CN117067227A - 一种机器人智能修边系统 - Google Patents

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CN117067227A CN202311051405.3A CN202311051405A CN117067227A CN 117067227 A CN117067227 A CN 117067227A CN 202311051405 A CN202311051405 A CN 202311051405A CN 117067227 A CN117067227 A CN 117067227A
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Abstract

本发明涉及一种机器人智能修边系统。本系统包括机器人子系统、修边末端执行器、管理与控制子系统、附属子系统。机器人子系统包括机器人、定位精度补偿模块和快换模块；修边末端执行器包括修边模块、视觉检测模块、拓展模块和电控、气控模块；管理与控制子系统包括操作控制台、系统控制柜、综合管理软件和系统控制软件；附属子系统包括真空除尘装置、冷却装置、刀库、试刀架、对刀仪、装刀装置、离线编程及仿真软件和安全保护模块。本系统可实现离线编程和仿真、自动轨迹补偿、视觉识别、实时数据反馈、加工姿态实时补偿、自动修边、快换、吸屑、自动换刀和对刀等功能。本系统以自动化设备代替人工修边，可提质增效，减少对操作人员的身体伤害。

Description

一种机器人智能修边系统
技术领域
本发明属于机械加工自动化设备技术领域，尤其涉及一种机器人智能修边系统。
背景技术
在飞机装配领域中，蒙皮对缝间隙的要求一般小于1mm，随着第五代飞机对隐身性能的追求，对缝间隙的要求也相应地提高到了0.5mm，甚至更高。
实际装配过程中，操作人员需在架内试装，难以使用普通数控铣床，目前只能依靠人工修边。人工修边控制余量的方法是：在装配架上，沿配合基准对复材蒙皮进行划线，然后将复材蒙皮下架粗修，再上架去贴合比对基准，再划线，下架修边，反复多次，才能保证配合间隙在1mm左右。人工修边工作量大、耗时长、效率很低，耗费了大量的人力，且因修边面多为曲面，目前人工方式无法满足蒙皮的修边精度要求。随着碳纤维复合材料蒙皮的广泛应用，人工修边还会产生大量的有毒粉尘，可通过呼吸系统或皮肤接触进入人体，长期从事此工作会对工人身体造成不可逆的严重危害。
鉴于以上原因，目前已在各类机械加工领域引入了自动化设备(如工业机器人)代替人工操作，随之而来的是对具有完备功能的机器人智能修边系统及设备的迫切需求。
发明内容
为了克服人工修边操作具有的上述缺陷，本发明提出了一种新的机器人智能修边系统。
我们在研发过程中认识到，为了保证蒙皮对缝修边质量、提高效率，达到新一代飞机的设计制造标准，架内蒙皮的自动化、智能化修边是一个确定的发展趋势。考虑到蒙皮尺寸大、外形复杂，从系统柔性的角度出发，我们采用了六轴串联工业机器人作为载体，以修边末端执行器为工具，实现对不同规格蒙皮的柔性修边加工。
具体而言，本发明机器人智能修边系统旨在实现以下功能：
(1)离线编程和仿真功能
本系统可根据工件或工装数模进行离线编程和轨迹仿真，自动生成对应的加工用程序文件。
(2)自动轨迹补偿功能
本系统具有自动定位功能，机器人可基于所规划轨迹对绝对定位误差进行补偿，并携末端执行器进行精准运动。
(3)视觉识别功能
本系统配备视觉识别系统，可实现特征采集和图像处理，从而获取修边基准空间位置信息，并反馈至机器人。
(4)实时数据反馈功能
本系统可将基准几何特征实时传输至上位机，并基于内部算法输出精准调姿数据。
(5)加工姿态实时补偿功能
本系统可根据基准检测数据实时调整末端姿态，以便在加工过程中同步实现基准检测与位姿补偿。
(6)自动修边功能
本系统可自动实现不同工况、不同加工基准机器人自动修边。
(7)快换功能
本系统配备快换接口，可根据不同需求和工况，快速更换适配末端，以实现在相同工位完成不同加工工艺。
(8)辅助功能
本系统具有吸屑功能，可用于加工过程中的除屑，同时具有自动换刀和对刀功能。
本发明为了满足产品自动化修边需求，制定了机器人智能修边系统总体技术方案。
本机器人智能修边系统立足于现有产品修边需求，运用泛基准视觉识别技术以及基于深度神经网络的机器人绝对定位精度补偿技术，旨在在修边过程中实现加工基准识别及对待加工边缘的自动定位。系统通过3D轮廓扫描仪获取修边基准位置及形貌信息，并以图形分析结果及修边末端执行器运动学模型为依据，通过RSI技术完成数据传输，以调整末端姿态，实现对垂尾的高精度修边功能。
考虑工件装夹后与数模的差异，针对工件的不同特点和修边的不同要求，本发明采用了两种补偿技术：离线补偿和在线实时补偿。离线补偿是指在修边加工前，通过视觉基准检测模块检测加工基准，对机器人的轨迹位姿进行补偿后再进行修边加工。在线实时补偿是指修边加工过程中，视觉基准检测模块实时测量工件的特征，计算补偿值并进行机器人位姿补偿。
本发明机器人智能修边系统的工作过程如下：
执行自动化修边程序前，需基于工件余量进行修边工艺规划，以确定单次切削量及铣削角度，然后对机器人进行离线编程，根据余量大小及铣削角度进行路径分组、轨迹仿真和碰撞检测，从而确定机器人修边路径。
若余量过大，可依照理论数模去除部分余量。
(一)离线补偿自动化修边流程
(1)视觉检测模块将3D轮廓扫描仪调整至对应位置，机器人携修边末端执行器沿视觉检测路径移动，3D轮廓扫描仪扫描工装基准的完整轮廓。
(2)算法对传感器扫描所得的轮廓点云进行数据处理及分析，得出基准面位置及形貌信息，并进行误差检测和补偿。
(3)以图形分析结果及修边末端执行器运动学模型为依据，调整末端姿态。
(4)根据修边工艺需求及切削余量，完成当前铣削任务。
(5)机器人继续携修边末端执行器移动至下一铣削路径起点，重复步骤(3)和步骤(4)，直至去除全部铣削余量。
(6)机器人携修边末端执行器沿视觉检测路径移动，3D轮廓扫描仪扫描产品基准的完整轮廓，完成基准检测和找正。
(7)重复步骤(2)至步骤(4)，直至完成倒角铣削。
(二)在线实时补偿自动化修边流程
(1)视觉检测模块将3D轮廓扫描仪调整至对应位置，机器人携修边末端执行器沿预设路径移动，3D轮廓扫描仪扫描工装基准的完整轮廓，并将数据实时反馈至上位机。
(2)算法对传感器扫描所得的轮廓点云进行数据处理及分析，得出基准面位置及形貌信息，并进行误差检测和补偿。
(3)以图形分析结果及修边末端执行器运动学模型为依据，实时调整末端姿态，在3D轮廓扫描仪扫描前序基准的同时完成当前位置修边。
(4)根据修边工艺需求及切削余量，完成当前铣削任务。
(5)机器人继续携修边末端执行器移动至下一铣削路径起点，重复步骤(1)至步骤(4)，直至去除全部铣削余量。
(6)机器人携修边末端执行器沿视觉检测路径移动，3D轮廓扫描仪扫描产品基准的完整轮廓，完成基准检测和找正。
(7)重复步骤(2)至步骤(4)，直至完成倒角铣削。
本发明提供了一种机器人智能修边系统，本系统包括机器人子系统、修边末端执行器、管理与控制子系统、附属子系统，其中：
所述机器人子系统包括机器人、定位精度补偿模块和快换模块；
所述修边末端执行器包括修边模块、视觉检测模块、拓展模块和电控、气控模块；
所述管理与控制子系统包括操作控制台、系统控制柜、综合管理软件和系统控制软件；
所述附属子系统包括真空除尘装置、冷却装置、刀库、试刀架、对刀仪、装刀装置、离线编程及仿真软件和安全保护模块。
进一步地，本发明机器人智能修边系统中所述机器人子系统中的机器人包括机器人本体、控制柜和示教器；
所述定位精度补偿模块在机器人工作空间内测量多个关节构型下的末端定位误差，建立机器人运动学误差模型，辨识机器人运动学参数误差，或者建立机器人笛卡尔空间或关节空间下的误差映射；进而通过深度神经网络进行训练，建立空间位姿与误差之间的误差智能补偿模型，将得到的误差智能补偿模型预置到机器人补偿算法中，实现目标点定位误差的估计与补偿，进而提高机器人的绝对定位精度；
所述快换模块提供自动更换修边末端执行器的能力，其由两部分组成，分别为主侧和工具侧；主侧安装在机器人上，工具侧安装在修边末端执行器上，主侧和工具侧可以自动锁紧连接，同时可以连通和传递电信号、气体、水等介质，快换模块为自动更换工具并连通各种介质提供了极大的柔性，可保证在满载荷情况下能够可靠工作上百万次的循环同时保证极高的重复精度；
另外，快换模块可实现在相同工位迅速切换加工工艺，扩展机器人功能，同时可在设备出现故障时，快速切换同类型末端执行器，以保证生产节拍，实现对突发工况的快速响应，其主要优势为：
(1)高重复精度：活塞能担当大的定位销的作用，调整机器人主侧和工具侧，提供高重复精度。满载荷百万次循环测试表明，实际重复精度远远优于保证值。
(2)高硬度：得益于大直径的锁紧活塞和其提供的强大锁紧力，快换模块具有强大的抗力矩能力。锁紧的快换模块不会因为高速的移动产生晃动，从而避免了锁紧失效或重复精度问题。
(3)高可靠性：本发明设计的多锥面锁紧机构，气孔采用特殊设计的长寿命橡胶密封，阻止任何气体泄漏。机器人主侧采用弹簧信号接触针，保证了与工具侧固定信号针的紧密接触。
(4)具有气体丢失保护功能：快换模块锁紧机构具有气体丢失保护功能，能够防止锁紧气突然丢失的情况下工具侧脱离机器人主侧，保证可靠地锁紧。
(5)轻质量紧凑型设计、高柔性：拥有多种可选的水、电、气等介质模块，使得快换模块能够适用于大多数的应用。
进一步地，本发明机器人智能修边系统中所述修边末端执行器包括：修边模块、视觉检测模块、拓展模块和电控、气控模块；
所述修边末端执行器通过快换模块安装在机器人上，连接结构可靠、稳定。
进一步地，本发明修边末端执行器遵照轻量化、高度集成化和模块化的设计原则，采用主轴固定；所述视觉检测模块配置一个或多个自由度以适配不同基准；所述拓展模块提供自动换刀、吸屑、压紧功能和自定义的布局方式；电线、电缆、管道均采用暗线布置，沿机器人本体走线的设置拖链、线管等集束式安装措施，适应设备运行过程中的各种变化，设备运行过程中不会发生扯线等现象；所述快换模块可进行高精度重复连接，整套系统可根据工艺需求，实现在同一工位完成不同类型的加工操作。
进一步地，本发明修边末端执行器中所述修边模块包括电主轴301、刀具夹持装置(刀柄)302、刀具303和主轴固定架304，其中：
所述电主轴为刀具旋转提供动力，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，易于实现主轴定位。主轴的变速由主轴电机控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀柄302和刀具303。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命长；所述电主轴为封闭结构，内部油液不会出现溢出、滴落等现象，适用于铝合金、钛合金、复合材料的加工；
所述刀具夹持装置选用HSK工具系统，为高速短锥型刀柄，接口采用锥面和端面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，锥度为1/10，有利于实现换刀轻型化和高速化；由于采用空心锥体和端面定位，补偿了高速加工时主轴孔与刀柄的径向变形差异，并完全消除了轴向定位误差，使高速、高精度加工成为可能；
所述刀具为整体硬质合金多刃微齿铣刀，每个刀具上有唯一的标识，便于区分和读取，进而进行刀具管理；
本发明中采用多刃微齿铣刀，可以同时兼顾左、右旋刃的加工效果，一方面通过左旋微齿抵消刀具对工件向上抬的力Fr，同时可以对上表层毛刺产生剪切作用；另一方面通过右旋微齿抵消刀具对工件向下压的力Fl，同时可以对下表层毛刺产生剪切作用，二者共同作用使得工件受到的Z轴切削力得到一定程度平衡；合理的刀齿排布方式可使微齿铣刀在任何轴向位置铣削工件都能有效抑制表层损伤。所以微齿铣刀的结构可以对工件上、下表层毛刺损伤起到很好的抑制效果，同时可以在满足质量要求的前提下获得较低的表面粗糙度Sa，成为CFRP铣削加工的优选刀具结构。
进一步地，本发明修边末端执行器中所述刀具夹持装置安装前进行动平衡调校，以保证刀柄的动平衡性；
所述刀具夹持装置中嵌入RFID芯片，作为刀具信息的储存载体，以实现刀具管理。
进一步地，本发明修边末端执行器中所述视觉检测模块用于识别加工基准，计算由于装夹导致的加工基准误差补偿量，保证修边的位置精度；所述视觉检测模块包括图像获取单元和检测识别软件；其中：
所述图像获取单元用于依照工艺需求拍摄并获取加工基准的图像，所述图像获取单元包括3D轮廓扫描仪201和运动机构；所述3D轮廓扫描仪采用激光三角反射原理进行测量，具体来说，通过透镜组，激光束被放大形成一条静态激光线投射到被测物体表面上。激光线在被测物体表面形成漫反射，反射光透过高质量光学系统，被投射到敏感感光矩阵上。除了传感器到被测表面的距离信息(Z轴)，控制器还可以通过图像信息计算得出沿着激光线的位置信息(X轴)。以传感器为原心的二维坐标系内，轮廓仪测量输出一组二维坐标值。移动被测物体或轮廓仪探头，就可以得到一组三维测量值；
所述运动机构由扫描仪支架202、连接板203、微型电动转台204、滑台205、导轨206组成。所述运动机构可适配离线补偿和在线实时补偿两种加工模式，可通过同一修边末端执行器适配不同结构产品，有效提升产品适应性。
所述图像获取单元的工作原理为：所述检测识别软件控制3D轮廓扫描仪201完成图像采集，由上位机进行图像预处理、基准识别和偏差计算，并将基准位置偏差值发送给机器人，完成加工基准找正和修边末端执行器位姿调整。由于待修边的蒙皮位置不同、工况不同，视觉检测模块2需要能够自动调节位置，准确识别图形，因此视觉检测模块2配置了一套可平移和转动的装置。将3D轮廓扫描仪201固定到扫描仪支架202上，通过连接板203将扫描仪支架202与微型电动转台204和滑台205连接在一起，滑台205安装在导轨206上。导轨206通过伺服电机带动丝杠旋转，进而带动滑台205在导轨206上移动，由于滑台205与连接板203连接，从而带动3D轮廓扫描仪201完成平移运动。微型电动转台204由伺服电机、蜗轮蜗杆、轴承组成，当需要转动3D轮廓扫描仪201时，微型电动转台204与扫描仪支架202相连，经伺服电机带动蜗轮蜗杆传动，使扫描仪支架202转动，从而带动3D轮廓扫描仪201转动。
进一步地，本发明修边末端执行器中所述图像获取单元适配以下两种补偿方式：
(1)离线补偿：在修边加工前，通过视觉基准检测模块检测加工基准，并依据该加工基准对机器人的轨迹位姿进行补偿后再进行修边加工；
(2)在线实时补偿：在修边加工过程中，视觉基准检测模块实时测量工件的特征，计算轨迹位姿补偿值并进行机器人位姿补偿；
所述图像获取单元分为基准前置与基准后置两种布局方式：
基准前置：相对于修边末端执行器，修边基准位于待修边缘前侧；针对基准前置工况，基准与待加工工件相对位置不同，为在在线实时补偿模式下使用同一修边末端执行器满足不同工况下的加工需求，图像获取单元配置一个平动和一个转动共两个自由度，以适配离线补偿和在线实时补偿两种加工模式；
基准后置：相对于修边末端执行器，修边基准位于待修边缘后侧；针对基准后置工况，需保证刀具端面处于基准与待修边缘相切处，因此主轴与基准面平行，基准位置与姿态相对于刀具固定，此时图像获取单元仅配置一个平动自由度。
进一步地，本发明修边末端执行器中所述平动自由度的实现方式如下：
平动运动进动机构采用伺服电机带动丝杠旋转，进而带动滑台在导轨上移动；其驱动机构为全封闭式引动器，引动器配置有内滑块，该内滑块的LM滑块和滚珠丝杠螺母在高刚性的U形断面形状外侧轨道的内侧呈整体式构造，其主要优势在于：四方向等负荷、高精度、高刚性；平动自由度精度由直线光栅尺测量并通过控制系统电路进行修正，直线光栅尺测量直线轴位置期间无任何机械传动件，滑块的机械运动误差被滑板中的直线光栅尺检测，并被控制系统电路修正，因此，光栅尺的应用可消除潜在的多个误差源，包括：反向误差；以及滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差；
转动自由度的实现方式如下：
转动运动驱动机构为微型电动转台配伺服电机，所述微型电动转台采用蜗轮蜗杆传动模式，内部选用高精密轴系，旋转精度高，承载能力强，运动平稳，在所述微型电动转台的旋转带动下实现转动自由度。
进一步地，为适应不同产品需求，本发明修边末端执行器中所述修边末端执行器前端配置可拆卸拓展模块，所述拓展模块用于实现自动换刀、吸屑、压紧功能；也可进行功能集成，以备后续为不同工况提供快速响应方案；
所述拓展模块的驱动系统采用两独立气缸，分别固定于所述修边末端执行器的主体转接板上；
所述拓展模块包括吸屑模块、独立压紧模块；其中：
所述吸屑模块前端配置可拆卸柔性喇叭口式吸屑口，实现对刀具的360°包围；吸屑模块前端为柔性材质，可在不损伤产品表面的前提下，使吸屑口最大程度贴合产品表面，提供良好吸力；喇叭口式设计使吸屑口呈外翻状态，从而避免在修边过程中卷入刀具，影响加工；
工作状态下，气缸推动推杆将拓展模块推出，吸屑口整周包围刀具，并与待修边产品接触，吸屑口在修边过程中持续随动于刀具，因此，无论待修边缘与修边末端执行器处于何种相对位置关系，均可提供相同大小的有效吸力；非工作状态下，气缸推杆后撤，带动吸屑模块收回，此时吸屑模块不占用前端空间，该状态同样适用于刃区周边有干涉的工况；
所述吸屑模块前端配置自动开合机构，当需要换刀时，气缸推杆继续后撤，带动开合机构打开，使得吸屑模块自中间分离，从而避让换刀路径，实现自动换刀功能；
所述独立压紧模块配置两个压紧头，分别由两个气缸独立控制，其上装有两组柱塞，以实现在加工过程中保持待修面与背部支撑贴合；所述独立压紧模块工作时，吸屑口固定在主轴基座上，用万向管将吸屑口引至排屑位置，该结构适用于待修面刚性较差，其背部有有效支撑结构件，同时待修面与背部支撑贴合较差的工况。
进一步地，本发明修边末端执行器中所述拓展模块包括集成式吸屑压紧模块，所述集成式吸屑压紧模块将吸屑与压紧功能相结合，利用整周压紧端，在压紧待修面的同时，将吸屑口送至待修边缘；
所述集成式吸屑压紧模块前端配置自动开合机构，当需要换刀时，气缸推杆继续后撤，带动开合机构打开，使得集成式吸屑压紧模块自中间分离，从而避让换刀路径，实现自动换刀功能。
进一步地，本发明修边末端执行器共设有1个电主轴、2个电机、2个气缸以及1个光栅尺，以此为设计依据并预留余量，配置电控、气控模块。
进一步地，本发明机器人智能修边系统中所述管理与控制子系统是机器人智能修边系统的控制中心，其中：
所述操作控制台用于对机器人智能修边系统进行任务管理、监控和数据存储等；所述操作控制台为琴台式结构，内置计算机工作站，并设有多个触摸显示屏，用于操作装配系统，台面设置急停等按钮；
所述系统控制柜内安装PLC模块、变频器、变压器、智能稳压电源、开关、继电器；
所述综合管理软件采用模块化设计，能为系统本身提供全面的基础功能，包括用户身份及权限管理模块、设备管理模块、工装管理模块、程序任务管理模块、数据采集及存储模块、工具链管理模块；所述工具链管理模块包括自检测与校正处理模块、标定模块、视觉检测模块、刀具管理模块、刀具实时监控模块、补偿模块、自动换刀模块；用户还可根据实际生产需要定制加载所需模块；其中：
所述用户身份及权限管理模块通过UKEY对用户身份进行识别认证与权限管理，系统管理员、工艺程序员、设备操作员具有不同的使用权限，可以使用系统内置的不同功能模块；所述自检测与校正处理模块包括自检子模块和校正子模块，自检子模块又包括开机自检和在线监测两个子模块；所述标定模块用于根据系统的状态校正相关参数，使系统的性能保持稳定，满足使用要求；所述视觉检测模块通过3D激光扫描仪采集基准特征的图像，并进行实时的图像处理、特征提取和识别，测量实际工件上加工基准的偏移，从而计算出待修边缘的实时补偿值；所述刀具实时监控模块通过实时采集铣削过程的径向力，将监测值同已知设定模型进行对比，来检测和判断刀具磨损、破损和脱落情况，并进行应急处理，如及时换刀、报警等；所述刀具管理模块用于实现刀具的管理，包含刀具数据库和对应的处理模块，实现对刀具从出库安装到报废的过程进行记录、状态查询、寿命预测等；所述数据采集及存储模块用于采集和记录需要的数据，包括工装和工件数据(识别码、类别、状态等)、系统运行的状态数据(系统运行日志数据等)等；
所述系统控制软件包括PLC控制软件和交互操作软件，PLC控制软件采集各传感器的数据，根据加工流程控制各执行机构，实现加工基准找正、修边、换刀等功能；交互操作软件为PLC的人机交互界面，可进行系统工作模式的切换；在调试模式下，可对各执行机构进行参数设定和动作控制等；可实时显示装配系统的工作状态，各传感器的数据和工作进程等。
进一步地，本发明机器人智能修边系统中所述附属子系统中：
所述真空除尘装置具有除屑功能，用于铝、钛、复材的除屑以及复材粉尘清除净化；
考虑到切屑中有碳纤维粉尘，配置防爆防静电气动吸尘器。以下几方面的设计使得该吸尘器具有优异的防爆性能：
(1)配置导静电软管，避免静电火花产生。
(2)配置导静电防爆过滤器。
(3)以压缩空气为动力，无须电源，无运转部件，无过热现象。
真空除尘系统结构紧凑，便于集成，可持续长时间工作，无需过多维护。配置强力反吹系统，自动吹气将过滤器上的粉尘清理干净，保护机器，提高工作效率。
所述冷却装置采用水冷机；水冷机可以确保把水温精确控制在主轴的最佳工作温度区间，使得主轴在不同室温环境下都可以得到很好的温控保护。
所述刀库用于存放刀具组件，采用盘式刀库设计，在管理与控制子系统的控制下实现换刀功能和刀具管理；所述刀库包括刀具组件、旋转刀盘、换刀模块、信息读取模块和刀库控制柜；其中：
刀具组件包括刀柄和刀具，刀柄上集成RFID存储芯片。根据工件上铆钉的型号，安装不同规格的刀具。刀具上标识码，以实现刀具标识和管理。入库的刀具组件经过刀具预调仪测量，并将测量数据写入刀柄上的RFID存储芯片。
信息读取模块主要作用是读取刀柄组件RFID芯片中存储的刀具信息，便于实现刀具管理和补偿。信息读取模块和刀柄组件RFID芯片匹配，刀具组件入库时，操作人员手持刀具组件，使芯片对准并贴靠安装在刀库侧面的读写头上，系统自动读取存储的信息。
旋转刀盘根据需要配置刀具组件位。
换刀模块主要由自动换刀臂及刀位切换机构组成。
刀库控制柜用于控制刀库，完成换刀、刀具组件入库、刀具组件出库等操作。刀库控制柜与刀库是一体化设计，结构紧凑、便于维护。
所述试刀架用于自动试刀、试片工艺试验和对刀标定；
自动试刀：智能修边系统在试刀架上对功能、性能和工艺流程进行验证，确保系统工作状态正常；安装新的刀具后在试刀架上进行刀具测试等。
试片工艺试验：智能修边系统在对新材料的工件进行修边前，一般需要在相同材料的试片上进行修边试验，以确定加工工艺参数。
对刀标定：针对蒙皮修边后保证与下层的骨架齐平工况，智能修边系统换刀后进行修边前，在试刀架进行刀具标定，从而确定刀尖补偿值，消除刀具及安装的误差，保证修边精度，以免损伤基准。
智能修边系统配置架外对刀仪，所述对刀仪由一个高精度的开关(测头)、一个高硬度、高耐磨的硬质合金四面体(对刀探针)和一个信号传输接口器组成，四面体探针是用于与刀具进行接触，并通过安装在其下的挠性支撑杆，把力传至高精度开关；开关所发出的通、断信号，通过信号传输接口器，传输到数控系统中进行刀具方向识别、运算、补偿、存取等，以保证刀尖位置准全，避免损伤基准。
所述装刀装置用于快速手动装卸刀具，可根据刀柄规定的压力和装置上的压力指示器进行手动加压，操作简单、安全。
所述离线编程及仿真软件由机器人参数接口、机器人仿真模拟器和一个用于生成可被机器人执行的离线程序后处理器组成，用于完成工件三维数模的读取、模型数据提取与转换、坐标系统的转换、机器人程序代码的自动生成、轨迹规划、干涉检查、过程仿真与优化、可执行代码的生成；在交互式图形化的操作界面中，自动提取出点位信息，生成加工路径点；通过计算零件表面特征，自动生成路径点的矢量方向；可根据不同的排序规则将选定的路径点排序，生成加工序列；可在工装、工件、机器人、末端执行器模型中对编程路径和循环过程进行仿真，对发生的干涉等问题进行示警提示，对优化系统运动轨迹进行提示。
所述安全保护模块包括机器人安全保护模块和安全控制器。本修边机器人最多可同时设置8个笛卡尔和8个与轴相关的工作空间，所述工作空间允许叠加，机器人只在已设置并激活的工作空间范围内运动，实际位置按照已经设定的安全参数不断地进行计算并进行监视，如果超过了监视限制范围或安全参数，监控将作出响应，机器人自动停止，从而为设备和人员提供安全保障。
配置Flexi Soft安全控制器，其可以通过EFI接口读取传感器数据、接收警告信号或切换安全激光扫描器的保护区域。此外，Flexi Soft适用于控制和监控大量接触式和非接触式安全传感器和激励元件、防护门开关、急停装置、双手控制器、安全光电开关、安全光幕以及安全激光扫描器。
此外，本发明还涉及上述机器人智能修边系统在飞机装配产业中的应用。
综上，本发明机器人智能修边系统具有以下优点：
(1)以自动化设备代替现有人工修边方式，可提质增效，减少对操作人员的身体伤害。
(2)与现有其他类型自动化加工末端执行器相比，本发明装置可适应离线补偿和在线实时补偿，可根据待加工件自身特性等综合因素选择合适算法策略。
(3)与现有其他类型自动化加工末端执行器相比，本发明使用同一修边末端执行器即可适配不同产品构型，产品适应性获得大幅提升。
(4)本修边末端执行器通过快换机构实现与机器人的稳定连接，快换模块可实现高精度重复连接，可根据工艺需求，为以同一工位实现不同加工功能提供可能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对本发明实施例中需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下述附图仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明机器人智能修边系统整体组成框图。
图2为本发明机器人智能修边系统示意性布局图。
图3为本发明机器人智能修边系统中采用的KR420 R3080工业六轴串联机器人结构图。
图4为本发明机器人智能修边系统中采用的KUKA KR420 R3080机器人工作空间示意图。
图5为本发明机器人智能修边系统中采用的KUKA KR420 R3080机器人负载能力示意图。
图6为本发明机器人智能修边系统中快换模块结构示意图，其中，左图显示为主侧，右图显示为工具侧。
图7为本发明系统中修边末端执行器基础结构示意图。
图8为本发明系统中修边末端执行器和机器人的安装方式示意图。
图9为本发明系统修边末端执行器中修边模块示意图。
图10为本发明系统修边末端执行器中铣削受力状态示意图。
图11为本发明系统修边末端执行器中激光三角反射原理示意图。
图12为本发明系统修边末端执行器实施例中相邻蒙皮一边或者两边修边后保证对缝间隙工况示意图。
图13为本发明系统修边末端执行器实施例中蒙皮修边后保证与骨架的对缝间隙工况示意图。
图14为本发明系统修边末端执行器实施例中修边后保证蒙皮与基准的相对位姿工况示意图。
图15为本发明系统修边末端执行器视觉检测模块中图像获取单元自由度配置示意图。
图16为本发明系统修边末端执行器中引动器结构示意图。
图17为本发明系统修边末端执行器中微型电动转台示意图。
图18为本发明系统修边末端执行器实施例中蒙皮修边后保证与下层的骨架齐平工况示意图。
图19为本发明系统修边末端执行器中拓展模块驱动气缸位置示意图。
图20为本发明系统修边末端执行器中工作状态下吸屑模块示意图。
图21为本发明系统修边末端执行器中非工作状态下吸屑模块示意图。
图22为本发明系统修边末端执行器中换刀状态下吸屑模块示意图。
图23为本发明系统修边末端执行器中独立压紧模块示意图。
图24为本发明系统修边末端执行器中集成式吸屑压紧模块示意图。
图25为本发明系统修边末端执行器中电控、气控模块示意图。
图26为本发明系统中用户身份及权限管理模块软件界面示意图。
图27为本发明系统中交互操作软件界面示意图。
图28为本发明系统中刀库结构示意图。
图29为本发明系统中旋转刀盘结构示意图。
图30为本发明系统中换刀模块结构示意图。
图31为本发明系统中自动换刀过程示意图。
图32为本发明系统中试刀架结构示意图。
图注：1、快换模块；2、视觉检测模块；3、修边模块；4、拓展模块；201、3D轮廓扫描仪；202、扫描仪支架；203、连接板；204、微型电动转台；205、滑台；206、导轨；301、电主轴；302、刀具夹持装置；303、刀具；304、主轴固定架。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例及相应的附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
同时，应理解，本发明的保护范围并不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例：一种机器人智能修边系统
本发明机器人智能修边系统包括机器人子系统、修边末端执行器子系统、管理与控制子系统和附属子系统，如图1和图2所示。
1.机器人子系统
机器人子系统包括机器人、定位精度补偿模块和快换模块。机器人通过安装座固定安装在地基表面。
1.1机器人
机器人包括机器人本体、控制柜和示教器。
根据末端执行器的重量、加工过程的铣削力、有效工作空间，综合考虑机器人应具有足够的刚性，选择KUKA FORTEC系列的KR420 R3080工业六轴串联机器人，其结构如图3所示，主要技术指标见表1。
表1KUKA KR420 R3080工业六轴串联机器人主要技术指标
序号 项目 指标
1 最大运动范围 3076mm
2 额定负载 420kg
3 旋转机构/大臂/小臂的额定附加负载 0kg/0kg/50kg
4 位姿重复精度(ISO 9283) ±0.08mm
5 轴数 6
6 安装位置 地面
7 占地面积 1050mm×1050mm
8 重量 约2415kg
9 防护等级 IP65
KUKA KR420 R3080机器人的可达工作空间如图4所示，其末端负载能力如图5所示。机器人配置KUKA KR C4控制柜和SmartPAD示教器。
1.2定位精度补偿模块
在工作空间内，KUKAKR420 R3080机器人的重复定位精度为±0.08mm，其绝对定位精度在不同的位置约为±1mm～±3mm，无法满足飞机装配的要求，故采用精度补偿的方法来提高绝对定位精度。
定位精度补偿技术：
在机器人工作空间内测量若干关节构型下的末端定位误差，建立机器人运动学误差模型，辨识机器人运动学参数误差，或者建立机器人笛卡尔空间或关节空间下的误差映射。
通过深度神经网络进行训练，建立空间位姿与误差之间的误差智能补偿模型。将得到的误差智能补偿模型预置到机器人补偿算法中，实现目标点定位误差的估计与补偿，进而提高机器人的绝对定位精度。
1.3快换模块
机器人工具快换装置提供自动更换末端执行器的能力，其由两部分组成，分别称为主侧和工具侧，如图6所示，两侧设计可以自动锁紧连接同时可以连通和传递例如电信号、气体、水等介质。机器人工具快换装置为自动更换工具并连通各种介质提供了极大的柔性。工具快换装置的主侧安装在机器人上，工具侧安装在末端执行器上，系列快换装置的设计保证在满载荷情况下能够可靠工作上百万次的循环同时保证极高的重复精度。
快换模块可实现在相同工位迅速切换加工工艺，扩展机器人功能，同时可在设备出现故障时，快速切换同类型末端执行器，以保证生产节拍，实现对突发工况的快速响应，其主要优势为：
(1)高重复精度：活塞能担当大的定位销的作用，调整机器人侧和工具侧，提供高重复精度。满载荷百万次循环测试表明，实际重复精度远远优于保证值。
(2)高硬度：得益于大直径的锁紧活塞和其提供的强大锁紧力，工具快换装置具有强大的抗力矩能力。锁紧的工具快换装置不会因为高速的移动产生晃动，从而避免了锁紧失效或重复精度问题。
(3)高可靠性：本发明设计的多锥面锁紧机构，气孔采用特殊设计的长寿命橡胶密封，阻止任何气体泄漏。机器人侧采用弹簧信号接触针，保证了与工具侧固定信号针的紧密接触。
(4)具有气体丢失保护功能：工具快换装置锁紧机构具有气体丢失保护功能，能够防止锁紧气突然丢失的情况下工具侧脱离机器人侧，保证可靠地锁紧。
(5)轻质量紧凑型设计、高柔性：拥有多种可选的水、电、气等介质模块，使得工具快换装置能够适用于大多数的应用。
2.修边末端执行器子系统
修边末端执行器是本机器人智能修边系统的核心部分，本发明修边末端执行器主要包括修边模块3、视觉检测模块2、拓展模块4和电控、气控模块，其通过快换模块1安装在机器人上，连接结构可靠、稳定。
本修边末端执行器遵照轻量化、高度集成化和模块化的原则设计，采用主轴固定，视觉检测模块配置自由度以适配不同基准，拓展模块提供吸屑、压紧的可选功能的布局方式，其电线、电缆、管道等采取暗线布置，沿机器人本体走线，设置拖链、线管等集束式安装措施，适应设备运行过程中的各种变化，设备运行过程中不会发生扯线等现象。
本修边末端执行器与机器人采用快换模块连接，其基础结构如图7所示，其安装方式如图8所示。快换模块可实现高精度重复连接，整套系统可根据工艺需求，实现在同一工位完成不同类型的加工操作。
2.1修边模块
修边模块包括电主轴301、刀具夹持装置(刀柄)302、刀具303和主轴固定架(安装结构件)304等，如图9所示，其通过电主轴带动刀具旋转，实现修边功能。
2.1.1电主轴
电主轴为刀具旋转提供动力，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，易于实现主轴定位。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。
主轴的变速由主轴电机控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀柄302和刀具303。
本申请电主轴选用封闭结构，内部油液不会出现溢出、滴落等现象，适用于铝合金、钛合金、复合材料的加工。
2.1.2刀具夹持装置
刀具夹持装置选用HSK工具系统，其是一种新型的高速短锥型刀柄，接口采用锥面和端面同时定位的方式，刀柄为中空，锥体长度较短，锥度为1/10，有利于实现换刀轻型化和高速化。由于采用空心锥体和端面定位，补偿了高速加工时主轴孔与刀柄的径向变形差异，并完全消除了轴向定位误差，使高速、高精度加工成为可能。
刀柄中嵌入Balluff公司的RFID芯片(BIS C-122-04/L)，作为刀具信息的储存载体，以实现刀具管理。
刀柄出厂前进行动平衡调校，以保证刀柄的动平衡性。
2.1.3刀具
采用整体硬质合金微齿铣刀，每个刀具上有唯一的标识，便于区分和读取，进而进行刀具管理。
对于直刃铣刀来说，当工件厚度方向振动幅值过大时，刀刃对表层纤维的剥离作用强于稳态切削，由于工件上、下表层处于弱约束状态，因此容易造成上、下表层均出现毛刺或者撕裂损伤。如图10所示，在振动状态下，一方面，当工件铣削端由于刀具作用Flo而处于夹持端水平面以下时，可以将刀具的运动状态等效为左旋螺旋刃铣刀的加工效果，由于工件受到左旋刃铣刀Z轴负方向的力Fl，导致下表层易出现毛刺；另一方面，当工件铣削端由于刀具作用Fup而处于夹持端水平面以上时，可以将刀具的运动状态等效为右旋螺旋刃铣刀的加工效果，由于工件受到右旋刃铣刀Z轴正方向的力Fr，导致上表层易出现毛刺，对于多刃微齿铣刀来说，可以同时兼顾左、右旋刃的加工效果，一方面通过左旋微齿抵消刀具对工件向上抬的力Fr，同时可以对上表层毛刺产生剪切作用；另一方面通过右旋微齿抵消刀具对工件向下压的力Fl，同时可以对下表层毛刺产生剪切作用，二者共同作用使得工件受到的Z轴切削力得到一定程度平衡；合理的刀齿排布方式可使微齿铣刀在任何轴向位置铣削工件都能有效抑制表层损伤。所以微齿铣刀的结构可以对工件上、下表层毛刺损伤起到很好的抑制效果，同时可以在满足质量要求的前提下获得较低的表面粗糙度Sa，成为CFRP铣削加工的优选刀具结构。
2.2视觉检测模块
视觉检测模块用于识别加工基准，计算由于装夹导致的加工基准误差补偿量，保证修边的位置精度。主要包括图像获取单元和检测识别软件。
2.2.1图像获取单元
(1)3D轮廓扫描仪
图像获取单元以3D轮廓扫描仪为主体，用于依照工艺需求拍摄并获取加工基准的图像。3D轮廓扫描仪采用激光三角反射原理，如图11所示。通过特殊的透镜组，激光束被放大形成一条静态激光线投射到被测物体表面上。激光线在被测物体表面形成漫反射，反射光透过高质量光学系统，被投射到敏感感光矩阵上。除了传感器到被测表面的距离信息(Z轴)，控制器还可以通过图像信息计算得出沿着激光线的位置信息(X轴)。以传感器为原心的二维坐标系内，轮廓仪测量输出一组二维坐标值。移动被测物体或轮廓仪探头，就可以得到一组三维测量值。
(2)运动机构
本修边末端执行器可适配两种补偿技术：离线补偿和在线实时补偿。离线补偿是指在修边加工前，通过视觉基准检测模块检测加工基准，对机器人的轨迹位姿进行补偿后再进行修边加工。在线实时补偿是指修边加工过程中，视觉基准检测模块实时测量工件的特征，计算并进行机器人位姿补偿。
运动机构由扫描仪支架202、连接板203、微型电动转台204、滑台205、导轨206组成。所述运动机构可适配离线补偿和在线实时补偿两种加工模式，可通过同一修边末端执行器适配不同结构产品，有效提升产品适应性。
图像获取单元的工作原理为：检测识别软件控制3D轮廓扫描仪201完成图像采集，由上位机进行图像预处理、基准识别和偏差计算，并将基准位置偏差值发送给机器人，完成加工基准找正和修边末端执行器位姿调整。由于待修边的蒙皮位置不同、工况不同，视觉检测模块2需要能够自动调节位置，准确识别图形，因此视觉检测模块2配置了一套可平移和转动的装置。将3D轮廓扫描仪201固定到扫描仪支架202上，通过连接板203将扫描仪支架202与微型电动转台204和滑台205连接在一起，滑台205安装在导轨206上。导轨206通过伺服电机带动丝杠旋转，进而带动滑台205在导轨206上移动，由于滑台205与连接板203连接，从而带动3D轮廓扫描仪201完成平移运动。微型电动转台204由伺服电机、蜗轮蜗杆、轴承组成，当需要转动3D轮廓扫描仪201时，微型电动转台204与扫描仪支架202相连，经伺服电机带动蜗轮蜗杆传动，使扫描仪支架202转动，从而带动3D轮廓扫描仪201转动。
依据基准前置与基准后置布局方式，图像获取单元可分为两大类别：
a)基准前置，即：相对于修边末端执行器，修边基准位于待修边缘前侧，对应于下述三种工况(仅作为举例，可适应更多工况)：
工况一：相邻蒙皮一边或者两边修边后保证对缝间隙，示例工况如图12所示。
工况二：蒙皮修边后保证与骨架的对缝间隙，示例工况如图13所示。
工况三：以某特征为基准，修边后保证蒙皮与基准的相对位姿(如平行)，示例工况如图14所示。
针对基准前置工况，基准与待加工工件相对位置不同，为在在线实时补偿模式下使用同一修边末端执行器满足不同工况下的加工需求，图像获取单元配置一平动一转动自由度，基础结构包括导轨、滑台、伺服电机和转接夹具等，如图15所示。其优势在于，可适配离线补偿和在线实时补偿两种加工模式，可通过同一修边末端执行器适配不同结构产品，有效提升产品适应性。
平动运动进动机构采用伺服电机带动丝杠旋转，进而带动滑台在导轨上移动的方案。驱动机构选用紧凑型高刚度高精度全封闭式引动器，其结构如图16所示。
该系列引动器配置有内滑块，该内滑块的LM滑块和滚珠丝杠螺母在高刚性的U形断面形状外侧轨道的内侧呈整体式构造。其主要优势在于：四方向等负荷、高精度、高刚性。
平动自由度精度由光栅尺保证，直线光栅尺测量直线轴位置期间无任何机械传动件，滑块的机械运动误差被滑板中的直线光栅尺检测，并被控制系统电路修正，因此，光栅尺的应用可消除潜在的多个误差源，包括：反向误差；以及滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差。
转动运动驱动机构选用微型电动转台配伺服电机，如图17所示，该电动转台采用蜗轮蜗杆传动模式，经由特殊工艺处理，产品耐磨性高，精度可靠，内部选用高精密轴系，旋转精度高，承载能力强，运动平稳。
b)基准后置，即：相对于修边末端执行器，修边基准位于待修边缘后侧，对应于蒙皮修边后保证与下层的骨架齐平工况，如图18所示：
在该类型工况下，需保证刀具端面处于基准与待修边缘相切处，因此主轴与基准面平行，基准位置与姿态相对于刀具固定，仅为视觉检测模块提供一平动自由度即可。
2.2.2检测识别软件
检测识别软件控制3D轮廓扫描仪完成图像采集，由上位机进行图像预处理、基准识别和偏差计算等，并将基准位置偏差值发送给机器人，完成加工基准找正和修边末端执行器位姿调整。
2.3拓展模块
为适应不同产品需求，修边末端执行器前端配置可拆卸拓展模块，其在可实现自动换刀功能的前提下，根据客户需求提供吸屑、压紧等不同功能，也可进行功能集成，以备后续为不同工况提供快速响应方案。
拓展模块驱动系统均采用两独立气缸，分别固定于修边末端执行器主体转接板，如图19所示。
(1)吸屑模块
吸屑模块为通用型模块，前端配置柔性喇叭口式吸屑口，工作状态下，气缸推动推杆将拓展模块推出，柔性吸屑口整周包围刀具，并与待修边产品接触，如图20所示。其主要优势在于：
a)实现对刀具的360°包围，并可在修边过程中持续随动于刀具，因此，无论待修边缘与修边末端执行器处于何种相对位置关系，均可提供相同大小的有效吸力；
b)前端为柔性材质，可在不损伤产品表面的前提下，使吸屑口最大程度贴合产品表面，提供良好吸力；
c)喇叭口式设计使吸屑口呈外翻状态，从而避免在修边过程中卷入刀具，影响加工；
d)柔性吸屑口与拓展模块主体为分体式设计，装卸方便，便于维护。
非工作状态下，气缸推杆后撤，带动吸屑模块收回，如图21所示，该状态下，吸屑模块不占用前端空间，该状态同样适用于刃区周边有干涉的工况。
因主轴无运动自由度，为实现自动换刀功能，吸屑模块前端配置自动开合机构，如图22所示，当需要换刀时，气缸推杆继续后撤，带动开合机构打开，使得吸屑模块自中间分离，从而避让换刀路径。
(2)独立压紧模块
独立压紧模块配置两个压紧头，分别由两个气缸独立控制，其上装有两组柱塞，以实现在加工过程中保持待修面与背部支撑贴合，独立压紧模块如图23所示，使用该拓展模块时，吸屑口固定在主轴基座上，用万向管将吸屑口引至排屑位置。该结构适用于待修面刚性较差，其背部有有效支撑结构件，同时待修面与背部支撑贴合较差的工况。
(3)集成式吸屑压紧模块
集成式吸屑压紧模块将吸屑与压紧功能相结合，利用整周压紧端，在压紧产品的同时，将吸屑口送至待修边缘，同时采用与吸屑模块相同方式实现自动换刀，其结构如图24所示。
2.4电控、气控模块
智能修边末端执行器共设有1电主轴、2电机、2气缸以及1光栅尺，以此为设计依据并预留余量，配置电控、气控模块，如图25所示。
3.管理与控制子系统
管理与控制系统是机器人智能修边系统的控制中心，包括操作控制台、系统控制柜、综合管理软件和系统控制软件。
3.1操作控制台
操作控制台被放置在安全防护系统外面，用于对机器人智能修边系统进行任务管理、监控和数据存储等。
操作控制台为琴台式结构，内置计算机工作站，并设有多个触摸显示屏，用于操作装配系统，台面设置急停等按钮。
3.2系统控制柜
系统控制柜内安装PLC和相关模块、变频器、变压器、智能稳压电源、开关、继电器等。
采用防导电、防尘措施，防护等级为IP54。控制柜输入电压380V，内部设置变压器，为220V电器设备供电。控制柜内配置设备电力智能稳压电源，具有稳压、漏电保护和断电保护功能。
3.3综合管理软件
综合管理软件采用模块化设计，能为系统本身提供全面的基础功能，包括：
(1)用户身份及权限管理模块；
(2)设备管理模块；
(3)工装管理模块；
(4)程序任务管理模块；
(5)数据存储模块；
(6)工具链管理模块等；
其中，工具链管理模块包括：系统检测、校正处理模块；视觉检测模块；刀具管理模块；补偿模块；自动换刀模块等；用户可根据实际生产需要定制加载所需模块。
3.3.1用户身份及权限管理模块
系统通过UKEY对用户身份进行识别认证与权限管理，系统管理员、工艺程序员、设备操作员具有不同的使用权限，可以使用系统内置的不同功能模块，用户身份及权限管理模块软件界面如图26所示。
对于设备操作员，系统设计其使用扫码枪对被加工产品工装进行扫描，按任务提示进行一键式操作，最大限度地降低了操作者的使用难度。
对于工艺程序员和系统管理员，系统则授予其更高的权限，可以解锁相应的进阶功能，如参数设定、系统检查、程序更新等。
3.3.2自检测模块
自检测及校正模块包括自检子模块和校正子模块。
自检子模块又包括开机自检和在线监测两个子模块。开机自检子模块在系统上电后执行任务前自动执行，完成对机器人、修边末端执行器、刀库等的状态检查，如果发现问题及时报警。监测子模块在线循环执行，通过实时采集和记录各系统的数据，对数据进行分析和对比，对系统的状态进行评估，对于异常的情况给出警告和应急处理，对于可能造成损失的动作也会及时停止。
3.3.3标定模块
标定模块用于根据系统的状态校正相关参数，使系统的性能保持稳定，满足使用要求。
标定模块主要完成对3D轮廓扫描仪参数的标定、机器人定位精度补偿等。
标定模块提供自动化的标定流程，极大节省了系统调试的时间，降低了调试难度。
3.3.4视觉检测模块
视觉检测模块通过3D激光扫描仪采集基准特征的图像，并进行实时的图像处理、特征提取和识别，测量实际工件上加工基准的偏移，从而计算出待修边缘的实时补偿值。
3.3.5刀具实时监控模块
刀具实时监控模块对刀具的磨损、破损、脱落情况进行在线检测、监视和评估，并进行应急处理，如及时换刀、报警等。
刀具监控系统通过实时采集铣削过程的径向力，将监测值同已知设定模型进行对比，来检测和判断刀具磨损、破损和脱落。
监控系统首先学习铣削过程的能耗状态，建立典型铣削过程的参考模型，当刀具磨损时，其加工过程将消耗更多能量，当刀具破损时，能量消耗会短暂出现跳动峰值，如果刀具在脱落的状态下加工，其消耗的能量将至零。监控系统检测刀破损和脱落时，会给出故障信息，系统立即停止运转。
3.3.6刀具管理模块
刀具管理模块用于实现刀具的管理，包含刀具数据库和对应的处理模块，实现对刀具从出库安装到刀柄报废的过程进行记录、状态查询、寿命预测等。
对于一把新刀具，从工作人员领料到报废的管理过程如下：
(1)每把刀均有唯一的ID，新刀具入库前在刀具管理系统数据库进行注册，建立相应的记录。
(2)采用装刀装置将刀具安装到刀柄上，形成刀具组件。刀具组件通过刀具预调仪测量和对刀，数据(包括刀长、直径、阶梯角度等)写入刀柄上的RFID存储芯片(先擦除该刀柄芯片上已有的信息)。
(3)刀具组件入库：系统自动读取刀具的ID，并与刀具管理系统比对。注册过的刀具，再读取刀柄组件RFID芯片中存储的数据，写入数据库。操作人员将刀具组件放置到刀库自动换刀臂的卡槽中。自动换刀臂动作，将刀具组件传送到刀库内部，并放置到系统分配的刀位上。
(4)刀具使用出库：机器人智能修边系统选择正确的刀具，并通过换刀流程将刀具组件出库，并安装到主轴上。
(5)刀具使用及入库：刀具在使用过程中，历史数据均写入数据库。刀具实时监控系统实时监测刀具的磨损情况，判断是否达到使用寿命。使用完成后，再通过换刀流程将其再次入库。
(6)刀具报废出库：刀具达到使用寿命后，会在操作控制台上提示。操作人员按照操作提示，将对应的刀具组件出库。出库时读取刀柄上RFID芯片中的数据，确保刀具信息正确。
(7)刀具报废：采用装刀装置将刀具从刀柄上卸下。刀柄可安装新的刀具，重复使用。刀具做好报废标识，放入报废区。
3.3.7数据采集及存储模块
数据采集及存储模块用于采集和记录需要的数据，包括工装和工件数据(识别码、类别、状态等)、系统运行的状态数据(系统运行日志数据等)等。
3.3.8用户定制模块
综合管理软件可针对客户需求进行软件模块定制，实现将车间内其它的设备信息接入，向所有节点设备提供数据服务等功能；也可将系统数据接入现有的厂级信息系统，解决基层设备信息孤岛的问题，实现设备网络化、服务模块化，从而为后续大数据应用(如基于大数据和深度学习的工艺参数优化等)和智能化管理提供条件。
3.4系统控制软件
3.4.1PLC控制软件
系统控制软件为PLC控制软件，采集各传感器的数据，根据加工流程控制各执行机构，实现加工基准找正、修边、换刀等功能。
3.4.2交互操作软件
交互操作软件为PLC的人机交互界面，如图27所示。可进行系统工作模式的切换；在调试模式下，可对各执行机构进行参数设定和动作控制等；可实时显示装配系统的工作状态，各传感器的数据和工作进程等。
4.附属子系统
4.1真空除尘装置
真空除尘装置具有除屑功能，用于铝、钛、复材等的除屑以及复材粉尘清除净化。
考虑到切屑中有碳纤维粉尘，配置防爆防静电气动吸尘器。以下几方面的设计使得该吸尘器具有优异的防爆性能：
(1)配置导静电软管，避免静电火花产生。
(2)配置导静电防爆过滤器。
(3)以压缩空气为动力，无须电源，无运转部件，无过热现象。
真空除尘系统结构紧凑，便于集成，可持续长时间工作，无需过多维护。配置强力反吹系统，自动吹气将过滤器上的粉尘清理干净，保护机器，提高工作效率。
真空除尘装置有第三方国际认证机构(欧盟)颁发的整机防爆认证证书，可保证空间粉尘污染程度低于国家标准GB5817-2009的0级要求。吸尘口直径50mm，防爆等级满足20区防爆要求，吸尘系统具有烟雾、粉尘吸附或回收装置，防止二次污染。
4.2冷却装置
电主轴采用水冷机对其进行冷却，选择市场上成熟的水冷机产品，该水冷机可以确保把水温精确控制在主轴的最佳工作温度区间，使得主轴在不同室温环境下都可以得到很好的温控保护。
4.3刀库
外制孔系统通过末端执行器和刀库配合实现自动换刀功能。
刀库如图28所示，用于存放刀具组件，采用盘式刀库方案，在管理和控制子系统的控制下实现换刀功能和刀具管理。
刀库包括刀具组件、旋转刀盘、换刀模块、信息读取模块和刀库控制柜。
4.3.1刀具组件
刀具组件包括刀柄和刀具，刀柄上集成RFID存储芯片。根据工件上铆钉的型号，安装不同规格的刀具。刀具上标识码，以实现刀具标识和管理。
入库的刀具组件经过刀具预调仪测量，并将测量数据写入刀柄上的RFID存储芯片。
4.3.2信息读取模块
信息读取模块主要作用是读取刀柄组件RFID芯片中存储的刀具信息，便于实现刀具管理和补偿。
信息读取模块和刀柄组件RFID芯片匹配，刀具组件入库时，操作人员手持刀具组件，使芯片对准并贴靠安装在刀库侧面的读写头上，系统自动读取存储的信息。
4.3.3旋转刀盘
旋转刀盘根据需要配置刀具组件位，如图29所示。
4.3.4换刀模块
换刀模块主要由自动换刀臂及刀位切换机构组成，如图30所示。
4.3.5刀库控制柜
刀库控制柜用于控制刀库，完成换刀、刀具组件入库、刀具组件出库等操作。严禁操作人员直接打开刀库门，将刀具组件放到旋转刀盘的刀位上。
刀库控制柜与刀库是一体化设计，结构紧凑、便于维护。
4.3.6自动换刀流程
如图31所示，钻孔系统的自动换刀流程如下：
(1)系统收到换刀信号，刀库自检。
(2)刀库门自动打开，自动换刀臂旋转至换刀位。
(3)机器人带着末端执行器移动到换刀位将刀具组件卡入卡槽后，移开。
(4)旋转刀盘运动，到达为刀具分配的刀位。
(5)自动换刀臂运动，将刀具组件送入刀库，并装入分配的卡槽中。
(6)旋转刀盘运动，使要换上的刀具组件对应的刀位就位。
(7)自动换刀臂运动，将刀具组件送出刀库，到达换刀位。
(8)机器人带着末端执行器移动到换刀位将刀具组件装入主轴，拉刀移开。
(9)自动换刀臂旋转至初始状态，刀库门自动关闭。
4.4试刀架
如图32所示，系统通过试刀架实现三个功能：自动试刀、试片工艺试验和对刀标定。
自动试刀：智能修边系统在试刀架上对功能、性能和工艺流程进行验证，确保系统工作状态正常；安装新的刀具后在试刀架上进行刀具测试等。
试片工艺试验：智能修边系统在对新材料的工件进行修边前，一般需要在相同材料的试片上进行修边试验，以确定加工工艺参数。
对刀标定：针对蒙皮修边后保证与下层的骨架齐平工况，智能修边系统换刀后进行修边前，在试刀架进行刀具标定，从而确定刀尖补偿值，消除刀具及安装的误差，保证修边精度，以免损伤基准。
4.5对刀仪
针对蒙皮修边后保证与下层的骨架齐平工况，智能修边系统配置架外对刀仪，以保证修边过程中刀尖位置准全，从而避免损伤基准。
对刀仪的核心部件是由一个高精度的开关(测头)，一个高硬度、高耐磨的硬质合金四面体(对刀探针)和一个信号传输接口器组成。四面体探针是用于与刀具进行接触，并通过安装在其下的挠性支撑杆，把力传至高精度开关；开关所发出的通、断信号，通过信号传输接口器，传输到数控系统中进行刀具方向识别、运算、补偿、存取等。
4.6装刀装置
装刀装置用于快速手动装卸刀具，可根据刀柄规定的压力和装置上的压力指示器进行手动加压，操作简单、安全。
选用通用的工具，可通过换装不同的套筒，适应其它规格的应力夹紧式刀柄。
4.7离线编程及仿真软件
离线编程及仿真软件选用神工自主开发的离线编程软件SK-Simulator。
该软件由机器人参数接口、机器人仿真模拟器和一个用于生成可被机器人执行的离线程序后处理器组成，可以完成工件三维数模的读取、模型数据提取与转换、坐标系统的转换、机器人程序代码的自动生成、轨迹规划、干涉检查、过程仿真与优化、可执行代码的生成等功能。
在交互式图形化的操作界面中，自动提取出点位信息，生成加工路径点；通过计算零件表面特征，自动生成路径点的矢量方向；可根据不同的排序规则将选定的路径点排序，生成加工序列；可在工装、工件、机器人、末端执行器模型中对编程路径和循环过程进行仿真，对发生的干涉等问题进行示警提示，对优化系统运动轨迹进行提示。
4.8安全保护模块
4.8.1机器人安全保护模块
本修边机器人最多可同时设置8个笛卡尔和8个与轴相关的工作空间，所述工作空间允许叠加，机器人只在已设置并激活的工作空间范围内运动，实际位置按照已经设定的安全参数不断地进行计算并进行监视，如果超过了监视限制范围或安全参数，监控将作出响应，机器人自动停止，从而为设备和人员提供安全保障。
4.8.2安全控制器
配置Flexi Soft安全控制器，其可以通过EFI接口读取传感器数据、接收警告信号或切换安全激光扫描器的保护区域。此外，Flexi Soft适用于控制和监控大量接触式和非接触式安全传感器和激励元件、防护门开关、急停装置、双手控制器、安全光电开关、安全光幕以及安全激光扫描器。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰获得等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种机器人智能修边系统，其特征在于，所述机器人智能修边系统包括机器人子系统、修边末端执行器、管理与控制子系统、附属子系统，其中：
所述机器人子系统包括机器人、定位精度补偿模块和快换模块；
所述修边末端执行器包括修边模块、视觉检测模块、拓展模块和电控、气控模块；
所述管理与控制子系统包括操作控制台、系统控制柜、综合管理软件和系统控制软件；
所述附属子系统包括真空除尘装置、冷却装置、刀库、试刀架、对刀仪、装刀装置、离线编程及仿真软件和安全保护模块。
2.根据权利要求1所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述机器人子系统中的机器人包括机器人本体、控制柜和示教器；
所述定位精度补偿模块在机器人工作空间内测量多个关节构型下的末端定位误差，建立机器人运动学误差模型，辨识机器人运动学参数误差，或者建立机器人笛卡尔空间或关节空间下的误差映射；进而通过深度神经网络进行训练，建立空间位姿与误差之间的误差智能补偿模型，将得到的误差智能补偿模型预置到机器人补偿算法中，实现目标点定位误差的估计与补偿，进而提高机器人的绝对定位精度；
所述快换模块提供自动更换修边末端执行器的能力，其由两部分组成，分别为主侧和工具侧；主侧安装在机器人上，工具侧安装在修边末端执行器上，主侧和工具侧可以自动锁紧连接，同时可以连通和传递电信号、气体、水。
3.根据权利要求1所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述修边末端执行器通过快换模块安装在机器人上；所述修边末端执行器采用主轴固定；所述视觉检测模块配置一个或多个自由度以适配不同基准；所述拓展模块提供自动换刀、吸屑、压紧功能和自定义的布局方式；电线、电缆、管道均采用暗线布置；所述快换模块可进行高精度重复连接。
4.根据权利要求3所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述修边末端执行器中：
(一)修边模块包括电主轴、刀具夹持装置、刀具，其中：
所述电主轴为刀具旋转提供动力，所述电主轴为封闭结构；
所述刀具夹持装置为高速短锥型刀柄，接口采用锥面和端面同时定位的方式，刀柄为中空，锥度为1/10；所述刀具夹持装置安装前进行动平衡调校，以保证刀柄的动平衡性；所述刀具夹持装置中嵌入芯片，作为刀具信息的储存载体，以实现刀具管理；
所述刀具为合金多刃微齿铣刀；
(二)所述视觉检测模块用于识别加工基准，计算由于装夹导致的加工基准误差补偿量，保证修边的位置精度；所述视觉检测模块包括图像获取单元和检测识别软件；其中：
所述图像获取单元用于依照工艺需求拍摄并获取加工基准的图像，所述图像获取单元包括3D轮廓扫描仪和运动机构；所述3D轮廓扫描仪采用激光三角反射原理进行测量；所述运动机构包括扫描仪支架、连接板、微型电动转台、滑台、导轨；
所述检测识别软件控制3D轮廓扫描仪完成图像采集，由上位机进行图像预处理、基准识别和偏差计算，并将基准位置偏差值发送给机器人，完成加工基准找正和修边末端执行器位姿调整；
(三)所述修边末端执行器前端配置可拆卸拓展模块，所述拓展模块用于实现自动换刀、吸屑、压紧功能；
所述拓展模块的驱动系统采用两独立气缸，分别固定于所述修边末端执行器的主体转接板上；
所述拓展模块包括吸屑模块、独立压紧模块；其中：
所述吸屑模块前端配置可拆卸柔性喇叭口式吸屑口，实现对刀具的360°包围；工作状态下，气缸推动推杆将拓展模块推出，吸屑口整周包围刀具，并与待修边产品接触，吸屑口在修边过程中持续随动于刀具；非工作状态下，气缸推杆后撤，带动吸屑模块收回，此时吸屑模块不占用前端空间；
所述吸屑模块前端配置自动开合机构，当需要换刀时，气缸推杆继续后撤，带动开合机构打开，使得吸屑模块自中间分离，从而避让换刀路径，实现自动换刀功能；
所述独立压紧模块配置两个压紧头，分别由两个气缸独立控制，其上装有两组柱塞，以实现在加工过程中保持待修面与背部支撑贴合；所述独立压紧模块工作时，吸屑口固定在主轴基座上，用万向管将吸屑口引至排屑位置。
5.根据权利要求4所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述修边末端执行器中：
所述图像获取单元适配以下两种补偿方式：
(1)离线补偿：在修边加工前，通过视觉基准检测模块检测加工基准，并依据该加工基准对机器人的轨迹位姿进行补偿后再进行修边加工；
(2)在线实时补偿：在修边加工过程中，视觉基准检测模块实时测量工件的特征，计算轨迹位姿补偿值并进行机器人位姿补偿；
所述图像获取单元分为基准前置与基准后置两种布局方式：
基准前置：相对于修边末端执行器，修边基准位于待修边缘前侧；针对基准前置工况，图像获取单元配置一个平动和一个转动共两个自由度，以适配离线补偿和在线实时补偿两种加工模式；
基准后置：相对于修边末端执行器，修边基准位于待修边缘后侧；针对基准后置工况，需保证刀具端面处于基准与待修边缘相切处，因此主轴与基准面平行，基准位置与姿态相对于刀具固定，此时图像获取单元仅配置一个平动自由度；
所述平动自由度的实现方式如下：
平动运动进动机构采用伺服电机带动丝杠旋转，进而带动滑台在导轨上移动；其驱动机构为全封闭式引动器；平动自由度精度由直线光栅尺测量并通过控制系统电路进行修正；
转动自由度的实现方式如下：
转动运动驱动机构为微型电动转台配伺服电机，所述微型电动转台采用蜗轮蜗杆传动模式，在所述微型电动转台的旋转带动下实现转动自由度。
6.根据权利要求5所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述机器人智能修边系统的离线补偿自动化修边流程如下：
(1)视觉检测模块将3D轮廓扫描仪调整至对应位置，机器人携修边末端执行器沿视觉检测路径移动，3D轮廓扫描仪扫描工装基准的完整轮廓；
(2)算法对传感器扫描所得的轮廓点云进行数据处理及分析，得出基准面位置及形貌信息，并进行误差检测和补偿；
(3)以图形分析结果及修边末端执行器运动学模型为依据，调整末端姿态；
(4)根据修边工艺需求及切削余量，完成当前铣削任务；
(5)机器人继续携修边末端执行器移动至下一铣削路径起点，重复步骤(3)和步骤(4)，直至去除全部铣削余量；
(6)机器人携修边末端执行器沿视觉检测路径移动，3D轮廓扫描仪扫描产品基准的完整轮廓，完成基准检测和找正；
(7)重复步骤(2)至步骤(4)，直至完成倒角铣削。
7.根据权利要求5所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述机器人智能修边系统的在线实时补偿自动化修边流程如下：
(1)视觉检测模块将3D轮廓扫描仪调整至对应位置，机器人携修边末端执行器沿预设路径移动，3D轮廓扫描仪扫描工装基准的完整轮廓，并将数据实时反馈至上位机；
(2)算法对传感器扫描所得的轮廓点云进行数据处理及分析，得出基准面位置及形貌信息，并进行误差检测和补偿；
(3)以图形分析结果及修边末端执行器运动学模型为依据，实时调整末端姿态，在3D轮廓扫描仪扫描前序基准的同时完成当前位置修边；
(4)根据修边工艺需求及切削余量，完成当前铣削任务；
(5)机器人继续携修边末端执行器移动至下一铣削路径起点，重复步骤(1)至步骤(4)，直至去除全部铣削余量；
(6)机器人携修边末端执行器沿视觉检测路径移动，3D轮廓扫描仪扫描产品基准的完整轮廓，完成基准检测和找正；
(7)重复步骤(2)至步骤(4)，直至完成倒角铣削。
8.根据权利要求1所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述管理与控制子系统是机器人智能修边系统的控制中心，其中：
所述操作控制台用于对机器人智能修边系统进行任务管理、监控和数据存储；
所述系统控制柜内安装PLC模块、变频器、变压器、智能稳压电源、开关、继电器；
所述综合管理软件包括用户身份及权限管理模块、设备管理模块、工装管理模块、程序任务管理模块、数据采集及存储模块、工具链管理模块；所述工具链管理模块包括自检测与校正处理模块、标定模块、视觉检测模块、刀具管理模块、刀具实时监控模块、补偿模块、自动换刀模块；
所述系统控制软件包括PLC控制软件和交互操作软件。
9.根据权利要求1所述的机器人智能修边系统，其特征在于，所述附属子系统中：
所述真空除尘装置具有除屑功能，用于铝、钛、复材的除屑以及复材粉尘清除净化；
所述冷却装置采用水冷机；
所述刀库用于存放刀具组件，采用盘式刀库设计，在管理与控制子系统的控制下实现换刀功能和刀具管理；所述刀库包括刀具组件、旋转刀盘、换刀模块、信息读取模块和刀库控制柜；
所述试刀架用于自动试刀、试片工艺试验和对刀标定；
所述对刀仪由测头、对刀探针和信号传输接口器组成，用于在修边过程中进行刀具方向识别、运算、补偿、存取，以保证刀尖位置准全，避免损伤基准；
所述装刀装置用于快速手动装卸刀具；
所述离线编程及仿真软件由机器人参数接口、机器人仿真模拟器和一个用于生成可被机器人执行的离线程序后处理器组成，用于完成工件三维数模的读取、模型数据提取与转换、坐标系统的转换、机器人程序代码的自动生成、轨迹规划、干涉检查、过程仿真与优化、可执行代码的生成；
所述安全保护模块包括机器人安全保护模块和安全控制器。
10.根据权利要求1-9任一项所述的机器人智能修边系统在飞机装配产业中的应用。
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