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基于激光视觉传感的飞机导管自动装配.pdf

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哈尔滨工业大学硕士学位论文 - I - 摘 要 数字化技术具有精度高、自动化程度高、生产效率高等优点,因此, 实现数字化 生产 模式 逐渐成为飞机制造业的发展方向 。在飞机制造的诸多环节之中,导管 之间 的装配、焊接最为关键 。然而,我国飞机导管的生产、加工过程仍然采用 刚性夹具装 配、 手工钨极氩弧焊 焊接的传统方法, 生产效率低下,质量不能保证 。 本文对基于激光视觉的飞机导管自动化装配各环节进行了较为深入的研究,为飞机导管柔性自动 化焊接技术的开发迈进了一步。 首先,搭建了自动化的焊接装配平台,包括两台机器人、激光传感器、焊接夹具等。对平台涉及到的各个部分进行了相应的软件开发,如基于 VC语言的 HP20D焊接机器人远程控制系统的开发和基于 C语言的激光传感器特征点坐标提取和处理的算法开发。根据装配需要,对各组成部分的位置关系进行了相应的标定,主要包括两台机器人之间位置关系的标定,传感器图像坐标系与机器人工具坐标系之间手眼关系的标定。 其次,确定偏差检测的算法以及调整控制策略,首先通过相互正交的两个方向的旋转来消除导管直线段轴线和法兰 轴线的角度偏差,使两者的轴线相互平行;然后水平移动传感器使传感器光平面经过两者的轴线,对法兰进行相应的平移使两者的轴线重合,最后调整高度方向的偏差,完成装配。 最后,根据设计好的偏差检测策略,以及控制策略,进行装配试验,试验结果符合预期,法兰与导管借口轴线旋转角度小于 1°,位移偏差小于 0.5mm。 关键词 弧焊机器人;结构光传感器;飞机导管;自动装配 万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - II - Abstract Digitization manufacture technology has the advantage of high accuracy, automation and productivity. Therefore, the production mode based on digitization manufacture gradually develops aircraft manufacturing. The assembly-welding of airplane-tubes is the most important during the whole process of aircraft manufacturing. However, airplane-tubes are still produced by traditional rigid fixtures and manual GTAW in China of low productivity and unstable reliability. In this paper, laser-based vision of all aspects of automated assembly of aircraft conduit ia studied in depth.It a step forward for the development of aircraft conduit flexible automation of welding technology. Firstly, a plat for automated welding assembly has been builted, including two robots , laser sensors, and some welding fixtures.The corresponding software has been developed for the various parts of the plat,such as HP20D welding robot remote control system which ia based on VC development language and laser sensorsfeature point coordinates extraction and processing algorithm development which is based on C language .Assembly according to needs, the positional relationship of the components for the corresponding has been demarcated, including the relationship of the position between the two robots and the relationship of the sensor image coordinate system and the robot tool coordinate system. Secondly, determine algorithms and adjust control strategies deviation detection. First,collect interfacefringe ination from three different irradiation positions and eliminate the angle of the axis of the conduit and the flange axis line segment deviation by the rotation of the two mutually orthogonal directions, so that make the two axes parallel to each other;Then move the sensor horizontally through so that make the sensor through their axis, move the corresponding flanges to make the two axis coincides with each other, finally adjust the height direction of the deviation and complete the assembly. Finally, do some assembly tests according to the designed deviation detection strategies and control strategies .The test results are in line with expectations.Flange and pipe interfaces axis rotation angle is less than 1°. Displacement deviation is less than 0.5mm. Keywords arc welding robot, structured-light visual sensing, aircraft pipe, automatic assembly 万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - III - 目 录 摘 要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... II 第 1 章 绪 论 .................................................................................................................1 1.1 课题背景及意义 ................................................................................................1 1.2 本领 域研究现状 ................................................................................................1 1.2.1 机器人视觉研究现状 .............................................................................2 1.2.2 飞机导管生产现状 .................................................................................4 1.2.3 自动装配的现状 .....................................................................................5 1.3 本文主要研究内容 ............................................................................................8 第 2 章 自动装配系统组成 ...........................................................................................10 2.1 法兰抓取机器人 ..............................................................................................10 2.2 焊接机器人 ......................................................................................................11 2.3 激光视觉传感器 ..............................................................................................12 2.4 柔性工装 ..........................................................................................................14 2.5 本章小结 ..........................................................................................................15 第 3 章 接口程序开发 ...................................................................................................16 3.1 基于 VC的焊接机器人远程操控系统 .......................................................16 3.2 激光条纹特征点提取算法 ..............................................................................19 3.3 装配控制调整策略 ..........................................................................................20 3.3.1 激光条纹特征 .......................................................................................21 3.3.2 法兰轴线旋转偏差调整 .......................................................................22 3.3.3 法兰轴线水平位移偏差调整 ...............................................................25 3.4 本章小结 ..........................................................................................................26 第 4 章 系统标定 ...........................................................................................................27 4.1 法兰机器人工具坐标系标定方法 ..................................................................27 4.2 用户坐标系标定方法 ......................................................................................30 4.3 手眼标定方法 ..................................................................................................31 4.3.1 机器人和三坐标仪标定 .......................................................................32 4.3.2 传感器和三坐标仪标定 .......................................................................33 4.4 机器人之间的标定 ..........................................................................................35 4.5 本章小结 ..........................................................................................................36 第 5 章 装配实验及分析 ...............................................................................................37 5.1 装配试验过程 ..................................................................................................37 5.1.1 导管装夹与法兰抓 取 ...........................................................................37 5.1.2 法兰与导管预装配 ...............................................................................37 5.1.3 法兰轴线姿态调整 ...............................................................................39 5.1.4 法兰轴线位置调整 ...............................................................................42 万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - IV - 5.2 实验结果分析 ..................................................................................................43 5.3 本章小结 ..........................................................................................................44 结 论 .............................................................................................................................45 参考文献 .........................................................................................................................46 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用权限 .....................................................49 致谢 .................................................................................................................................50 万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景及意义 管路系统是当代各类飞机上至关重要的生命线,它在发动机、机身各部位、座舱等之间输送各种介质,从而满足飞机液压、燃油、环境控制等 一系列系统的各类需要。导管失效破裂会使系统局部甚至整个失效,严重时甚至造成飞机事故,例如2004 年 3 月 4 号, 泉州晋江机场一架飞往武汉的飞机在起飞前突然机舱里出现烟雾,空气里弥漫着刺鼻的油烟味道,二三十名登机的旅客从机舱里仓皇逃出,事后查明是液压导管漏油; 2007 年 7 月 1 日,中国国际航空公司一架飞机在执行北京 迪拜航班任务时,飞机前起落架突然意外收起,机头触地,造成一名机组人员和一名旅客轻微受伤。事后调查发现同样是液压导管漏油,位置是作动筒液压导管,液压系统油量损失而不足,从而造成液压系统生效,影响飞机多个 系统工作。 导管在飞机上数量庞大,管路形状很复杂。一架两台发动机的飞机,导管的数量就有 2000 多项,其中有 30左右为焊接导管 [1]。焊接类导管通常由支管、管接头或法兰盘焊接而成。焊接类导管除了包含法兰盘、管接头、支管本身的数据外,还包含每项支管、法兰盘、管接头互相之间的位置关系,难以用数据来直接表述。传统的焊接类导管制造通常采用在飞机上取实样,按实样制造焊接夹具,最后按焊接夹具进行导管生产,不仅实样取制周期长,而且通过实样这一模拟量来传递制造依据,并不能很好地保证导管的生产质量,以致于在飞机研制过程中反复 取样,反复修改焊接夹具,给导管的生产管理带来极大的不便,严重制约新机的研制和航空事业的发展 [2]。 目前,随着工业机器人的普及,数字化技术正在逐渐应用于飞机制造业,例如美国的波音 777 飞机,从工程设计分析、制造技术制定,到模拟仿真、实际生产过程, 100采用数字化技术,大幅提高了设计与制造的质量与效率,减少了生产过程中由工件返修所带来的浪费;法国研制的小型商务机 Falcon 采用数字化装配技术,使传统工装数量减少到零,装配精度以及效率显著提高 [3]。与传统的生产方式相比,数字化生产具有如下优点 [4,5] 精 度高。加工过程不受操作者以及工件复杂程度的影响,偶然误差小,产品质量高,同时质量稳定性高。 自动化程度高。大部分生产加工过程可以自动完成,减少了工人的劳动强度。 生产准备周期短。生产过程柔性化,避免了很多专用工具的使用,能适应飞机零部件频繁改型的特点。 万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 2 - 生产效率高。生产过程始终处于连续状态,很少发生不必要的中断与等待,机器利用率高,生产效率高。 便于建立通讯网络。能实现计算机系统网络化,共享与设计制造有关的数字信息,有利于对生产过程进行监测。 在当今信息化、网络化时代,飞机导管制造行业要想得到更大的发展,必 须实现导管制造的标准化,利用高新技术,走导管数字化柔性制造的道路。 在单一导管方面,国内各飞机制造厂已经实现扩口、无扩口、滚波等导管的数字化制造 [6]。但是在国内焊接类导管由于存在焊前装配精度不够,焊接热作用导致的变形等因素一直未能实现数字化的生产制造。本课题基于焊接导管的生产现状,提出实现导管数字化焊接的构想。数字化焊接可以大大提高焊接导管的生产效率,缩短制造周期,保证制造质量,减少劳动强度 [7]。焊前定位与装配,焊缝跟踪正是本课题要研究的内容,是焊接类导管实现数字化制造的基础。 1.2 本领域研究现状 1.2.1 机器人视觉研究现状 机器人视觉技术是 20 世纪 80 年代发展起来的一项技术,包括三维定位,目标识别,三维重建等内容。无论是固定视点还是非固定式点,都已经广泛应用于装配生产线之中。 机器人视觉 按照视觉传感器安放位置,可以将视觉分为固定视点和非固定视点两种固定视点指的是视觉传感器处于静止状态,目的是实现空间目标的定位,一般由静止放置的两个视觉传感器构成双目系统 ; 非固定视点主要是指手眼系统 [8,9],如图 1-1 所示, 机器人手眼系统指的是将视觉传感器固定在末端执行器上,随末端执行器一起运动。 图 1-1 固定式点和非固定式点视觉传感器安装位置 对于手眼系统, 机器人执行任务时,需已知工件相对于机器人基坐标系的位姿,该位姿可以通过视觉传感器来获取 [10,11]。其关键在于准确地标定出传感器坐标系与万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 3 - 工具坐标系的相对位姿关系,即手眼标定,以及工具坐标系与机器人末端 法兰 坐标系的相对位姿关系,即工具坐标系标定。 固定视点的特点是可以在整个工作过程中对整个工作空间进行监测,对标定精度不敏感,但受到摄像机的景深的限制,存在最佳摄像距离。随着工件远离最佳位置,摄像机所获得的图像变得模糊,会导致定位不精确等问题,同时,机器人在工作时也可能将工件遮住,对视觉监测过程产生影响。针对工件与摄像机距离基本不变的生产线,例如传送带,使用固定视点视觉装配优势明显,将工件与摄像机的距离调整为摄像机最佳摄像距离,即可保证整个工作过程中图像清晰,定位精确。芦俊 [12]利用双目系统监测工作空间,对整个工作空间进行三维重建,以此指导双臂机器人进行装配作业,并给出最佳装配位置。余锋 [13]利用固定视点视觉系统,识别出零件所在位置,并提出主从式协调控制方法,进行双机器人装配。查英 [14]将固定视点视觉系统应用在削刀架的装配生产线,以扫描的方式进行零件识别与定位, 准确率高,能满足装配的实时性要求。 非固定视点虽然在某些情况下,摄像机视角受到机器人的工作空间的限制,导致视觉盲区的出现,但是在盲区之外,摄像机与工件之间的距离可调,能保证工件处于摄像机的最佳位置,图像精度高。因此,在保证标定精度的前提下,非固定视点适合复杂工件装配以及高精度装配。 钟平 [15]将手眼系统应用于汽车自动装配生产线,进行几何形状复杂的汽车零件装配,并增加了在线监测功能,提高了装配系统的响应速度以及装配精度。徐征 [16]建立了具有显微机器人视觉的微装配平台,并进行了具有高装配精度要求的相关研究,将手 眼系统视觉装配推广到了微装配领域。 激光视觉传感器所使用的光源单色性好,工作时能有效地避免其他杂散光线的干扰,测量精度高,而且响应时间短,是目前应用最广泛的视觉传感器。北京机械工业自动化研究所的杜婷婷 [17]将线结构光激光视觉传感技术应用到断路器生产线上,在生产线的末端,利用线结构光激光视觉传感器对断路器各个部件的装配情况进行定位检测,利用激光条纹的几何位置来判断装配是否正确以及装配精度是否满足要求,减少了工件尺寸过小或者工件反光对检测结果的影响,降低了误检、漏检率。 南京航空航天大学机电学院的马张健 [18]等 人设计了一套飞机蒙皮接缝信息自动提取系统,该系统采用线结构光激光视觉传感器,在飞机蒙皮装配过程中,对装配间隙进行自动监测,能够识别出间隙的台阶特征、缝隙特征以及间隙大小,如图1-2 所示,从而指导飞机蒙皮的装配、焊接过程,该系统显著提高了飞机蒙皮的装配精度与效率。 万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 4 - 图 1-2 线结构光对台阶特征与缝隙特征的识别 [19] 1.2.2 飞机导管生产现状 上世纪八十年代,波音公司率先采用三维数字化技术设计 747 液压管路系统。作为全球首个利用全数字化定义设计和无图纸生产技术制造的大型飞机项目波音777 飞机,成为上个世 纪世纪九十年代飞机制造业应用信息技术的里程碑式进展。 在国外,飞机导管制造商广泛采用导管 CAD/CAM 一体化制造技术。以 CATIA三维曲面造型软件系统为核心平台,建立每项支管、管接头、法兰盘的三维模型,然后进行导管虚拟焊接、全机导管虚拟装配。 在通过导管干涉性、工艺性检查后,将支管模型用于数控弯管;根据管接头、法兰盘模型指导下一步的机械加工;基于焊接导管整体模型指导工装制造,实现焊接导管制造全过程各种信息以数字量进行传递,取代传统取实样制造导管的过程 [20]。图 1-3 是 导管与法兰实物模型 。 图 1-3 导管与 法兰实物模型 在国外已广泛开展飞机三维数字化设计技术的背景下,近年,我国飞机导管数字化制造技术进步很大。我国飞机制造企业渐次采用数控弯管机、激光矢量测量机等一系列先进设备 [21],开发了导管弯曲工艺管理系统和导管弯曲工艺数据库,实现了无扩口、扩口、柔性连接等非焊接导管的矢量测量、数控弯管与检验一系列过程的数字量的信息传递。通过建立了非焊接导管的数字化生产线,使我国原有的飞机导管制造技术和手段发生了质的变化,大大缩小与国外先进飞机制造企业的差距。 洪都飞机制造厂研制高教机的过程中, 89的导管采用了三维设计, 导管依照万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 5 - 数模数据弯曲成形,大大缩短了导管的生产周期;上海飞机设计研究院 [22]研制新支线飞机 ARJ21 的过程中,全机 100采用三维数字化设计和数字化样机制造。导管通过三维数模发放,成都飞机制造公司实现了 ARJ21 机头非焊接导管按数模制造。 焊接导管形状复杂,种类繁多,每种焊接导管都需要特定的拼装夹具,一架飞机仅导管夹具就能存放半个车间,对焊接导管的生产带来很大的不方便。尤其是新机型的研制以及旧机型导管的替换时仅仅制造这些夹具就花费大量时间和费用,往往还不能一次保证焊接导管制造质量。如果采用机器人自动装配的方 式,由机器人夹持导管来进行法兰与导管的,导管与导管的焊接工作,就能大大减少生产焊接导管夹具的使用,对于提高焊接导管的生产有很大的帮助。 通过对国内外航空焊接类导管制造的研究现状分析可知,在国外,先进的飞机导管制造商广泛采用 CATIA 三维曲面造型软件系统为核心平台,建立支管、管接头、法兰盘的三维模型,将三维模型数据传递给数控弯管机、数控机床完成导管零件的数字化生产,而将焊接导管整体模型用于焊接工装的数字化制造,导管的焊接过程采用先进的管焊机 [23]完成,实现焊接导管制造全过程的数字量信息传递,并逐步取代导管取实 样的传统模式。 国内飞机制造商通过引进先进的数控弯管机、激光测量仪等数字化设备,基本实现了导管零件的数字化制造,然后由于对飞机整体模型的三维模拟仍然存在诸多不足之处,导管的三维模型不够精确,在实际生产中不能摆脱传统的取实样模式,工作量巨大,过程反复,而导管的焊接过程主要依靠人工完成,工作量具大、焊接质量不稳定,使得焊接导管制造周期长,质量差,无法满足导管 CAD/CAM 数字化制造的需求。 1.2.3 自动装配的现状 随着社会的发展,科技的进步,制造水平不断提升,而装配水平却相对落后,装配在产品生产中的成本占 到 3050,制约了制造业水平的提升。 机械制造自动化的最终阶段一般是装配自动化。各类零部件只有通过正确的装配,才能形成符合要求的产品。但由于机械制造加工技术超前于装配技术很多,装配工序已成为现代化制造的薄弱环节。有机构统计结果表明,许多常见产品的装配花费时间要占到总生产时间的 50左右,就是应为产品装配的平均自动化水平很低。因此,装配自动化是现代制造工业中需要解决的关键技术之一。 装配自动化对于缩短产品制造周期、提高生产效率、节约人力成本,保证机械产品的装配质量及稳定性都有重要的意义,并且可以避免装 配过程中因为人为因素的干扰而造成质量缺陷,减轻或取代恶劣条件下的人工装配劳动,减小劳动强万方数据哈尔滨工业大学硕士学位论文 - 6 - 度,保证安全。 但是自动装配的工艺要求要比人工装配的工艺要求复杂得多。为使装配工作正常进行并保证装配质量,大部分装配都要进行自动的检测,将检测结果转换为信号输出,经放大或直接驱动控制装置,使必要的装配动作能够联锁保护,保证装配过程安全可靠。 自动检测项目与所装配的产品或部件的结构和主要技术要求有关,一般自动检测项目可分为七类 [24] 1)检测装配过程的不合格件; 2)装入零件的方向; 3)装入零件的位置; 4)装配过程的夹持误 差; 5)零件的分选质量; 6)装配零件间的配合间隙; 7)装配后运动部件的灵活性和其它性能。 相应的自动装配系统的控制系统的基本设计要求如下 [25] 1)控制装配基础件的传送和准确定位; 2)控制经自动检测后发出的各种信号及其相应的安全保护、联锁和报警; 3)应能实现自动、半自动和人工调整三种状态的控制; 4)要求控制系统所选用的控制器元件惯性小,灵敏度高; 5)控制系统应保证自动装配系统的给料、传送、装配作业 相互协调、同步和联锁。 机器人自动装配如今已广泛应用于汽车生产中,但是仅仅是简单的示教再现,精度要求不高, 往往没有视觉和力觉的反馈控制,属于粗放的开环控制系统。 机器人自动装配主要分为力觉和视觉辅助机器人自动装配,力觉辅助装配虽然精度较高,但需要实时检测装配位置,进行误差补偿,装配时间长、效率低,由于机器人本体自身的刚性,微小的偏差都会产生很大的接触力,对机器人定位精度和传感器精度要求高,且机器人寻位过程中对导管磨损较大,因此本课题选择 基于激光 视觉 传感器的视觉辅助 装配,在视觉辅助装配中,广泛采用结构光进行三维定位,完成装配作业。 一般来讲,视觉伺服是指利用从图像中提取的视觉信息和视觉特征,进行机器人末端执行器的 位置闭环控制,在实际应用中的机器人视觉伺服主要分为两大类1)定位问题,即通过视觉信息控制机械手末端执行器对准目标物体,也就是控制机械手末端执行器运动到理想位姿。 2) 跟踪问题,即保持机械手末端执行器和运动目标之间的相对位姿恒定。两者的共同点是都要利用视觉信息测量装置测量出机器人手爪当前的位姿和期望位姿之间的差别,基于计算机的三维视觉测量方法具有测量精度高、效率高、自动化程度高、造价较低等优点,如图 1-4 所示为三维视觉信息获取的具体方法。 万方数据
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