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飞机柔性装配自动化钻孔控制技术研究

作　者: 戴家隆
导　师: 沈建新
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 飞机装配工业机器人 EtherCAT PLC 自动化钻孔
分类号: V262.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

飞机制造水平不仅体现了一个国家工业发展水平，也是国家综合技术实力的体现。随着我国大飞机发展战略的深入以及现代飞机制造需求使得传统手工钻铆加工制造工艺面临更新换代的挑战，迫切需要一种更为高效、高质量的自动化加工方案。随着机电技术、控制技术、计算机等技术的发展，自动化钻铆技术替代传统人工钻铆技术已经成为一种趋势。基于机器人的飞机柔性装配技术是实现自动化钻铆技术的最具发展的前沿技术之一，它具有柔性度高、成本相对较低等特点，越来越受到各大飞机制造企业的关注。基于机器人的飞机柔性装配技术主要包括：机器人标定技术、精度补偿技术、离线编程技术、集成控制技术等，而集成控制技术是机器人实现柔性装配动作的关键技术，它涉及了机器人控制、末端执行机构的控制、地轨上第七轴的控制以及系统中如法向检测、深度检查及众多传感器等各类硬件控制等，最终按照机器人离线编程的指令实现满足飞机装配要求的钻铆功能。本论文以**飞机制造公司飞机小翼部件离线编程与控制软件开发项目为背景，围绕基于机器人装配自动化钻孔中的集成控制技术为核心展开研究，着重研究多传感器、多智能体、多任务系统协同控制等关键技术，论文主要研究内容有：（1）对飞机柔性装配自动化钻孔系统进行总体设计。在分析控制系统组成的基础上，规划了控制系统的流程，实现硬件组态设计和软件系统架构，设计第七轴地轨、末端执行器、激光跟踪仪的控制方案。（2）研究末端执行器系统控制技术。采用基于TwinCAT的软PLC和EtherCAT现场总线相结合的网络化控制方案,实现飞机柔性装配自动钻孔系统控制任务。（3）提出分站式耦合第七轴的工业机器人控制技术。研究机器人外部自动化控制技术，采用分站式控制原理，实现对机器人第七轴局部全闭环高精度定位控制，满足大机翼装配时的精度要求。（4）在研究上述控制技术的基础上，开发自动化钻孔系统的控制软件。完成控制系统软件流程规划、精度补偿包设计、运动控制等核心模块开发工作。与离线编程软件等一起协同工作，机器人空间绝对定位精度<0.5mm,制孔精度达H8，制孔节拍3~4个/min，经实验室和用户单位的初步应用，基本满足了自动钻孔的需求,达到预期目标。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-14
第一章绪论  14-23
  1.1 研究背景与意义  14-15
  1.2 工业机器人及其应用研究现状分析  15-16
  1.3 自动化钻孔控制技术研究现状分析  16-21
    1.3.1 国外研究现状分析  16-19
    1.3.2 国内研究现状分析  19-21
  1.4 论文结构与主要研究内容安排介绍  21-23
第二章飞机柔性装配自动化钻孔控制系统总体设计  23-37
  2.1 飞机柔性装配自动钻孔系统组成及工作流程规划  23-24
    2.1.1 飞机柔性装配自动钻孔系统组成  23
    2.1.2 飞机柔性装配自动钻孔控制系统流程规划  23-24
  2.2 飞机柔性装配自动化钻孔控制系统方案设计  24-26
    2.2.1 飞机柔性装配自动化钻孔控制系统硬件组态  24-25
    2.2.2 飞机柔性装配自动化钻孔系统控制软件框架设计  25-26
  2.3 工业机器人及第七轴地轨系统分析  26-31
    2.3.1 机器人基本几何参数  27-29
    2.3.2 KUKA 机器人控制系统与外部接口  29-31
  2.4 末端执行器控制系统方案设计  31-35
    2.4.1 TwinCAT 控制系统分析与设计  33-34
    2.4.2 末端执行器伺服系统分析  34-35
  2.5 API 激光跟踪仪系统分析  35-36
    2.5.1 API 激光跟踪仪硬件系统分析  35-36
    2.5.2 激光跟踪仪测量原理与应用  36
  2.6 本章小结  36-37
第三章飞机柔性装配自动钻孔末端执行器控制系统设计  37-50
  3.1 末端执行器系统组成及工作流程  37-39
    3.1.1 末端执行器系统组成与原理  37-38
    3.1.2 末端执行器系统工作流程  38-39
  3.2 末端执行器进给伺服系统设计  39-42
    3.2.1 进给伺服系统稳态设计  39-41
    3.2.2 进给伺服系统动态设计  41-42
  3.3 末端执行器伺服系统控制  42-49
    3.3.1 末端执行器控制系统建模  43-45
    3.3.2 钻孔电主轴恒压频比控制  45-49
  3.4 本章小结  49-50
第四章耦合第七轴的工业机器人控制技术  50-65
  4.1 工业机器人控制  50-55
    4.1.1 自动换刀控制技术  50-51
    4.1.2 机器人外部自动控制技术  51-55
  4.2 耦合机器人第七轴精确定位控制技术  55-60
    4.2.1 定位控制系统结构分析  56-57
    4.2.2 传感器位置检测方法  57-60
    4.2.3 机器人第七轴闭环位置控制系统分析  60
  4.3 机器人第七轴实验验证及定位误差分析  60-63
    4.3.1 机器人第七轴精确定位控制实验设计与验证  60-63
    4.3.2 机器人第七轴平台定位误差分析  63
  4.4 本章小结  63-65
第五章飞机柔性装配自动钻孔控制系统软件开发  65-81
  5.1 控制软件模块组成与工作流程  65-69
    5.1.1 数控加工代码处理模块  65-66
    5.1.2 末端执行器控制模块  66-67
    5.1.3 数据库管理模块设计  67
    5.1.4 控制软件精度补偿模块  67-69
  5.2 工业机器人以太网通信接口开发  69-76
    5.2.1 机器人以太网接口通信原理  70-72
    5.2.2 机器人以太网通信实验设计  72-75
    5.2.3 机器人以太网通信实验验证  75-76
  5.3 TwinCAT 通信接口开发  76-78
    5.3.1 TwinCAT 原理  76-77
    5.3.2 TwinCAT ADS 通信接口开发  77-78
  5.4 飞机柔性装配钻孔系统钻孔验证实验  78-80
  5.5 本章小结  80-81
第六章研究总结与展望  81-83
  6.1 研究工作总结  81
  6.2 后续研究展望  81-83
参考文献  83-86
致谢  86-87
在学期间的研究成果及发表的学术论文  87

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