力控制技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化裝配中的應(yīng)用

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1、力控制技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化裝配中的應(yīng)用術(shù)岳炬德，安魯陵(南京航空航天大學(xué)，南京210016)【摘要】飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展要求提高裝配自動化水平，工業(yè)機(jī)器人因此得到廣泛使用，而工業(yè)機(jī)器人在定位精度與結(jié)構(gòu)剛度上的局限性又催生了力控制技術(shù)的研究與發(fā)展。力控制技術(shù)不同于傳統(tǒng)的位置控制，是利用安裝在機(jī)器人上的傳感器反饋力的數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)驅(qū)動機(jī)器人將構(gòu)件或工具送達(dá)最佳裝配位置的技術(shù)。敘述了力控制技術(shù)的發(fā)展背景、基本原理、系統(tǒng)組成與應(yīng)用實(shí)例，并對力控制技術(shù)在飛機(jī)數(shù)字化裝配中的進(jìn)一步發(fā)展作出了展望。關(guān)鍵詞：飛

2、機(jī)；數(shù)字化裝配技術(shù)；力控制；工業(yè)機(jī)器人DOI：10．16080住issnl671—833x．2016．05．047岳垣德南京航空航天大學(xué)碩士研究生．研究方向?yàn)轱w機(jī)裝配技術(shù)。隨著飛機(jī)數(shù)字化裝配技術(shù)的發(fā)展，一系列柔性自動化裝備應(yīng)用于飛機(jī)構(gòu)件的裝配中。在航空制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)得到了一定的+基金項(xiàng)目：國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(A0520132008)。應(yīng)用，如用于飛機(jī)構(gòu)件的自動制孑L、自動鉆鉚等工作【l。3】。工業(yè)機(jī)器人工作效率較高，善于完成重復(fù)性高、強(qiáng)度大的任務(wù)，適合在生產(chǎn)線上使用，可以大大加快裝配速度

3、，改善裝配質(zhì)量，提升飛機(jī)構(gòu)件裝配的數(shù)字化水平。然而，工業(yè)機(jī)器人在精度方面表現(xiàn)出一定的局限性，這是由于工業(yè)機(jī)器人是一個柔性開環(huán)系統(tǒng)，其本身剛度較低且在工作中存在不可避免的彈性變形，因此裝配時在外力作用下會發(fā)生較大的位移與變形，裝配精度難以保證【4】。工業(yè)機(jī)器人的低精度與飛機(jī)裝配過程中嚴(yán)格的公差要求相矛盾，在一定程度上制約著工業(yè)機(jī)器人在飛機(jī)構(gòu)件裝配中的應(yīng)用。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配使用的是以“位置控制”為基礎(chǔ)的裝配定位方法，即利用安裝在裝配型架上的定位件對飛機(jī)構(gòu)件進(jìn)行定位，使其與理論數(shù)模在一定誤差范圍內(nèi)保持一

4、致，以保證裝配精度。這一方法至今仍被廣泛使用，在最大限度保證裝配質(zhì)量的同時，也不可避免地顯示出一定的局限性。首先，裝配型架的設(shè)計(jì)、制造、安裝與調(diào)整需要較長的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，占用大筆資金，不利于敏捷制造的實(shí)現(xiàn)與并行工程的進(jìn)行；其次，在型架上裝配構(gòu)件時，工序較為繁瑣，需要人為調(diào)整構(gòu)件位置、夾緊、制孑L、去毛刺、清理、連接等，對于復(fù)合材料構(gòu)件，還要進(jìn)行復(fù)雜的填隙補(bǔ)償工作，這無疑加大了工人的勞動量，不利于自動化、數(shù)字化在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用15。J。因此，在位置控制的基礎(chǔ)上，引入力控制技術(shù)，并依靠標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器

5、人平臺進(jìn)行飛機(jī)構(gòu)件裝配的方法得到了廣泛研究【8。10

6、。力控制技術(shù)基本原理與系統(tǒng)組成早期的工業(yè)機(jī)器人面對的任務(wù)比較單一，有的很少與工作對象發(fā)生接觸，如用于噴漆的機(jī)器人；有的雖然會與其他物體發(fā)生接觸，但無需控制接觸力的大小，因此只使用簡單的位置控制即可。隨著機(jī)器人控制技2016年第5期·航空制造技術(shù)47論壇FoRuM術(shù)的進(jìn)步及它在航空工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，情況發(fā)生了明顯的變化。工業(yè)機(jī)器人越來越頻繁地與構(gòu)件發(fā)生接觸，如利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行定位、制孑L、拋光、去毛刺等，為了保證裝配精度且不損傷構(gòu)件，必須把接

7、觸力限制在一定范圍內(nèi)，這就要求機(jī)器人具備位置控制與力控制兩種功能。為了實(shí)現(xiàn)力控制的功能，一般要在工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器上安裝力／扭矩傳感器，實(shí)時監(jiān)控工作過程中力和扭矩的大小，并將其傳輸給控制器?？刂破麽槍Ψ答伝氐牧Γぞ?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成操作代碼，驅(qū)動機(jī)器人以特定的速度移動到特定的位置，從而在保證合理位置精度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)接觸力／扭矩的精確控制。實(shí)現(xiàn)力控制的方法較多，一般可以分為4大類：阻抗控制、力／位置混合控制、自適應(yīng)控制與智能控制【l“。使用阻抗控制時，不直接控制機(jī)器人與構(gòu)件之間的接觸力，而是

8、根據(jù)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置(或速度)和末端作用力之間的關(guān)系，通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來達(dá)到控制力的目的。力／位置混合控制的最佳效果是實(shí)現(xiàn)力與位置的獨(dú)立控制，即在力的自由空間進(jìn)行力控制，在剩余的正交方向進(jìn)行位置控制。上述兩種控制方法屬于經(jīng)典的控制范疇，為力控制技術(shù)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，然而從控制效果來看仍有不足，無法在工業(yè)中推廣使用。為了克服機(jī)器人的多自由度、運(yùn)動位姿不確定性等諸多問題，眾多學(xué)者研究了機(jī)器人的自適應(yīng)控制，如采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)的混合控制方法進(jìn)行機(jī)器人約束運(yùn)動控制等。隨著機(jī)器

9、人智能化的不斷發(fā)展，智能控制必將成為下一代機(jī)器人控制的主流，從研究成果來看，智能控制仍處于起步階段，尚未形成獨(dú)立的控制策略，僅僅將智能控制原理如模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對以往研究中無法解決的難題進(jìn)行新的嘗試，仍具有一定的局限性“21。48航空制造技術(shù)·2016年第5期目前在工業(yè)機(jī)器人力控制方法的研究中，一般把力／扭矩的數(shù)值作為反饋信號，處理后作為控制信號驅(qū)動機(jī)器人到達(dá)指定的位置。因此，基于力反饋的基礎(chǔ)，可以使用力控制技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)構(gòu)件的裝配。力控制技術(shù)可以通過編程使構(gòu)件達(dá)到特定的位置，也可以利用機(jī)器人使