CN101357687B - 一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***。包括：在飞机机身移动平台两侧对称布局分布的十字移动平台、工业机器人、工具库、随行升降操作台和压紧机构，以及安装于机器人末端法兰的靶标安装法兰和工具快换装置。十字移动平台，包括上下两层平台，可以沿飞机航向和翼展方向移动。可移动式工业机器人在零位时面向飞机机身，工具库则位于机器人后侧。作业工具按编码悬挂于工具库中，并由工具快换装置实现工具的自动更换。整个***由机器人操作站进行作业流程控制和状态监控，可应用于飞机自动化、柔性装配生产线中，完成***件取件、定位，部分对合面的制孔、铣平面，测量点打制等辅助装配作业任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***。
背景技术
飞机装配涉及的产品尺寸大、形状复杂、零件及连接件数量多，而且装配过程复杂，劳动量大。目前，世界上航空业发达国家的飞机装配技术已从简单机械化、自动化装配转向数字化、柔性化装配，柔性装配是飞机装配技术的重要发展方向。工业机器人由于其高度的柔性、较小的安装空间需求和可编程控制等特点已逐渐扩大其在飞机柔性装配***中的应用，比如对铝合金零部件进行对接处局部轻切削加工、装配过程中的取件与定位、***件安装等辅助装配工作。将工业机器人应用于飞机大部件调姿对合装配***，让工业机器人完成大量、重复、繁杂的现场局部修配加工、钻铆任务是机器人应用的一个新兴发展方向。
工业机器人应用于飞机装配领域具有成本低、自动化程度高、柔性好、安装空间小等优点，能方便地实现工具头在空间的各种位姿(位置和姿态)，可以满足自由曲面法向钻孔等复杂作业要求，而且利用工业机器人还可以完成多项不同的作业任务，比如飞机辅助装配(取件、定位)、钻铆加工、***件搬运和定位等。
基于工业机器人的飞机装配自动钻铆技术备受关注，美国专利US6,505,393B2公开了一种应用于飞机机身铆接的装置和方法，提出使用工业机器人进行飞机装配辅助铆接。文献“Robot assists in airplane drilling and fastening”(Rosier Dan，Robotics World，1985，3(5)：p.24-26)，“Human-robot interaction in anaircraft wing drilling system”(Ching-torng Lin，Mao-jiun Wang，International Journalof Industrial Ergonomics，1999：p.83-94)，“Automatic riveting cell for commercialaircraft floor grid assembly”(Roche Nigel R.，Aerospace Engineering(Warrendale，Pennsylvania)，1995，15(1)：p.7-10)，“Robotics seeks its role in aerospace”(Anon，Manufacturing Engineering，2007，Oct，139(4))等都报导了基于工业机器人的飞机装配技术，但主要集中在自动钻孔、铆接等作业环节。
与数控机床相比，工业机器人应用于切削加工领域尽管存在刚性不足、关节之间有一定间隙等缺点，但是对于加工精度要求不是很高的应用场合，仍可通过采取适当措施满足不同的加工应用要求，文献“End Milling for ArticulatedRobot Application：3rd Report，Improvement of Machining Accuracy by RobotCalibration”(Shirase Keiichi，Tanabe Naohisa，Hirao Masatoshi，Yasui Takeshi，Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers，1995，61(581)：p.259-265)报道了通过机器人校准的方法，提高了关节型机器人应用于端铣的加工精度(0.1mm)。文献“High-speed cutting for extruded aluminum alloys usingrobot”(Shimizu Kazunori，Shinichi Matsuoka，Yamazaki Nobuyuki，Oki Yoshinari，Journal of Japan Institute of Light Metals，1998，48(12)：p.603-607)提出通过使用小直径端铣刀和高速电主轴的方法，将铝合金铣削加工中切削力降低到机床加工时的50-70％，而且激振频率远大于机器人机械臂自振频率，减小了切削加工中机器人的振动。
然而，现有技术的工业机器人作业***往往任务单一或较少。飞机大部件调姿对合装配工艺过程复杂，劳动量大，如何增加工业机器人作业***的功能使其取代工人完成更多的任务是改进产品质量、提高生产效率、降低成本和劳动强度的一个关键问题。另一方面，飞机大部件调姿对接装配***中集成的设备非常多，导致各设备的安装空间紧张，如何将必须的设备以最紧凑的方式集成安装在同一装配平台上，也是一个需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述飞机装配中的技术难题及尽可能地发挥***各组成部分的功能和作用，提供一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***。
基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***包括左辅助装配装置、机身移动平台、右辅助装配装置，左辅助装配装置包括左机器人工具库、左十字移动平台上平台、左十字移动平台下平台、左工业机器人、机身左压紧机构、左随行升降操作台、左靶标安装法兰、左工具快换装置，在左十字移动平台下平台上设有左十字移动平台上平台，左十字移动平台上平台上设有左工业机器人、左机器人工具库，在左工业机器人旁设有机身左压紧机构、左随行升降操作台，在左工业机器人末端设有左靶标安装法兰、左工具快换装置，右辅助装配装置包括右十字移动平台下平台、右工业机器人、右十字移动平台上平台、右机器人工具库、右靶标安装法兰、右工具快换装置、右压紧机构、右随行升降操作台，在右十字移动平台下平台上设有右十字移动平台上平台，右十字移动平台上平台上设有右工业机器人、右机器人工具库，在右工业机器人旁设有机身右压紧机构、右随行升降操作台，在右工业机器人末端设有右靶标安装法兰、右工具快换装置。
所述的工业机器人为六轴关节型串联机器人。
机器人工具库内设有多个隔间，隔间内按编码悬挂有***件、加工工具头或打点头作业工具。***件、加工工具头和打点头作业工具分别通过快速连接的接口与工具快换装置相连接。
随行升降操作台布置在机身压紧机构和工业机器人之间，随行升降操作台载人一侧朝向机器人，且与机器人之间的距离为0.5～0.8米。随行升降操作台，可以升降及向靠近/远离机身方向移动，为操作工人提供机器人操作站操作、***件安装等作业支撑平台。
压紧机构设有带橡胶垫的弧形卡板，由液压缸驱动夹紧机身，可以在机身对合和精加工时起辅助抱紧作用。
工具快换装置由锁紧端和接口端两部分组成，其中锁紧端始终与靶标法兰相连，每个作业工具连接一个接口端，由气动控制两部分的连接与分离，实现工具头的自动抓取和更换。当作业任务改变时，由机器人通过工具快换装置自动更换作业工具。
靶标安装法兰与机器人末端法兰相连接，周向上均匀地分布着6个靶标安装孔，针对机器人不同末端位姿，选定不同的安装孔安装至少三个激光跟踪仪靶标，使得激光跟踪仪可以测得机器人末端的位姿并给出调整方向，以对作业位姿进行校正。
十字移动平台，分上下两层平台，可以沿飞机航向(Y-向)和翼展方向(X-向)移动。十字移动平台的两层平台均由电机驱动，光栅尺作为测量反馈装置。
整个***由机器人操作站进行作业流程控制和状态监控，可集成于飞机自动化、柔性装配生产***中，完成***件取件、定位，部分对合面的制孔、铣平面，测点打制等作业任务，并由整个装配生产线的主控中心进行统一调度。
本发明充分发挥机器人的优势和特点，实现多种飞机辅助装配作业功能，包括***件安装，飞机水平测量点打制，雷达罩安装孔面加工等辅助安装及切削加工功能，一机多能，高度集成。此外，工业机器人的移动式安装布局，使其具有更大的作业空间和范围，保证了飞机装配***总体布局的结构紧凑性和作业空间开敞性。
附图说明
图1为基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***的结构主视图；
图2为基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***的结构俯视图；
图3(a)为本发明实施例的一个组成部分靶标安装法兰主视图；
图3(b)为本发明实施例的一个组成部分靶标安装法兰侧视图；
图4为本发明实施例的一个组成部分工具库的结构主视图；
图5为本发明实施例的一个组成部分工具快换装置的结构图；
图6为压紧机构的结构图；
图中：左机器人工具库1、左十字移动平台上平台2、左十字移动平台下平台3、左工业机器人4、机身移动平台5、右十字移动平台下平台6、右工业机器人7、右十字移动平台上平台8、右机器人工具库9、机身左压紧机构10、左随行升降操作台11、左靶标安装法兰12、左工具快换装置13、右靶标安装法兰14、右工具快换装置15、右压紧机构16、右随行升降操作台17、工具快换装置接口端18、工具快换装置锁紧端19、弧形卡板20、液压缸21。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施进行详细说明。
如图1、2所示，基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***包括左辅助装配装置、机身移动平台5、右辅助装配装置，左辅助装配装置包括左机器人工具库1、左十字移动平台上平台2、左十字移动平台下平台3、左工业机器人4、机身左压紧机构10、左随行升降操作台11、左靶标安装法兰12、左工具快换装置13，在左十字移动平台下平台3上设有左十字移动平台上平台2，左十字移动平台上平台2上设有左工业机器人4、左机器人工具库1，在左工业机器人4旁设有机身左压紧机构10、左随行升降操作台11，在左工业机器人4末端设有左靶标安装法兰12、左工具快换装置13，右辅助装配装置包括右十字移动平台下平台6、右工业机器人7、右十字移动平台上平台8、右机器人工具库9、右靶标安装法兰14、右工具快换装置15、右压紧机构16、右随行升降操作台17，在右十字移动平台下平台6上设有右十字移动平台上平台8，右十字移动平台上平台8上设有右工业机器人7、右机器人工具库9，在右工业机器人7旁设有机身右压紧机构16、右随行升降操作台17，在右工业机器人7末端设有右靶标安装法兰14、右工具快换装置15。
工业机器人为六轴关节型串联机器人。
十字移动平台分上下两层平台，可以沿飞机航向(Y-向)和翼展方向(X-向)移动。十字移动平台的两层平台均由电机驱动，光栅尺作为测量反馈装置。
十字移动平台、工业机器人、工具库、随行升降操作台及压紧机构在飞机机身移动平台左右两侧对称布局，移动式工业机器人在零位时面向飞机机身站位，工具库位于机器人后侧。左右侧的作业机构分别完成各自一侧的飞机辅助装配作业任务。
如图3所示，靶标安装法兰周向上均匀地分布着6个靶标安装孔，针对机器人不同末端位姿的测量，选定不同的安装孔安装至少三个激光跟踪仪靶标，使得激光跟踪仪可以测出机器人末端的位姿并给出调整方向，以对作业位姿进行校正。机器人作业时，由跟踪仪检测机器人是否到达工作位姿，如果位姿偏差大于指定容差，机器人按照跟踪仪反馈数据进行补偿，以保证机器人作业工具具有正确的作业位姿。
图4示出的为本发明实施例的一个组成部分机器人工具库。工具库设有多个隔间，隔间内按编码悬挂有***件、加工工具头、打点头等作业工具。***件、加工工具头和打点头作业工具分别通过快速连接的接口与工具快换装置相连接。
图5示出的为本发明实施例的一个组成部分工具快换装置的结构图。工具快换装置连接在靶标安装法兰和作业工具之间，由锁紧端19和接口端18两部分组成，由气动控制两部分的连接与分离，实现工具头的自动抓取和更换。工具快换装置锁紧端19始终与靶标安装法兰相连，每个作业工具均通过法兰与一个工具快换装置接口端18连接，并按编码悬挂于工具库中。当作业任务改变时，由机器人通过工具快换装置自动更换作业工具。工具快换装置带有一套可靠自锁装置和自动对接装置，能承受一定的重量，并且能够自动接通电信号和压缩空气等。
图6示出的为压紧机构的结构图。压紧机构在靠近机身一侧设有一个带橡胶垫的弧形卡板20，由液压缸21驱动向机身一侧运动，夹紧机身上的隔框，可以在机身对合和精加工时起辅助抱紧作用。当平台固定不动并锁紧时，压紧机构和随行升降操作台都在垂直航向的平面内运动。当执行不同作业任务时，它随着机器人一起移动定位。
随行升降操作台布置在机身压紧机构和工业机器人之间，随行升降操作台载人一侧朝向机器人，且与机器人之间的距离为0.5～0.8米，以提供机器人绕第1轴回转运动所需要的空间，另一侧与压紧机构间的间隙则很小，以保证整个***的结构紧凑。随行移动升降操作台由升降***、伸出***、安全***和控制***四部分组成，可以升降及向靠近/远离机身方向移动，在需要人工操作时将工人输送到适当位置，为操作工人提供机器人操作站操作、***件安装等作业支撑平台。
十字移动平台、压紧机构、随行升降操作台和机器人均由计算机控制，并由主控中心对所有作业过程进行管理与调度。
进行实际的飞机辅助装配作业任务前，机器人控制点TCP的初始运动轨迹，根据理论位置由离线编程***生成，经激光跟踪仪进行位姿校正后得到最终的作业运动轨迹。位姿校正时，机器人进行预定位，机器人控制***与激光跟踪仪建立闭环，由跟踪仪检测机器人是否到达工作位姿。当机器人按离线编程示教程序运动到指定位置时，激光跟踪仪对其位姿进行监测，如果位姿偏差大于指定容差，机器人按照跟踪仪反馈数据进行补偿并生成最终的机器人辅助作业TCP运动轨迹，以保证机器人辅助作业时达到正确的工作位姿。
进行实际的飞机辅助装配作业任务时，根据校正的作业程序，工业机器人从原始点(Home)位姿(根据安全作业位置及作业范围设定)出发，运动到工具抓取位姿，由工具快换装置实现自动抓取工具，并回到Home位姿，如果是进行雷达罩安装孔、面切削加工的作业任务，则人工进行装刀或换刀，然后机器人从Home位姿出发，运动到规定的作业位姿完成飞机辅助装配作业任务。
由于机身本体及其支撑机构的刚性不是很好，在对机身进行精加工时，过大的切削力将使加工过程的平稳性变差。为兼顾加工质量和效率，在开始精加工前，首先将下平台移动到指定站位并锁紧，然后左右两侧的上平台同步运动，使两侧卡板均与机身表面完全接触，再由液压缸驱动卡板对机身上的隔框施加一定大小的夹紧力。
在本实施案例中，基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，被集成应用于飞机自动化、柔性化装配生产线中，主要完成***件取件、定位，部分对合面的制孔、铣平面，测点打制等作业任务。
Claims (8)
1.一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于包括左辅助装配装置、机身移动平台(5)、右辅助装配装置，左辅助装配装置包括左机器人工具库(1)、左十字移动平台上平台(2)、左十字移动平台下平台(3)、左工业机器人(4)、机身左压紧机构(10)、左随行升降操作台(11)、左靶标安装法兰(12)、左工具快换装置(13)，在左十字移动平台下平台(3)上设有左十字移动平台上平台(2)，左十字移动平台上平台(2)上设有左工业机器人(4)、左机器人工具库(1)，在左工业机器人(4)旁设有机身左压紧机构(10)、左随行升降操作台(11)，在左工业机器人(4)末端设有左靶标安装法兰(12)、左工具快换装置(13)，右辅助装配装置包括右十字移动平台下平台(6)、右工业机器人(7)、右十字移动平台上平台(8)、右机器人工具库(9)、右靶标安装法兰(14)、右工具快换装置(15)、机身右压紧机构(16)、右随行升降操作台(17)，在右十字移动平台下平台(6)上设有右十字移动平台上平台(8)，右十字移动平台上平台(8)上设有右工业机器人(7)、右机器人工具库(9)，在右工业机器人(7)旁设有机身右压紧机构(16)、右随行升降操作台(17)，在右工业机器人(7)末端设有右靶标安装法兰(14)、右工具快换装置(15)。
2.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述的工业机器人为六轴关节型串联机器人。
3.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述的机器人工具库内设有多个隔间，隔间内按编码悬挂有***件、加工工具头或打点头作业工具。
4.根据权利要求3所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述的***件、加工工具头和打点头作业工具分别通过快速连接的接口与工具快换装置相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述的随行升降操作台布置在机身压紧机构和工业机器人之间，随行升降操作台载人一侧朝向机器人，且与机器人之间的距离为0.5～0.8米。
6.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述的工具快换装置由锁紧端(19)和接口端(18)两部分组成，其中锁紧端(19)始终与靶标安装法兰相连，每个作业工具连接一个接口端，由气动控制两部分的连接与分离。
7.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述的压紧机构设有带橡胶垫的弧形卡板(20)，由液压缸(21)驱动夹紧机身。
8.根据权利要求1所述的一种基于工业机器人的多任务飞机辅助装配***，其特征在于所述靶标安装法兰周向上均匀地分布着6个靶标安装孔，针对机器人不同末端位姿的测量，选定不同的安装孔安装至少三个激光跟踪仪靶标。
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