摘 要：為促進(jìn)航空航天領(lǐng)域機(jī)器人自動鉆孔技術(shù)的研究，本文介紹了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展，概述與總結(jié)了機(jī)器人鉆孔離線編程、終端執(zhí)行器、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)所包涵的核心思想及算法，梳理了研究中存在的問題和可能的解決方案，探討了各關(guān)鍵技術(shù)對機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，最后在總結(jié)研究成果與分析的基礎(chǔ)上對各關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向做出了展望。

　　關(guān)鍵詞：離線編程;終端執(zhí)行器;系統(tǒng)誤差補(bǔ)償;自動鉆孔系統(tǒng);機(jī)器人;鉆孔路徑規(guī)劃;冗余度求解;壓腳壓緊力反饋;法向監(jiān)測

　　早期在機(jī)器人技術(shù)尚未得到廣泛應(yīng)用之前，飛機(jī)各部件的鉆孔方式主要以手工和大型數(shù)控機(jī)床為主[1]。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)器人自動鉆孔為核心的高端制造成為了飛機(jī)各部件連接孔最高效的加工方式之一，其與傳統(tǒng)的手工鉆孔相比具有柔度高、鉆鉚質(zhì)量高、鉆孔效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了孔加工過程中材料廢屑對人體健康的危害[2]。機(jī)器人自動鉆孔具有很多優(yōu)點(diǎn)，但鉆孔過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)不能得以突破與保證，孔的質(zhì)量就難以保障，將直接影響連接的疲勞壽命。

　　據(jù)波音公司對鈦合金螺栓的連接疲勞壽命進(jìn)行實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)緊固件沿外載荷作用方向傾斜大于2°時(shí)，疲勞壽命降低約 47%，傾斜大于 5°時(shí)，疲勞壽命降低 95%[3]。70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效由其結(jié)構(gòu)件連接失效造成，結(jié)構(gòu)件相互之間以孔連接為主，因此，鉆孔質(zhì)量對飛機(jī)壽命具有至關(guān)重要的影響[4]。機(jī)器人自動鉆孔關(guān)鍵技術(shù)作為保障鉆孔質(zhì)量的核心，其中關(guān)鍵技術(shù)主要涉及機(jī)器人鉆孔離線編程、鉆孔終端執(zhí)行器、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)龋�突破這幾種關(guān)鍵技術(shù)的壁壘，保障鉆孔的高效與質(zhì)量是確保航空制造領(lǐng)域快速發(fā)展的首要任務(wù)。機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)主要由機(jī)器人、鉆孔終端執(zhí)行器以及控制系統(tǒng)組成，工作時(shí)機(jī)器人按預(yù)先編好的軌跡進(jìn)行鉆削加工，在補(bǔ)償鉆孔系統(tǒng)誤差的基礎(chǔ)上，機(jī)器人移動至待加工孔位，調(diào)整法向鉆孔位姿，最后壓腳壓緊工件并進(jìn)行鉆孔。

　　在上述過程中，機(jī)器人離線編程技術(shù)中的鉆孔路徑規(guī)劃與冗余機(jī)器人求解是離線編程技術(shù)的難點(diǎn)，終端執(zhí)行器技術(shù)中壓緊單元壓緊工件提高鉆孔系統(tǒng)剛度和法矢檢測提高鉆孔垂直度等是保證鉆孔質(zhì)量的關(guān)鍵，系統(tǒng)誤差補(bǔ)償技術(shù)中離線補(bǔ)償機(jī)器人絕對定位誤差或在線補(bǔ)償機(jī)器人鉆孔定位誤差是確保鉆孔位置精度的核心。本文基于我國航空工業(yè)機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和需求，結(jié)合國內(nèi)外機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)典型案例，提煉出以機(jī)器人鉆孔離線編程、終端執(zhí)行器、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償為核心的關(guān)鍵技術(shù)，針對各關(guān)鍵技術(shù)研究中依舊存在的問題，提出可能解決問題的方案，探討各關(guān)鍵技術(shù)對機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響,最后在總結(jié)與分析研究成果的基礎(chǔ)上展望其未來的發(fā)展趨勢。

　　1 機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)研究進(jìn)展

　　隨著航空制造業(yè)的發(fā)展與所需制造產(chǎn)品的多樣化，對機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的多功能性、靈活性、加工范圍等提出了更高的要求。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)等針對機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，提出了許多高精度、高效率、功能更加廣泛的機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)，以適應(yīng)不同加工任務(wù)的生產(chǎn)需求。

　　1.1 國外研究進(jìn)展國外機(jī)器人自動鉆孔技術(shù)相關(guān)研究

　　起源于 20世紀(jì) 50 年代，歷時(shí)多年研究，于 21 世紀(jì)初大規(guī)模應(yīng)用在航空制造領(lǐng)域。2001 年美國 EI 公司為波音公司大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼部位的定位、鉆孔、锪窩、孔位檢測等工作設(shè)計(jì)出一套基于 KUKA 工業(yè)機(jī)器人的自動鉆削系統(tǒng) ONCE[5-8]。該系統(tǒng)的鉆孔位置精度為±0.25mm，滿足航空工業(yè)鉆孔位置精度要求。通用公司為解決機(jī)器人在機(jī)艙內(nèi)部鉆孔過程中空間受限的問題，研制出一款適合在狹窄空間工作的機(jī)器人自動鉆削系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)使用在線視覺反饋技術(shù)對鉆孔定位誤差進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的精度可達(dá)±0.04mm，克服了以往對基準(zhǔn)孔定位精度低的問題，實(shí)現(xiàn)高精度、無毛刺的基礎(chǔ)上達(dá)到每分鐘鉆孔速度 4.5 個(gè)。2008 年瑞典 Novator 公司研發(fā)出一套 OrbitalE-D100 機(jī)器人鉆削系統(tǒng)[10]。

　　該系統(tǒng)通過最優(yōu)壓緊力預(yù)測技術(shù)來控制壓腳作用在工件表面上的壓緊力，可對復(fù)合材料、疊層材料進(jìn)行無毛刺、高精度鉆孔。2009 年，Brotje 公司開發(fā)出一套用于直升機(jī)裝配制造的機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng) RACe[11-12]。該系統(tǒng)引入誤差補(bǔ)償技術(shù)，在離線編程中建立機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型來補(bǔ)償機(jī)器人絕對定位誤差，其鉆孔位置精度為±0.2mm，鉆孔周期 10.25s，是目前世界上性能最佳的機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)之一。2012 年，德國 KUKA 公司與波音公司合作研發(fā)出多機(jī)器人協(xié)同鉆孔系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人在機(jī)艙內(nèi)外協(xié)同作業(yè)，每天可對 60000 個(gè)緊固件進(jìn)行鉆孔且孔位精度可達(dá)±0.35mm，保證高精度鉆孔的同時(shí)極大地提高了零件加工效率[13]。

　　2014年波音公司專門為波音787夢幻客機(jī)的碳纖維復(fù)合材料機(jī)身鉆孔及裝配工作開發(fā)了一套多機(jī)器人協(xié)同工作單元 Quadbots[14]。主要由四臺機(jī)器人同時(shí)在機(jī)身兩側(cè)進(jìn)行鉆孔，在整體工作效率提升30%的同時(shí)鉆孔位置精度±0.013mm，解決了多機(jī)器人協(xié)同控制技術(shù)智能化程度不高的問題。意大利的BC 公司在 2015 年研制出兩臺機(jī)器人組成一個(gè)加工生產(chǎn)單元的自動鉆孔設(shè)備，其終端執(zhí)行器可完成自動涂膠、定位、換刀等工作[15]。

　　該機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)孔徑加工范圍 2mm 至 18mm，克服了系統(tǒng)中終端執(zhí)行器功能單一、集成度低的技術(shù)難題。除此之外，2016 年日本奈良科技研究所[16]研制出一款靈巧便于機(jī)身內(nèi)部鉆孔的高摩擦減振機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)(圖 1(f)),在終端執(zhí)行器前面設(shè)計(jì)出 3個(gè)減振腳，具有良好的減振效果，該系統(tǒng)的鉆孔位置精度為±0.5mm，鉆孔周期為 8s，在 2016 年 ICRA舉辦的國際機(jī)器人競賽中獲得了第一名。2017 年洛馬公司正式推出首款針對碳纖維復(fù)合材料加工的混聯(lián)加工機(jī)器人 Xmini[17]。該機(jī)器人的鉆孔位置精度為 ±0.01mm ， 重 復(fù) 定 位 精 度 小 于0.05mm，加工孔精度可達(dá) IT6，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)制造過程中復(fù)雜零部件結(jié)構(gòu)鉆孔及空間位置高精度的要求。

　　總結(jié)提煉國外機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)研究進(jìn)展，將其按照主要應(yīng)用范圍、解決的主要問題、主要技術(shù)特點(diǎn)、主要性能指標(biāo)四個(gè)方面進(jìn)行分類，如表 1所示。從上述國外機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的研究進(jìn)展來看，早期的機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)雖然滿足加工效率的要求，但由于孔位補(bǔ)償、鉆孔路徑規(guī)劃、冗余機(jī)器人求解等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，導(dǎo)致該系統(tǒng)在精度、效率、質(zhì)量、靈活性等方面有所欠缺。隨著制造業(yè)的發(fā)展與各關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，鉆孔加工范圍由單一化逐漸走向多元化，加工效率、鉆孔質(zhì)量、精度等方面均有較大的提升，鉆孔終端執(zhí)行器集成度高、體積小、多功能可以解決不同加工任務(wù)的問題。此外通過離線的方式補(bǔ)償機(jī)器人絕對定位誤差或在線視覺引導(dǎo)機(jī)器人對基準(zhǔn)孔位識別進(jìn)一步彌補(bǔ)了機(jī)器人自身定位精度低的缺陷。

　　1.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

　　據(jù)報(bào)道國內(nèi)機(jī)器人自動鉆孔技術(shù)相關(guān)研究最早始于上世紀(jì) 70 年代，但世界第一臺機(jī)電驅(qū)動的 6軸機(jī)器人于 1973 年誕生，基于工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用系統(tǒng)尚不成熟，因此，項(xiàng)目暫時(shí)擱淺。隨著智能制造時(shí)代的到來，我國機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的應(yīng)用在2000 年左右起源于各大高校與科研機(jī)構(gòu)。2007-2009 年，北京航空航天大學(xué)與沈飛、沈陽機(jī)床廠共同合作，研制出國內(nèi)第一款機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)，終端執(zhí)行器可完成鉆孔、鉸孔、锪窩與檢測的工作，鉆孔精度為±0.4mm[18]。在滿足對飛機(jī)裝配質(zhì)量要求的同時(shí)，鉆孔效率可達(dá)到每分鐘 4 個(gè)，鉆孔周期比人工鉆孔減少 50%以上[18]。作為國內(nèi)首款機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)，雖然研制出多功能鉆孔終端執(zhí)行器，但核心關(guān)鍵技術(shù)如：鉆孔精度補(bǔ)償、鉆孔路徑規(guī)劃等仍未完全掌握，加工精度、加工效率、終端執(zhí)行器的可靠性與使用壽命等方面仍與國外存在一定差距。2012 年中航工業(yè)成飛公司與西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)出一款針對某機(jī)型機(jī)身壁板頂部的機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)，解決了鉆鉚系統(tǒng)采用固定式定位單元帶來的系統(tǒng)敞開性差、柔性程度低等問題，該系統(tǒng)的鉆孔位置精度為±0.15mm，鉆孔效率每分鐘 3 個(gè)[19-20]。2014 年南京航空航天大學(xué)與成飛合作研制了面向機(jī)翼部件裝配的智能柔性化鉆孔系統(tǒng)[21-22]。

　　研究了精度補(bǔ)償算法與控制系統(tǒng)總體方案，將在線視覺誤差補(bǔ)償技術(shù)引入到機(jī)器人自動鉆削系統(tǒng)中，該機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)定位精度為±0.34mm，一定程度上提高了鉆孔定位精度，此外設(shè)計(jì)出一款可用于 CFRP(碳纖維復(fù)合增強(qiáng)材料)鉆孔的終端執(zhí)行器。浙江大學(xué)研制出一種雙機(jī)器人并聯(lián)協(xié)同鉆削系統(tǒng)[23]，之后 2017 年 Liu[24]等在其基礎(chǔ)上研究了自動橢圓沉頭工作原理，并設(shè)計(jì)出一種集鉆孔、螺旋銑、锪窩三大功能為一體的多功能終端執(zhí)行器，該系統(tǒng)的定位精度在±0.5mm，毛刺高度控制在±0.08mm，沉孔深度變化控制在0.02mm 內(nèi)。2019 年該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上對鉆孔過程中機(jī)器人變形進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償，將機(jī)器人鉆孔平均位置誤差由 0.22mm 降低至 0.05mm[25]。其精度、效率、加工范圍等方面均取得了良好的效果，克服了我國在鉆孔終端執(zhí)行器技術(shù)上存在通用性低、加工范圍小、集成度低的難題。將國內(nèi)機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)按主要應(yīng)用范圍、解決的主要問題、主要技術(shù)特點(diǎn)、主要性能指標(biāo)進(jìn)行總結(jié)。

　　可以看出，我國機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)研究主要以高校的樣機(jī)試制為主，雖然鉆孔精度補(bǔ)償、鉆孔多功能執(zhí)行器等關(guān)鍵技術(shù)取得了突破，但與國外相比，仍然存在鉆孔精度與效率低下、可靠性差、系統(tǒng)智能化程度不高的問題。隨著國內(nèi)各機(jī)構(gòu)的不斷研發(fā)，機(jī)器人自動鉆孔技術(shù)在航空領(lǐng)域取得了一定的研究成果，但是用于實(shí)際鉆孔效果還需進(jìn)一步改善，因此我國機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)針對不同機(jī)型大規(guī)模應(yīng)用于飛機(jī)制造還需較長時(shí)間，機(jī)器人自動鉆孔關(guān)鍵技術(shù)的突破與創(chuàng)新水平的提升是提高我國航空制造水平的必然要求與亟需解決的問題。

　　2 機(jī)器人自動鉆孔關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 機(jī)器人自動鉆孔離線編程技術(shù)

　　離線編程技術(shù)是航空制造中高效使用機(jī)器人自動鉆孔的必要工具，與在線示教編程相比具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，且在機(jī)器人自動鉆孔工作時(shí)能對下一加工任務(wù)進(jìn)行預(yù)先編程，可極大提升鉆孔效率。目前,機(jī)器人自動鉆孔離線編程中存在兩個(gè)最主要的問題，一個(gè)是機(jī)器人自動鉆孔路徑規(guī)劃問題，另一個(gè)是機(jī)器人冗余度求解問題。路徑規(guī)劃影響整個(gè)加工系統(tǒng)的工作效率與加工質(zhì)量，冗余度可避免機(jī)器人在工作空間的奇異性。

　　2.1.1 鉆孔路徑規(guī)劃

　　當(dāng)前人工智能算法已廣泛應(yīng)用于移動機(jī)器人路徑規(guī)劃[26]。法蘭克福應(yīng)用科技大學(xué)、曼蘇拉曼大學(xué)、羅開羅大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)成功利用遺傳算法在不同數(shù)量障礙物的靜態(tài)環(huán)境下尋找最佳避障路徑，通過多次實(shí)驗(yàn)證明獲取最佳避障路徑的成功率可達(dá)93%[27-28]。而目前，遺傳算法存在對新空間的探索能力具有局限性、計(jì)算量較大且穩(wěn)定性差等問題，混沌粒子群算法在對離散優(yōu)化的問題上處理不佳且易陷入局部最優(yōu)[29]。因此，在機(jī)器人鉆孔路徑規(guī)劃問題上通常采用蟻群算法，蟻群算法在該問題上相比于其它智能算法優(yōu)點(diǎn)在于所需參數(shù)少、易于調(diào)整、且全局搜索能力快，但仍有收斂速度慢且易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn)。

　　針對蟻群算法易限于局部最優(yōu)問題可在螞蟻搜索序列時(shí)采用新的局部信息素來更新規(guī)則，通過基于蟻群算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法，可得到自動鉆孔順序規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化模型[30]。而對于蟻群算法收斂速度慢的問題，通過將蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，把局部擴(kuò)散信息素應(yīng)用到蟻群算法中來減少不完備路徑個(gè)數(shù)，利用幾何方法對路徑進(jìn)行優(yōu)化，可避免路徑交叉的情況[31]。

　　Liu[32]提出了一種自適應(yīng)蟻群算法，通過調(diào)整動態(tài)信息，在蟻群數(shù)量 34，迭代 1000 次時(shí)，得出了機(jī)器人鉆孔最佳路徑。Tian[33]融合蟻群算法與遺傳算法的優(yōu)點(diǎn)，先利用蟻群算法進(jìn)行較少迭代獲得最短路徑，再將此路徑進(jìn)行遺傳迭代從而獲得鉆孔路線的最短最優(yōu)解。Erkorkmaz[34]通過工藝需求對蟻群算法的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種帶有整體方向的區(qū)域優(yōu)先蟻群算法，運(yùn)用改進(jìn)后的蟻群算法將路徑長度減小了 32.5%，滿足工藝需求的情況下有效提高了鉆孔效率。在機(jī)器人自動鉆孔路徑規(guī)劃中，解決蟻群算法收斂速度慢和局部最優(yōu)值的問題，通過將蟻群算法改進(jìn)并可得到良好的效果，其主要方法有：通過建立多目標(biāo)優(yōu)化方法來建立加工模型、路徑規(guī)劃問題的有效轉(zhuǎn)化、放大局部信息來減少冗余路徑從而避免加工路徑重疊。但是改進(jìn)的蟻群算法仍有一定幾率無法求得全局最優(yōu)解即最佳鉆孔路徑，如何利用其它算法的優(yōu)點(diǎn)與改進(jìn)蟻群算法的缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)劣互補(bǔ)，可能是一個(gè)潛在的解決方法。

　　2.1.2 冗余度求解

　　為使機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)在工作空間避開奇異位形、防止關(guān)節(jié)運(yùn)動極限，獲得最佳鉆孔位姿，需要對冗余機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)求解。在求解問題中針對冗余度分解中權(quán)值選擇的問題，可利用自適應(yīng)系統(tǒng)代替低效率的人工調(diào)權(quán)，將自適應(yīng)系統(tǒng)集成到扭轉(zhuǎn)分解算法避免機(jī)器人在工作空間中的奇異點(diǎn)[35]。在未考慮機(jī)器人驅(qū)動角速度和鉆削力的情況下，結(jié)合機(jī)器人關(guān)節(jié)扭矩與加工姿態(tài)簡化冗余度，利用冗余度簡化指標(biāo)對機(jī)器人執(zhí)行加工任務(wù)時(shí)的姿態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，可獲取機(jī)器人的最佳鉆削姿態(tài)[36]。Angeles[37]通過將機(jī)器人冗余特性的問題約束重新定義為一個(gè)五維任務(wù)，找到約束雅可比矩陣的零空間，利用一種序列二次規(guī)劃(SQP)法生成最佳軌跡解決冗余問題。目前，在冗余度求解的問題上主要通過建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化冗余度求解方案和外在因素對冗余度產(chǎn)生的影響兩方面來研究。

　　此外，考慮機(jī)器人的剛度特性，分析機(jī)器人鉆進(jìn)時(shí)的動態(tài)行為，利用線性插值模型在關(guān)節(jié)位移水平上來解決機(jī)器人鉆削過程中的冗余度問題，可得到數(shù)值優(yōu)化后的冗余度求解方案[38]。Jiao[39]將運(yùn)動學(xué)和剛度性能優(yōu)化兩個(gè)指標(biāo)作為特殊的 OLP(離線編程)系統(tǒng)，提出在關(guān)節(jié)極限約束下的機(jī)器人位形奇異性測量模型，實(shí)現(xiàn)了對奇異位形和關(guān)節(jié)極限位形的回避。同時(shí)提出了一種冗余度分解方法來規(guī)劃和優(yōu)化外軸離線的機(jī)器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，避免了奇異性和關(guān)節(jié)限制，成功應(yīng)用于機(jī)器人鉆削中。通過建立機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，避免機(jī)器人關(guān)節(jié)極限作為優(yōu)化指標(biāo)，采用如指數(shù)積公式法、二次序列規(guī)劃法、微分法等數(shù)學(xué)算法獲得高冗余度機(jī)器人取得了一定的成果，研究動態(tài)加工過程中機(jī)器人的剛度特性、運(yùn)動學(xué)特性以及不同加工任務(wù)情況下對冗余度所產(chǎn)生的影響十分關(guān)鍵。如何考慮將這些因素融入相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型是解決復(fù)雜工業(yè)場景中機(jī)器人鉆孔靈活性問題的一個(gè)關(guān)鍵。

　　2.2 機(jī)器人自動鉆孔終端執(zhí)行器技術(shù)

　　終端執(zhí)行器是機(jī)器人自動鉆孔的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過機(jī)器人終端法蘭與機(jī)器人相連，根據(jù)其與機(jī)器人連接方式不同，分同軸式、懸掛式和側(cè)面式三種，它的安裝方式可以直接影響到鉆孔的精度與效率。終端執(zhí)行器的組成單元主要有：切削單元、壓緊單元、支撐單元、法向檢測單元、進(jìn)給單元、主軸單元、檢測單元、冷卻潤滑裝置、排屑裝置等。工作順序先由法向檢測單元進(jìn)行法矢找正，再利用壓腳壓在工件表面以提高鉆削穩(wěn)定性，然后主軸電機(jī)帶動切削刀具旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給單元沿刀具軸向進(jìn)給，完成鉆孔的切削工作。其中最關(guān)鍵的技術(shù)難點(diǎn)是法向檢測單元調(diào)整垂直度與壓緊單元壓緊力控制。

　　2.2.1 鉆孔法向檢測法

　　向檢測的主要作用是測量被加工件的曲面法向然后調(diào)整鉆頭姿態(tài)進(jìn)行高精度鉆孔。法向檢測單元是影響鉆孔垂直精度最重要的因素，一般在精確定位待鉆孔位之后進(jìn)行[40]。檢測方法是預(yù)先通過非接觸式法向儀器發(fā)出的激光束掃描工件表面，利用算法擬合出曲面的實(shí)際法向，然后調(diào)整鉆頭軸線并與鉆孔點(diǎn)法線重合[41]，其中難點(diǎn)在于如何采用合適的擬合算法進(jìn)行法向的精準(zhǔn)獲取。對于擬合算法的研究，Norgia 從實(shí)際出發(fā)提出一種向量叉積法，使法向檢測精度控制在±0.1°內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的曲面法向找正[42]。Galilea 提出一種基于幾何數(shù)學(xué)模型和最小二乘法對激光位移傳感器光束矢量和零點(diǎn)位置標(biāo)定的方法，解決了激光位移傳感器的安裝誤差問題，將法向檢測精度控制在±0.18°內(nèi)[43]。G.rao[44]等采用一種基于結(jié)構(gòu)光的高分辨率三維測量傳感器，為了消除噪聲，采用張量投票法填補(bǔ)三維點(diǎn)云中的空白，得到均勻分布的點(diǎn)云進(jìn)行精確的曲面擬合，填補(bǔ)后可對曲面邊緣進(jìn)行精確法向測量和平滑度優(yōu)化，可將法向鉆孔精度從擬合前的±0.5°提高至±0.3°。在獲取法向位置后，需進(jìn)一步研究如何調(diào)整鉆孔角度，保證鉆孔垂直精度。

　　Gao[45]采用新型可調(diào)式機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對激光位移傳感器高精度安裝，提出了一種同時(shí)考慮角度偏差閾值和有限調(diào)整迭代的調(diào)整方法，將曲面工件的鉆孔垂直度誤差控制在±0.3°內(nèi)。Gong 等基于三個(gè)激光傳感器測量曲面法線，通過叉積法計(jì)算鉆孔點(diǎn)法向量與鉆頭中心軸線夾角，并進(jìn)行鉆頭姿態(tài)調(diào)整[46]。通過設(shè)計(jì)的二元調(diào)整裝置可以使鉆頭實(shí)時(shí)精確地定角度調(diào)整，其最終調(diào)節(jié)精度可達(dá)±0.08°，但調(diào)整過程中需要進(jìn)行二次調(diào)整鉆頭位置，因此增加了鉆孔工作的復(fù)雜性。Yuan 等人在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，用4個(gè)激光傳感器測量鉆孔點(diǎn)處法向量[47]，設(shè)計(jì)出一種雙偏心盤調(diào)姿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可保持鉆頭頂點(diǎn)不動進(jìn)行鉆頭姿態(tài)微調(diào)，避免二次調(diào)整鉆頭位置的問題，提高鉆孔工作效率的同時(shí)鉆孔法向垂直精度保障在±0.1°內(nèi)。

　　2.3 機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)誤差補(bǔ)償

　　技術(shù)航空工業(yè)機(jī)器人自動鉆孔任務(wù)往往要求高效率和高精度，機(jī)器人重復(fù)定位精度雖可達(dá)到 0.1mm內(nèi)，但其絕對定位精度較低，誤差甚至可以達(dá)到2-3mm。因此，較差的機(jī)器人絕對定位精度難以滿足航空工業(yè)高精度鉆孔要求，而安裝終端執(zhí)行器及其它反饋裝置后，又會引入其它誤差，大量的誤差積累使得機(jī)器人鉆孔理論位置與實(shí)際位置相差較大。此外，由于待加工零部件理論外形與實(shí)際外形存在偏差，零部件與機(jī)器人位置關(guān)系找正存在偏差等，綜合影響孔位精度。針對這些誤差累積問題，精度補(bǔ)償是解決機(jī)器人絕對定位精度低、鉆孔定位精度不高等問題的可行方案，其中補(bǔ)償方式依據(jù)工作狀態(tài)可分為離線補(bǔ)償和在線補(bǔ)償兩種。離線補(bǔ)償是指機(jī)器人在鉆孔工作前，通過一定的方法補(bǔ)償機(jī)器人的絕對定位精度，在線補(bǔ)償是指在機(jī)器人末端增加實(shí)時(shí)反饋傳感器，使機(jī)器人在工作中調(diào)整末端直至理想位姿。

　　2.3.1 機(jī)器人自動鉆孔絕對定位誤差離線補(bǔ)償

　　針對機(jī)器人自動鉆孔絕對定位誤差離線補(bǔ)償，需建立離線位姿誤差模型，利用高精度測量設(shè)備獲得機(jī)器人不同位形下的實(shí)際終端位姿，辨識機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確值，將補(bǔ)償數(shù)據(jù)預(yù)置到控制算法中。離線補(bǔ)償?shù)闹攸c(diǎn)、難點(diǎn)在于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)辨識及補(bǔ)償算法，它們是影響補(bǔ)償精度高低最關(guān)鍵的因素。

　　學(xué)者 Kim[52]、Erkorkmaz[53]等利用激光跟蹤儀辨識所需參數(shù)，利用最小二乘法對誤差模型參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，通過實(shí)驗(yàn)將機(jī)器人絕對定位誤差由補(bǔ)償前的±1.321mm 降低至±0.183mm，完成補(bǔ)償后成功用于機(jī)器人鉆削當(dāng)中。Aibert[54]等利用激光跟蹤儀測量 ABB IRB1600 型機(jī)器人的 29 個(gè)影響絕對位置精度的誤差參數(shù)，利用最小二乘法對參數(shù)模型進(jìn)行優(yōu)化，找出最適合激光跟蹤儀測量的 29 個(gè)誤差參數(shù)，在整個(gè)機(jī)器人關(guān)節(jié)空間大量測驗(yàn)，最終證明該方法可將機(jī)器人絕對位置誤差從±0.968mm 減小至±0.364mm。

　　Bazzoli[55]考慮了包含常數(shù)和關(guān)節(jié)相關(guān)的運(yùn)動誤差，對各誤差源的運(yùn)動誤差進(jìn)行分類，利用激光跟蹤儀在可測關(guān)節(jié)空間上獲得測量值，采用極大似然估計(jì)法辨識誤差模型參數(shù)，同時(shí)估計(jì)模型參數(shù)、關(guān)節(jié)方差和測量誤差，使用基于雅可比的搜索方法確定更新的關(guān)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動誤差的補(bǔ)償，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該方法的補(bǔ)償精度可達(dá)±0.122mm。Zeng[56]辨識機(jī)器人幾何參數(shù)誤差，提出了基于誤差相似度的殘差補(bǔ)償方法，通過實(shí)驗(yàn)證明機(jī)器人絕對定位誤差可由補(bǔ)償前±0.879mm 降低至±0.194mm，經(jīng)殘差補(bǔ)償后可降低至±0.141mm。

　　3 發(fā)展趨勢

　　針對機(jī)器人鉆孔加工技術(shù)的研究中，由于生產(chǎn)任務(wù)的不同，世界各大機(jī)構(gòu)都針對某一特定產(chǎn)品研發(fā)出不同的機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)。這些機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)在突破許多關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)極大地提高了鉆孔效率與質(zhì)量。現(xiàn)階段機(jī)器人自動鉆削系統(tǒng)研究中，關(guān)鍵技術(shù)仍存在較多問題有待于解決。

　　(1)離線編程技術(shù)中對機(jī)器人運(yùn)動軌跡的規(guī)劃目前研究還不夠深入，主要包括加工序列、加工路徑、軌跡規(guī)劃，它們是指導(dǎo)機(jī)器人鉆孔加工的核心，也直接影響著機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的效率與質(zhì)量。對于離線編程機(jī)器人運(yùn)動軌跡的問題上，未來應(yīng)考慮如何將現(xiàn)有算法進(jìn)行改進(jìn)或融合，以達(dá)到最優(yōu)運(yùn)動軌跡，避免干涉情況并提高鉆孔加工效率。同時(shí)也應(yīng)考慮鉆孔工藝中冗余機(jī)器人如何避開奇異點(diǎn)和極限點(diǎn)，獲得機(jī)器人最佳鉆孔位姿。

　　(2)鉆孔終端執(zhí)行器技術(shù)中，設(shè)計(jì)時(shí)仍存在功能不全、結(jié)構(gòu)不緊湊、功能單一等問題。終端執(zhí)行器作為機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的執(zhí)行裝置在未來的研究中應(yīng)考慮如何將執(zhí)行器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，并結(jié)合多傳感器融合技術(shù)通過對數(shù)據(jù)的采集與處理實(shí)時(shí)反饋到控制系統(tǒng)，以達(dá)到高集成度、高自動化、高效率、性能可靠、加工對象廣泛的目的。

　　(3)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償技術(shù)中利用激光跟蹤儀跟蹤靶標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ�雖然一定程度上提高了機(jī)器人的絕對定位精度，但該方法存在受環(huán)境因素影響較大的問題，而在線視覺實(shí)時(shí)反饋的方法可以將相機(jī)集成在終端執(zhí)行器中，在節(jié)省機(jī)器人加工系統(tǒng)工作空間的同時(shí)可極大地提高機(jī)器人鉆削系統(tǒng)的靈活度。對于機(jī)器人自動鉆孔誤差補(bǔ)償?shù)膯栴}上，未來應(yīng)考慮如何結(jié)合離線和在線兩種補(bǔ)償方法，增加機(jī)器人自動鉆孔誤差補(bǔ)償效率，提高機(jī)器人自動鉆孔精度以滿足飛機(jī)裝配鉆孔中高質(zhì)量的要求。這些關(guān)鍵技術(shù)在發(fā)展和成熟的同時(shí)，應(yīng)努力早日把研究成果轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力，促進(jìn)自動與智能加工技術(shù)升級換代，對工業(yè)生產(chǎn)方式的高質(zhì)量發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　航空領(lǐng)域論文：新租賃準(zhǔn)則對吉祥航空公司財(cái)務(wù)報(bào)表的影響

　　http://www.seolinyi.cn/lwfw/jjlwfw/38919.html

　　4 結(jié)束語

　　本文介紹了截至 2021 年國內(nèi)外航空工業(yè)典型的機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)，列舉了各鉆孔系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和性能指標(biāo)，提煉出機(jī)器人自動鉆孔系統(tǒng)的主要關(guān)鍵技術(shù)，分別是機(jī)器人鉆孔離線編程、終端執(zhí)行器、系統(tǒng)誤差補(bǔ)償，梳理了各關(guān)鍵技術(shù)存在的問題和可能的解決方案，最后對各關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展方向做出了展望。

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　　作者：付鵬強(qiáng) 1,3，苗宇航 1,3，王義文 1,3，姜曉燦 1,3，許成陽 4，劉立佳 2,3，周麗杰 1,3