精度和表面光潔度，加工平面時，通 過先粗銑、再精銑工藝，精銑切深不超過0.15mm，可以保證加工平面的平面度 達(dá)到0.05mm/200mmX200mm平面。
本發(fā)明可以實現(xiàn)對鋁合金等軟金屬進(jìn)行制孔(鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔)、锪窩、 銑面、切割等多種切削加工功能。整個系統(tǒng)可應(yīng)用于飛機(jī)自動化、柔性裝配生 產(chǎn)線中，完成飛機(jī)裝配中對接面的局部精加工如雷達(dá)罩安裝孔面的精加工、蒙 皮切割等作業(yè)任務(wù)。
本發(fā)明使用普通的工業(yè)機(jī)器人及高速電主軸，即可實現(xiàn)切削加工功能及達(dá) 到加工精度要求，且可以實現(xiàn)多種切削加工功能。


圖1為本發(fā)明實施例工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)的構(gòu)成圖2為本發(fā)明實施例的一個組成部分靶標(biāo)安裝法蘭；
圖3為本發(fā)明實施例的一個組成部分工具快換器的結(jié)構(gòu)圖4 (a)為本發(fā)明實施例的組成部分工具裝夾工裝主視圖4 (b)為本發(fā)明實施例的組成部分工具裝夾工裝左視圖5為切削加工離線編程系統(tǒng)；
圖6為本發(fā)明實施例所加工出的弧形鋸齒蒙皮；
圖中操作面板l、機(jī)器人控制器2、六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人3、靶標(biāo) 安裝法蘭4、工具快換器5、工具裝夾工裝6、高速電主軸7、激光跟蹤儀8、工 具快換器機(jī)器人端9、工具快換器工具端IO。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明。本實施例工業(yè)機(jī)器人切削加 工系統(tǒng)，是依前述方案實現(xiàn)的。
如圖1所示，應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī) 器人切削加工裝置、激光跟蹤儀8，工業(yè)機(jī)器人切削加工裝置包括操作面板l、 機(jī)器人控制器2、六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人3、靶標(biāo)安裝法蘭4、工具快換器 5、工具裝夾工裝6、高速電主軸7，六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人3末端依次設(shè) 有靶標(biāo)安裝法蘭4、工具快換器5、工具裝夾工裝6、高速電主軸7。
六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人3為ABB IRB6600型工業(yè)機(jī)器人，由ABB IRC5
型機(jī)器人控制器2進(jìn)行驅(qū)動和控制。操作面板1和機(jī)器人控制器2之間進(jìn)行通 訊，進(jìn)行機(jī)器人切削加工流程控制和狀態(tài)監(jiān)控。
圖2示出的是與機(jī)器人末端(法蘭)相連接的靶標(biāo)安裝法蘭4的示例。靶 標(biāo)安裝法蘭4與工業(yè)機(jī)器人3末端法蘭通過沉頭螺釘和定位銷相連接，用于安 裝激光跟蹤儀靶標(biāo)。靶標(biāo)安裝法蘭4周向上均勻地分布著6個<D8的靶標(biāo)安裝孔。 針對機(jī)器人3不同末端位姿的測量，選定不同的安裝孔安裝至少3個激光跟蹤 儀靶標(biāo)，使得激光跟蹤儀8可以測得機(jī)器人3末端的位姿，并根據(jù)檢測結(jié)果對 機(jī)器人初始加工工作位姿進(jìn)行校正，以得到最終的機(jī)器人切削加工軌跡。
如圖3所示，工具快換器5由機(jī)器人端9和工具端10兩部分組成， 一端與 靶標(biāo)安裝法蘭4相連，另一端和工具裝夾工裝6相連接，均采用沉頭螺釘和定 位銷的連接方式。工具快換器5由氣動控制其兩部分機(jī)器人端9和工具端10的 連接與分離，實現(xiàn)工具頭——高速電主軸7的自動抓取。
圖4示出的是工具裝夾工裝6的示例。工具裝夾工裝6和安裝于機(jī)器人3 末端法蘭的工具快換器5通過十字鍵相連接，工具裝夾工裝6設(shè)有上下兩個夾 緊面，將高速電主軸7夾緊于工具裝夾工裝6中心空腔，并通過止口進(jìn)行定位。 安裝于工具裝夾工裝6的高速電主軸7，可以裝夾鉆頭、锪鉆、銑刀、鉸刀等刀 具，進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩、銑面、切割等切削加工。
如圖5所示，對機(jī)器人工具抓取、切削加工作業(yè)定位的初始路徑、路徑規(guī) 劃及機(jī)器人運動指令的生成，在操作面板1上設(shè)有專門的離線編程系統(tǒng)，將從 CAD/CAM系統(tǒng)輸出的APT刀位源文件轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的運動指令，同時考慮機(jī) 器人工具抓取、切削加工定位過程中和工裝、工件及其他周圍設(shè)備的干涉問題， 對機(jī)器人運動路徑進(jìn)行規(guī)劃和修正，并通過運動學(xué)仿真檢驗機(jī)器人工具抓取、 定位運動軌跡的正確性及有無干涉、碰撞。
工業(yè)機(jī)器人切削加工離線編程系統(tǒng)主要包括APT刀位源文件生成、代碼轉(zhuǎn) 換和軌跡仿真三個功能模塊。其中，APT刀位源文件生成的CAM模塊具有對鋁 合金等航空材料進(jìn)行制孔(鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔)、锪窩、銑面、切割多種切削的 加工方法。代碼轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)APT刀位源文件向機(jī)器人運動指令的轉(zhuǎn)換，由APT 文件數(shù)據(jù)提取、APT文件格式分析、坐標(biāo)變換及刀具補(bǔ)償、機(jī)器人控制點求解、 代碼轉(zhuǎn)換及存儲五部分組成。加工軌跡仿真模塊主要用于機(jī)器人切削加工軌跡 的校驗，由機(jī)器人三維建模和切削加工軌跡仿真兩部分組成。
在實際切削加工前，需要根據(jù)理論數(shù)學(xué)模型和加工要求，由離線編程系統(tǒng) 生成機(jī)器人控制點TCP初始加工軌跡，經(jīng)激光跟蹤儀8進(jìn)行位姿校正后得到最
終的加工軌跡。位姿校正時，機(jī)器人3進(jìn)行預(yù)定位，機(jī)器人控制器2與激光跟 蹤儀8建立閉環(huán)系統(tǒng)，由激光跟蹤儀8檢測機(jī)器人3是否到達(dá)工作位姿。當(dāng)機(jī) 器人3按離線編程生成的示教程序運動到指定位置時，激光跟蹤儀8對其位姿 進(jìn)行監(jiān)測，如果位姿偏差大于指定容差，機(jī)器人3按照激光跟蹤儀8反饋數(shù)據(jù) 進(jìn)行補(bǔ)償并記錄，以保證機(jī)器人3切削加工時達(dá)到正確的工作位姿。
切削加工時，根據(jù)校正的作業(yè)程序，工業(yè)機(jī)器人3從Home位姿(根據(jù)安 全作業(yè)位置及作業(yè)范圍設(shè)定)出發(fā)，運動到工具抓取位姿，由工具快換器5實 現(xiàn)自動抓取工具——高速電主軸7，并回到Home位姿，人工進(jìn)行裝刀或換刀， 然后機(jī)器人從Home位姿出發(fā)，運動到加工位姿進(jìn)行切削加工。
關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人，由于剛性不足，如果切削時產(chǎn)生的切削力比較大，必 然會產(chǎn)生振動、讓刀、路徑偏移，導(dǎo)致加工精度不高。針對這一問題，應(yīng)用于 飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工方法對鋁合金航空材料進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、 锪窩、銑面、切割多種切削加工，采取的技術(shù)方案是采用4000rpm 12000rpm 高速切削技術(shù)，抑制加工切削力對機(jī)器人的影響；通過先鉆孔，再銑擴(kuò)孔，最 后鉸孔的工藝方法和制孔過程，提高制孔孔徑精度(①10孔孔徑精度可達(dá)到 0.04mm)和表面光潔度，同時精加工時使用鉸孔也減小了切削力；加工平面時， 通過先粗銑、再精銑工藝，精銑切深不超過0.15mm，可以保證加工平面的平面 度(銑208mmX208mm平面，平面度可達(dá)到0.05mm)。
使用本發(fā)明的實施例，整個切削加工過程按照如下的步驟進(jìn)行
首先，將靶標(biāo)安裝法蘭4和工具快換器5機(jī)器人端9依次安裝于工業(yè)機(jī)器 人3末端法蘭；將工具快換器5工具端10和工具裝夾工裝6相連接，裝夾高速 電主軸7，并置于事先設(shè)定的工具擺放位置。
第二步是，工業(yè)機(jī)器人3按照工具抓取示教程序，從Home位姿(根據(jù)安 全作業(yè)位置及作業(yè)范圍設(shè)定)出發(fā)，運動到工具抓取位姿，由氣動控制工具快 換器5的機(jī)器人端9和工具端10進(jìn)行連接，自動抓取裝夾于工具裝夾工裝6的 高速電主軸7，并回到Home位姿。
第三步是，工業(yè)機(jī)器人3按照離線編程生成的初始加工軌跡，從Home位 姿出發(fā)，運動到切削加工作業(yè)位姿，進(jìn)行預(yù)定位，在靶標(biāo)安裝法蘭4上選定不 同的安裝孔安裝至少3個激光跟蹤儀耙標(biāo)(安裝于激光跟蹤儀8能夠檢測到的 位置)，由激光跟蹤儀8對機(jī)器人3末端的位姿進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果對機(jī) 器人加工工作位姿進(jìn)行校正，以生成最終的機(jī)器人切削加工軌跡。
第四步是，工業(yè)機(jī)器人3回到Home位姿，由人工在高速電主軸7上裝夾
相應(yīng)的切削加工刀具(比如可以裝夾鉆頭、锪鉆、銑刀、鉸刀等刀具，以進(jìn)行 鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩、銑面、切割等切削加工)。
最后一步是，工業(yè)機(jī)器人3運行經(jīng)過位姿校正的作業(yè)程序，進(jìn)行切削加工。 圖6示出的為本實施例應(yīng)用于實際的切削加工，所銑切出的弧形鋸齒蒙皮。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)，其特征在于包括工業(yè)機(jī)器人切削加工裝置、激光跟蹤儀(8)，工業(yè)機(jī)器人切削加工裝置包括操作面板(1)、機(jī)器人控制器(2)、六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人(3)、靶標(biāo)安裝法蘭(4)、工具快換器(5)、工具裝夾工裝(6)、高速電主軸(7)，六軸關(guān)節(jié)型串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人(3)末端依次設(shè)有靶標(biāo)安裝法蘭(4)、工具快換器(5)、工具裝夾工裝(6)、高速電主軸(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工 系統(tǒng)，其特征在于，所述靶標(biāo)安裝法蘭(4)周向上均勻地分布著6個靶標(biāo)安裝 孔，針對機(jī)器人不同末端位姿的測量，選定不同的安裝孔安裝至少3個激光跟 蹤儀耙標(biāo)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工 系統(tǒng)，其特征在于，所述工具快換器(5)由機(jī)器人端(9)和工具端(10)兩 部分組成，由氣動控制兩部分的連接與分離完成工具頭的自動抓取。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工 系統(tǒng)，其特征在于，所述工具裝夾工裝(6)和安裝于機(jī)器人末端法蘭的工具快 換器(5)通過十字鍵相連接，工具裝夾工裝(6)設(shè)有上下兩個夾緊面，將高 速電主軸(7)夾緊于工具裝夾工裝(6)中心空腔，并通過止口進(jìn)行定位。
5. —種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切 削加工方法，其特征在于，對鋁合金航空材料進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、锪窩、銑面、 切割多種切削加工，采用4000rpm 12000rpm高速切削技術(shù)，抑制加工切削力 對機(jī)器人的影響，通過先鉆孔，再銑擴(kuò)孔，最后鉸孔的工藝方法和制孔過程， 提高制孔孔徑精度和表面光潔度，加工平面時，通過先粗銑、再精銑工藝，精 銑切深不超過0.15mm，可以保證加工平面的平面度達(dá)到0.05mm/200mmX 200mm平面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于飛機(jī)輔助裝配的工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)及方法。包括六軸關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人控制器，操作面板、高速電主軸，工具裝夾工裝，工具快換器，靶標(biāo)安裝法蘭和激光跟蹤儀。采用高速切削技術(shù)，通過先鉆孔，再銑擴(kuò)孔，最后鉸孔的工藝方法和制孔過程，提高制孔孔徑精度，同時采用精加工鉸孔也可控制切削力；通過先粗銑、再精銑，且精銑時切深不超過0.15mm，可保證加工平面的平面度。利用這種工業(yè)機(jī)器人切削加工系統(tǒng)可實現(xiàn)鋁合金等軟金屬鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔、锪窩、銑面、切割等多種切削加工。本發(fā)明集成普通工業(yè)機(jī)器人、高速電主軸及快換工具等，可解決飛機(jī)裝配領(lǐng)域雷達(dá)罩安裝孔面的精加工、蒙皮切割等作業(yè)任務(wù)中的切削加工問題。
文檔編號B23Q1/00GK101372079SQ20081012135
公開日2009年2月25日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者剛 劉, 姚寶國, 楊衛(wèi)東, 柯映林, 秦龍剛, 董輝躍, 賈叔仕 申請人:浙江大學(xué);成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司