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实时7Dof位姿控制工业机器人用于航空航天大型碳纤维增强复合材料部件的加工
单位:海克斯康  作者:海克斯康测量技术(青岛)有限公司来稿 发布时间:2017-8-21 11:30:32

导语

 2015,大约1200架新的航空器被用于空中巴士。由于需求不断增长,与以前的订单一起, 空中客车公司将在明年交付约7000架飞机,  特别是中型飞机。由于飞机制造业的生产能力有限, 对自动化的需求迅速增加。大门户机器的替换和在 "未来工厂"转向灵活的生产的感觉促进对新颖的方案概念和解答的需求。夫琅和费研究所,与海克斯康制造智能, 已经证明了利用外部6DoF控制的工业铣削机器人,高精度制造可能会出现在未来。

所演示的解决方案包括在封装的实时环境中实现对测量和控制数据的直接访问的7DoF测量技术和机器控制的完整集成和融合。外部控制回路的集成可以提高机器人的姿态精度, 使其达到运动学重复性的范围。特别是在航空航天工业, 其重点是钻井和铣削过程的低公差, 而同时处理大型结构尺寸, 这里显示的总体系统设计是非常明确的适用。与移动式移动平台相结合, 机器人系统的高度精确的工作空间--即使没有机器人的完全校准--也可以与大型机床的工作范围相比较, 从而为重负荷基础和特殊系统节省高额投资成本。本文的研究结果表明, 将实时 激光跟踪器集成到自适应铣削机器人单元中是一种高效的替代方法, 可用于未来工厂的大型零件的自动化处理。

简介

德国夫琅和费(Fraunhofer)制造技术和先进材料研究所 (IFAM) 的自动化和生产技术部,多年来一直是CFK NORD的合作伙伴, 并在自动化技术领域,特别是飞机生产机械加工和装配过程中的工业机器人集成技术方面进行了多年研究。在夫琅和费研究所,集成系统解决方案和设想制定出来后,就能在高十五米的起重机构的4000平方米测试大厅,以一对一规模的条件下实施和优化。这意味着从一个源头获得的解决方案,就可以将其转移到大规模的应用上,不存在任何不必要的延迟并且只需要最少的开支 ,从而确保在提供创新型新技术方面取得领先地位。

当加工部位是生产过程的关键点时,零缺陷生产的特别要求只能通过一定的过程控制实现。随后的一个重要工具是通过监测确定的质量工艺参数来防止差错。铣削、钻孔和水切割是工艺开发的重点领域。夫琅和费研究所的研究人员与汉堡理工大学 (TUHH) 合作, 这个过程中集成工业机器人或龙门机床,同时要求工具在工作范围内具有高机动性和高精度。此外,他们还准备了一些解决办法,以便同时在同一工件上加工几个加工单元。

在飞机工业中,为了缩短生产周期,对大型机械的加工效率有很高要求,这就推动了工业机器人作为安装的替代品。工业机器人在加工应用中一个主要的缺点是由于其串联结构、齿轮的弹性和温度波动等外部影响所造成的绝对精度不足。此外, 由于机器人运动的低刚度, 在飞机工业中的碳纤维零件加工过程中产生的高加工力会导致刀具中心点 (tcp) 偏离其目标路径。这些偏差不能在马达的内部旋转编码器帮助下测量, 因此不能通过校准程序和内部机器人控制器影响或补偿。

这个白皮书展示了一个解决方案, 借助徕卡绝对跟踪仪 AT960 作为外部测量系统,来提高工业铣削机器人在铣削过程中的精确度。为了在加工过程中检测铣削刀具的TCP 位置和方向, 在主轴上安装了徕卡T-Mac, 以便进行6DoF 测量。通过实时以太网总线系统, 将末端执行器的位姿数据以毫秒的速度传输到机器人的控制器, 计算出路径修正。除了6DoF的位姿信息, 这一数据包含高度精确的时间测量, 使它可以被称为7自由度测量。在机器人的控制器中实现的一个额外的控制器级联, 使精确路径能够实时修正, 从而铣削路径的几何形状符合飞机工业的挑战性公差。

激光跟踪仪技术描述

海克斯康制造智能的专长是为工业制造商提供和支持感知、解析和行动的解决方案。在生产过程中引入质量控制的下级行业趋势需要行业认证传感器的创新发展。在大型生产的应用, 如航空航天装配, 徕卡绝对跟踪仪系统测量球面安装反射器得距离和水平和垂直角度, 能够进行每1000次精确的3DoF 测量。绝对干涉仪 (AIFM)可确保在系统的整个工作范围内, 即使在移动目标上, 锁定精度优于10微米。

通过将传统的激光跟踪测量与摄影测量相结合, 徕卡绝对跟踪仪 AT960 的集成迷你多样变焦相机在装配有LED的测头 (如徕卡T-Mac) 上确定的滚动、俯仰和偏转角。这使得系统能够提供精确的6DoF 定位信息和准确的时间定位。对于传统的任务, 如零件检查, 此数据运行通过LMF接口, 7DoF 计量辅助制造则是通过添加基于以太标准的实时工业以太网功能包来支持的。

系统描述

大型结构加工的机器人单元被用于夫琅和费研究所的实验 (见图 1)

 

为此, UCI-App在每个CNC 时间周期中向 AT960 控制器发送一个精确的触发信号, 并保存相应的时间戳。随着触发信号接收的确认, AT960发送实际位置或姿态数据和时间通过EtherCAT到一个工业PC,

 

没有控制的测量值显示了机器人本身的绝对精度, 这在任何情况下都可以通过3DoF6DoF的控制明显地得到改善。值得注意的是, 6DoF控制的结果优于3DoF控制。3DoF控制的剩余的错误可以主要追溯到在工件和机器人之间控制策略和剩余的最初的测量误差, 并且出现在TCP的取向差错, 考虑到由于杠杆作用形成位置错误。后者在这方面将是相当可观的, 因为在生产期间, 由于芯片发射的可能性和几何形状的复杂性, 靠近 tcp 安装的反射器的空间的能见度是有限的。若反射器和TCP之间距离越长,产生的杠杆胳膊越长和并且等效地导致TCP位置错误更大 。

拉力试验

当机器人受到外部效应的影响时, 外部控制器的强度是最好的证明, 而这些效应不是由马达的内部编码器测量的。在结构也有由于马达和结构发热或外在力量冲击(例如过程力量)产生的膨胀和收缩作用。本节中对后者会进行仔细检查。

外部力量对机器人的结构和齿轮进行操作。根据效果的方向, 这些力会改变结果的位置误差。此外, 在铣削过程中, 可能会产生强波动的过程力, 因此先前计算的补偿或模型变得非常复杂。为了模拟铣削中切削的输入和退出路径以及由于它们而产生的力, 选择图7所示的设置。

在实验中, 在恒定进给率的帮助下, 采用了与运动方向正交的常数力。由于它的结构组成, 这些力量将机器人从计划的路径上转移出去。t1, 重量突然被移除。这产生突然的力量, 激发系统的固有频率。然后, 预计机器人将在目标路径上移动, 以确保路径的精确性。

如果禁用外部控制, 则结果会有0.5毫米的路径误差。卸下重物后, 机器人按照预期的路径行走。当使用6DoF 控制时, 可以观察到这种控制概念的强度。6DoF控制在重物产生力步之前抵抗任何类型的影响, 然后将机器人带回其计划的路径。由于控制的动态和放大的内部级联不能通过UCI-App被影响, 在这种情况下可以确定控制器的限制。高动态外部刺激, 特别是在机器人的第一谐振频率范围内, 几乎不能被阻止。在这个地方, 外部控制回路将受益平等,只有控制器带宽状态的增量和速度的内部级联可以带来改善。换言之, 这意味着, 只要所发生的干扰力的带宽小于外部激光跟踪器控制环路的带宽, 就可以补偿误差。

总而言之, 这些测量表明, 只要外部操作力是静止的或低频的, 6DoF控制的帮助下, 可以成功地阻止偏离计划的路径。由于典型的温度变化有低频的行为, 温度的影响也可有望可以使用6DoF控制调整。

铣削试验

通过下面的铣削试验, 验证了外部控制对加工过程精度改进的适用性。在通常用于造型或成型的NECURON?1007的聚氨酯材料中进行了铣削试验。由于其均匀结构, 它非常适合于铣削试验, 因为铣削力可以通过改变加工参数而保持恒定和缩放。为了产生强大的加工力, 使用了直径为15毫米, 三切割边缘且进给速率2500毫米每分钟、车削速度为6000 rpm的工具。

对于每一个实验, 两个平行的凹槽被磨成相反的方向。这会导致正常的作用力, 它们相互指向, 并减小凹槽之间剩余条形图的宽度。在铣削过程中, 可以通过简单的测量方法来验证条形图的宽度, 以确定从计划路径的挠度。此外, 在第二跟踪器的帮助下记录了机器人的tcp实际路径。为了避免过程中的高频刺激, 选择了一个非常小的可导致一个恒定的上升速度和等效的正常力加速度的正常力(见图 9)

插槽间所需的条形宽度应为三毫米。正如所看到的, 路径是在6DoF控制的帮助下, 而机器人偏离其目标路径, 没有外部控制。

这些结果证实了之前外部拉力实验的观察。在外部激光跟踪支持系统的帮助下, 可以在机器人路径可重复性范围内获得直线铣削路径。这种方法在大型零件的加工中实现了显著的质量改进。

 

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