CN115302527A - 一种双机器人自动钻铆设备 - Google Patents

Abstract

一种双机器人自动钻铆设备，包括钻铆机器人、顶铁机器人、钻铆末端执行器、顶铁末端执行器、安装底座以及自动换刀系统，钻铆机器人和顶铁机器人滑动设置在安装底座的两侧，钻铆末端执行器和自动换刀系统安装在钻铆机器人上，顶铁末端执行器安装在顶铁机器人上，钻铆机器人和顶铁机器人上安装有用于调节钻铆机器人和顶铁机器人关节转角误差的关节转角反馈控制系统，通过关节转角反馈控制系统中光栅尺和读数头测量钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴的位置信息，再传输给伺服电机，通过伺服电机控制减速器驱动钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴转动，从而减小钻铆机器人和顶铁机器人关节转角误差，提高钻铆机器人和顶铁机器人的定位精度和重复性精度。

Description

一种双机器人自动钻铆设备

技术领域

本发明属于机器人设备技术领域，具体涉及一种双机器人自动钻铆设备。

背景技术

航天装备制造业是高科技支柱的基础产业，具有知识技术密集、系统复杂、质量可靠性要求高等特点。航空航天制造企业目前存在一些问题，主要表现在以下两个方面：制造技术基础薄弱，先进制造技术研究应用不够，整体工艺水平不高。航天制造企业一直遵循以研制为主、单件及小批量生产为主的生产制造模式，制造技术能力及水平在某些单项方面处于领先地位，但整体工艺技术水平仍然不高；制造装备柔性化和智能化程度低，大量采用专用工装和夹具，难以适应航天产品多品种、小批量的特性，增加了企业的生产成本，降低了企业的生产效率，制约了航天装备制造业的发展。

航天装备制造作为制造业的重要组成部分，对于制造技术的先进性、智能化和可靠性的需求尤为关键，其发展也能大力促进制造业的发展。智能制造作为新的制造模式和技术，可为高品质复杂零件制造提供新的解决方案，更适应多品种小批量产品生产的需要。智能制造可以利用机器人技术、传感技术、智能技术实现制造过程的无人化，提高产品的生产效率和可靠性。

近几年，机器人钻铆已成为国内外学者研究的热点，国内外众多学者、专家就机器人钻铆振动对铆接质量影响进行了分析，指出在机器人钻铆过程中，应对工艺参数进行优化，从而避免振动频率接近机器人固有频率，合理规划机器人姿态，从而进一步提高机器人钻铆质量。另有学者对机器人铆接在航空航天制造和装配中的典型场景(梁肋组合)应用时，对机器人钻铆工具的可达性，及障碍规避的路径规划进行了研究。

现有机器人钻铆设备在使用时，机器人由于自重以及惯性力的影响下会产生外力扭矩，从而造成一定的变形，加上关节在反向运动时会出现齿轮间隙，会加大关节转角的误差。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种双机器人自动钻铆设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种双机器人自动钻铆设备，包括钻铆机器人、顶铁机器人、钻铆末端执行器、顶铁末端执行器、安装底座以及自动换刀系统，所述钻铆机器人和顶铁机器人滑动设置在安装底座两侧，所述钻铆末端执行器和自动换刀系统安装在钻铆机器人上，用于辅助钻铆机器人进行钻铆，所述顶铁末端执行器安装在顶铁机器人上，用于执行顶铁机器人的顶紧操作，所述钻铆机器人和顶铁机器人上安装有用于调节钻铆机器人和顶铁机器人关节转角误差的关节转角反馈控制系统。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：所述钻铆机器人和顶铁机器人上安装有伺服电机和减速器，所述伺服电机控制减速器驱动钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴转动。

进一步地，所述钻铆机器人和顶铁机器人的关节处安装有关节基体和连杆臂，所述关节基体为安装载体，且所述伺服电机和减速器均安装在关节基体上，所述钻铆机器人和顶铁机器人中，相邻关节轴通过连杆臂连接。

进一步地，所述关节转角反馈控制系统包括编码器、光栅尺以及读数头，所述编码器设置在伺服电机上，所述编码器为伺服电机反馈速度信息，所述光栅尺和读数头安装在钻铆机器人和顶铁机器人各关节轴的输出侧，所述读数头通过光栅尺获取钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴的实际位置信息。

进一步地，所述光栅尺为绝对式光栅尺。

进一步地，还包括控制系统，所述控制系统包括位置控制器、速度控制器、电流控制器和驱动器；所述位置控制器根据输入的位置指令以及光栅尺和读数头获取的关节轴的实际位置信息，生成速度指令并发送至速度控制器；所述速度控制器根据速度指令以及编码器反馈的速度信息，生成电流指令并发送至电流控制器；所述驱动器根据电流控制器输出的电流信号，驱动伺服电机工作。

进一步地，所述顶铁末端执行器包括支撑架、气缸、阻尼缓冲器、力传感器、线激光位移传感器、内顶杆以及可更换顶铁，所述气缸固定安装在支撑架上，所述阻尼缓冲器和力传感器安装在气缸上，所述线激光位移传感器安装支撑架上，且用于对可更换顶铁的墩头高度、直径以及位置进行测量，所述内顶杆的一端与气缸输出端连接，所述可更换顶铁安装在内顶杆的另一端。

本发明的有益效果是：

1、通过关节转角反馈控制系统中光栅尺和读数头测量钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴的真实的位置信息，再传输给伺服电机，通过伺服电机控制减速器驱动钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴转动，从而钻铆机器人和顶铁机器人便可以精确控制位置，消除因反向间隙导致的误差，进而减小钻铆机器人和顶铁机器人关节转角误差，提高钻铆机器人和顶铁机器人的定位精度和重复性精度。

2、通过编码器向伺服电机反馈钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴转速的信息，使得伺服电机控制减速器降低转速、提升扭矩，从而让钻铆机器人和顶铁机器人的关节轴可以更加柔性、灵活的活动。

3、通过设置可更换顶铁，可以使得顶铁末端执行器应用在不同场景，通过线激光位移传感器实现对可更换顶铁的墩头高度、直径以及位置进行测量，从而提高顶铁末端执行器进行顶铁的精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明用于体现钻铆末端执行器结构示意图；

图4为本发明用于体现KUKA工业机器人的结构示意图；

图5为本发明用于体现顶铁末端执行器的结构示意图；

图6为本发明用于体现关节转角反馈控制系统的结构示意图；

图7为本发明的用于体现关节转角反馈控制系统运行的系统框图；

图8为本发明的用于体现关节转角反馈控制系统在KUKA工业机器人六个轴位置的结构示意图；

图9为本发明的实施例中840Dsl数控系统直接驱动机器人的系统组态图。

图中：1、钻铆机器人，2、顶铁机器人，3、钻铆末端执行器，4、顶铁末端执行器，41、支撑架，42、气缸，43、阻尼缓冲器，44、力传感器，45、线激光位移传感器，46、内顶杆，47、可更换顶铁，5、安装底座，6、自动换刀系统，7、关节转角反馈控制系统，71、编码器，72、光栅尺，73、读数头，8、伺服电机，9、减速器，10、关节基体，11、连杆臂。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图1-2，一种双机器人自动钻铆设备，其特征在于：包括钻铆机器人1、顶铁机器人2、钻铆末端执行器3、顶铁末端执行器4、安装底座5以及自动换刀系统6，钻铆机器人1和顶铁机器人2滑动设置在安装底座5两侧，钻铆末端执行器3和自动换刀系统6安装在钻铆机器人1上，用于辅助钻铆机器人1进行钻铆，顶铁末端执行器4安装在顶铁机器人2上，用于执行顶铁机器人2的顶铁操作。

在本实施例中，双机器人自动钻铆设备的主要加工产品为金属舱段，主要针对直径为1400mm的舱段以及最大直径1700mm的舱段进行钻铆任务，完成舱段上支架连接孔的加工，使支架能与舱体部件实现预连接，为后续支架与舱体的自动钻铆加工提供条件。

进一步地，双机器人自动钻铆设备还包括除尘系统、视频监控系统、加工区域安全防护系统和手持操作单元，通过除尘系统、视频监控系统、加工区域安全防护系统和手持操作单元提高施工环境的清洁度和保证施工环境中人员的安全。

请参阅图3，钻铆末端执行器3括模块化集成主轴系统、机器视觉基准孔位检测系统、法向找正压力脚系统、插钉送钉系统、铆接系统，钻铆末端执行器3具有基准检测、法向找正、自动钻孔、锪窝以及气钻铆接功能，且可实现钻铆加工、检测等功能，包括压力脚压紧、进给控制、主轴变速、刀具检测、锪窝深度检测，且与一般的末端执行器相比，钻铆末端执行器3的特殊性主要表现在：核心组成高度模块化、控制系统高可靠性、核心模块优化设计。双机器人自动钻铆设备的钻铆末端执行器3的刀具采用钻孔、绞孔、锪窝一体形式，钻孔口径范围φ2.5mm～φ10mm，孔间距精度：0.2mm；基准检测精度：0.05mm；锪窝深度检测精度：0.05mm，钻孔主轴圆跳动：0.005mm，孔径公差H7；铆接铆钉直径范围φ2.5mm～φ6mm，铆钉墩头高度误差：0.1mm，铆钉墩头直径误差：0.1mm。

请参阅图4，综合考虑机器人的稳定性、有效负载、运动范围和控制精度等多方面需求，双机器人自动钻铆系统的机器人本体选用德国KUKA公司生产的KR480机器人和KR340机器人，钻铆机器人1可为KR480机器人，顶铁机器人2可为KR340机器人，其中KR480机器人实现自动制孔、自动铆接任务，KR340机器人实现自动顶紧工作。

请参阅图5，顶铁末端执行器4包括支撑架41、气缸42、阻尼缓冲器43、力传感器44、线激光位移传感器45、内顶杆46以及可更换顶铁47，气缸42固定安装在支撑架41上，阻尼缓冲器43和力传感器44安装在气缸42上，线激光位移传感器45安装支撑架41上，且用于对可更换顶铁47的墩头高度、直径以及位置进行测量，内顶杆46的一端与气缸42输出端连接，可更换顶铁47安装在内顶杆46的另一端。

本实施例中，顶铁末端执行器4带有缓冲装置可以防止损伤工件，且配置专用可更换顶杆，以适应不同场合的应用要求。此外，，顶铁末端执行器4上还装有主动浮动机构。

进一步地，顶铁末端执行器4采用的是基恩士线激光位移传感器，可以实现可更换顶铁47的墩头高度、墩头直径、墩头位置的测量，线激光扫描仪线宽可达30-40mm，采样频率可达60khz，可以满足顶铁机器人2移动时对铆接工件表面的测量。Z轴向精度可达0.01mm，X轴方向精度可达0.01mm，结合顶铁机器人2进行扫描运动，可以满足墩头高度精度：0.1mm、墩头直径精度：0.1mm的要求。

请参阅图6，钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节处安装有关节基体10和连杆臂11，所述关节基体10为安装载体，且所述伺服电机8和减速器9均安装在关节基体10上，所述钻铆机器人1和顶铁机器人2的两相邻关节轴通过连杆臂11连接，钻铆机器人1和顶铁机器人2上安装有用于调节钻铆机器人1和顶铁机器人2关节转角误差的关节转角反馈控制系统7，其中关节转角反馈控制系统7包括编码器71，光栅尺72以及读数头73，编码器71设置在伺服电机8上，编码器71用于向伺服电机8反馈钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴转速的信息，光栅尺72和读数头73安装在钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴的输出侧，读数头73通过光栅尺72获取钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴的实际位置信息，并传输给伺服电机8。

实施例中，钻铆机器人1和顶铁机器人2需要通过伺服电机8，经过减速器9后驱动钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴转动，通过关节转角反馈控制系统7中光栅尺72和读数头73测量钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴的真实的位置信息，再传输给伺服电机8，通过伺服电机8控制减速器9驱动钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴转动，提钻铆机器人1和顶铁机器人2到达指令位置的能力，从而钻铆机器人1和顶铁机器人2便可以精确控制位置，消除因反向间隙导致的误差，进而减小钻铆机器人和顶铁机器人关节转角误差，提高钻铆机器人1和顶铁机器人2的定位精度和重复性精度。

请参阅图7，还包括控制系统，控制系统包括位置控制器、速度控制器、电流控制器和驱动器；位置控制器根据输入的位置指令以及光栅尺72和读数头73获取的关节轴的实际位置信息，生成速度指令并发送至速度控制器；速度控制器根据速度指令以及编码器71反馈的速度信息，生成电流指令并发送至电流控制器；驱动器根据电流控制器输出的电流信号，驱动伺服电机8工作，且在钻铆机器人1和顶铁机器人2的的六个关节处安装绝对式光栅尺，并把光栅信号直接反馈到数控系统的控制单元中进行位置闭环控制，其中第二测量系统提供位置环控制，第一测量系统提供速度环和电流环，第一测量系统是伺服电机自带的编码器，为伺服电机反馈位置、速度信息；减速器可以降低转速、提升扭矩，从而让机器人关节可以更加柔性、灵活的活动；伺服电机安装在钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节处，作为钻铆机器人1和顶铁机器人2的的执行单元，为关节臂提供动力；钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节机体为铸造出来的关节臂结构件，是伺服电机、减速器等的安装载体；钻铆机器人1和顶铁机器人2的连杆臂为两关节轴连接的结构件；第二测量系统主要由光栅尺及读数头组成，能够实时反馈机器人关节轴的实际位置输出到驱动器作为位置环反馈，提高关节轴的定位精度和重复定位精度，其中控制系统直接进行位置闭环反馈处理，其处理过程为首先需要计算出第二测量系统和第一测量系统的测量传动比，然后在数控系统中激活第二测量系统，把绝对式光栅尺作为第二测量系统配置到数控系统中实现驱动闭环反馈控制，相比在上位机软件中进行关节转角反馈控制，在驱动中进行位置闭环控制可以实现对机器人关节转角值的实时反馈，实时性和补偿效果要比在上位机中进行处理的好，从而有效提高钻铆机器人1和顶铁机器人2绝对定位精度和轨迹精度。

进一步地，电流环的输入是速度环经过PID调节后的输出，电流环的反馈是由驱动器内部安装在每相的霍尔元件反馈的，电流环的主要作用是用来控制电机转矩，速度环的输入来自位置环PID调节后的输出，速度环的反馈是由编码器反馈的值经过速度运算器得到的，位置环的输入来自外部编码器71反馈的脉冲，位置设定值和编码器71反馈的实际值经过位置环PID调节后输出给速度环。通过位置环、速度环和电流环得出电压映射电流的变化、电流映射转矩大小、转矩大小映射转速的变化和转速又映射了位置的变化，从而精确的控制电机运行。

请参阅图8，通过在标准型KUKA工业机器人A1-A6轴上增加外部闭环关节转角反馈控制系统7，并结合精度算法可以有效的提高KUKA工业机器人绝对定位精度到0.2mm，位置重复度精度提高到0.04mm。

请参阅图9，考虑到西门子数控系统840Dsl动态响应性好，插补精度高，具备开放机器人D-H运动学参数及动力学参数修改权限，可以配置光栅到钻铆机器人1和顶铁机器人2关节轴处进行关节伺服控制，且带有多种精度补偿模块，通过改造钻铆机器人1和顶铁机器人2控制器，并结合先进的精确控制技术去提高机器人绝对和重复定位精度，使其满足高精度航空加工工作需求。系统采用西门子CNC Sinumerik840Dsl或同等性能知名品牌；系统采用中文操作界面，可设立目录管理产品的程序，配置WINDOWS 7以上操作平台，子程序、宏程序调用；主轴和进给系统采用西门子840D书本型伺服驱动系统及西门子IP65以上伺服电机或同等知名品牌；硬盘≥40G，内存≥4GB，用户存储区≥10MB；提供基于DELMIA仿真软件下运行的设备模型，在DELMIA仿真软件下使用程序代码对设备进行三维实体运动干涉检查和数控程序运行仿真；带有后置处理程序，能方便地实现基于CATIA V5R18三维模型的交互式图形化或模块化的自动离线编程；自动编制的程序具有可读性，可编辑修改，以及程序锁定功能；配备带液晶显示的手持操作单元，含有控制各坐标移动功能，但没有操作主轴运转的功能；控制系统具备用户登录权限分级功能，便于客户设定操作人员权限(不同权限的人员对设备进行不同级别的操作和维护)；设备上有中文版的运行时间、主轴运行时间、加工时间的数据记录及显示；具有实时视频监控工况的功能。描述的控制机器人关节伺服电机，NCU作为系统中最重要的控制单元，负责NC所有的是通过840Dsl数控系统直接驱动机器人的系统组态图，移除掉机器人本身的控制器，采用通过西门子S120驱动器功能，包括机器人插补算法处理。结合西门子840Dsl直驱方案的优势，可以在机器人关节处安装绝对式光栅尺，然后把光栅信号反馈给S120驱动器进行位置的全闭环控制，可以有效减小关节转角误差，提高钻铆机器人1和顶铁机器人2的定位和轨迹精度，除此之外，数控系统中自带的刀具管理模块可以对钻铆机器人1末端刀具进行统一管理，还可以对钻铆机器人1和顶铁机器人2故障进行在线诊断处理、具有各类软硬件故障自动诊断功能等，通过这些辅助功能提升机器人的加工效率。

进一步地，为了提高双机器人自动钻铆设备的控制效率，采用一套装配系统的离线编程软件和仿真软件。系统在统一管理的前提下，具备数控程序的输出，并具备对数模的仿真能力，并反应干涉、碰撞问题；离线编程软件能方便地实现三维数模交互或模块化制孔、铆接工艺路径规划编程工作，并具有后置处理功能；可以在CAITIA V5R18软件环境下使用；离线编程软件能够提取数模文件中标准件的点位信息，生成加工路径点，自动生成路径点的法向信息；离线编程软件可以根据不同的排序规则将选定的路径点排序，生成加工序列，自动编制的程序具有可读性，可编辑修改，以及程序锁定功能，其中该系统主要由UI层、应用层、数据层以及支撑层构成。支撑层：选定系统的开发平台与开发工具；数据层：选定软件数据库开发工具并对系统的应用数据及计算结果进行后台处理与保存；应用层：即软件主要功能层，包括系统加工任务离线规划系统的功能模块；UI层：即软件所开发的功能界面，实现人机交互的功能。

该系统具体组成表格如下：

工作原理：

首先人工在线下将产品各部件预装配，并加工基准孔，接着通过移动智能搬运机器人将产品转运至工件区域固定。

然后，通过钻铆末端执行器3进行制孔，在制孔过程中铆机器人1和顶铁机器人2需要通过伺服电机8，经过减速器9后驱动钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴转动，通过关节转角反馈控制系统7中光栅尺72和读数头73测量钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴的真实的位置信息，再传输给伺服电机8，通过伺服电机8控制减速器9驱动钻铆机器人1和顶铁机器人2的关节轴转动，从而提高制孔精度，制孔完毕后顶铁机器人2配合钻铆机器人1对舱体进行铆接；当前钻铆区域制孔铆接完毕后，转动安装底座5至下一个钻铆区域，进行产品下一装配区的钻铆，直至产品所有舱体的钻铆任务完成。

最后，舱体加工完毕后，通过移动智能搬运机器人将舱体转运至人工制孔/补铆工位。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双机器人自动钻铆设备，其特征在于：包括钻铆机器人(1)、顶铁机器人(2)、钻铆末端执行器(3)、顶铁末端执行器(4)、安装底座(5)以及自动换刀系统(6)，所述钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)滑动设置在安装底座(5)两侧，所述钻铆末端执行器(3)和自动换刀系统(6)安装在钻铆机器人(1)上，用于辅助钻铆机器人(1)进行钻铆，所述顶铁末端执行器(4)安装在顶铁机器人(2)上，用于执行顶铁机器人(2)的顶紧操作，所述钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)上安装有用于调节钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)关节转角误差的关节转角反馈控制系统(7)。

2.根据权利要求1所述的双机器人自动钻铆设备，其特征在于：所述钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)上安装有伺服电机(8)和减速器(9)，所述伺服电机(8)控制减速器(9)驱动钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)的关节轴转动。

3.根据权利要求2所述的双机器人自动钻铆设备，其特征在于：所述钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)的关节处安装有关节基体(10)和连杆臂(11)，所述关节基体(10)为安装载体，且所述伺服电机(8)和减速器(9)均安装在关节基体(10)上，所述钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)中，相邻关节轴通过连杆臂(11)连接。

4.根据权利要求2所述的双机器人自动钻铆设备，其特征在于：所述关节转角反馈控制系统(7)包括编码器(71)、光栅尺(72)以及读数头(73)，所述编码器(71)设置在伺服电机(8)上，所述编码器(71)为伺服电机(8)反馈速度信息，所述光栅尺(72)和读数头(73)安装在钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)各关节轴的输出侧，所述读数头(73)通过光栅尺(72)获取钻铆机器人(1)和顶铁机器人(2)的关节轴的实际位置信息。

5.根据权利要求4所述的双机器人自动钻铆设备，其特征在于：所述光栅尺(72)为绝对式光栅尺。

6.根据权利要求4所述的双机器人自动钻铆设备，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统包括位置控制器、速度控制器、电流控制器和驱动器；所述位置控制器根据输入的位置指令以及光栅尺(72)和读数头(73)获取的关节轴的实际位置信息，生成速度指令并发送至速度控制器；所述速度控制器根据速度指令以及编码器(71)反馈的速度信息，生成电流指令并发送至电流控制器；所述驱动器根据电流控制器输出的电流信号，驱动伺服电机(8)工作。

7.根据权利要求1所述的双机器人自动钻铆设备，其特征在于：所述顶铁末端执行器(4)包括支撑架(41)、气缸(42)、阻尼缓冲器(43)、力传感器(44)、线激光位移传感器(45)、内顶杆(46)以及可更换顶铁(47)，所述气缸(42)固定安装在支撑架(41)上，所述阻尼缓冲器(43)和力传感器(44)安装在气缸(42)上，所述线激光位移传感器(45)安装支撑架(41)上，且用于对可更换顶铁(47)的墩头高度、直径以及位置进行测量，所述内顶杆(46)的一端与气缸(42)输出端连接，所述可更换顶铁(47)安装在内顶杆(46)的另一端。

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