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前沿丨工业机器人精度补偿技术

已有 509 次阅读 2019-11-14 14:11 |系统分类:科研笔记

近年来,工业机器人因其重复精度高、可靠性好、适用性强等优点,已经在汽车、电子、食品、化工、物流等多个领域得到了广泛应用。当前是中国工业机器人产业发展的关键转折点,市场需求也呈现井喷式发展,工业机器人的需求量将以每年 15%~20%的速度增长。随着机器人应用的拓展与深入,工业机器人开始进入一些高精度制造领域,如飞机装配、激光切割、柔性磨削等。这些领域对机器人提出了高精度、高效率等新的技术要求。


随着工业机器人技术的发展,中国已连续六年成为工业机器人第一消费大国,国际机器人联盟(IFR)统计数据显示,中国工业机器人市场规模在 2017 年为42 亿美元,全球占比 27%,2020 年将扩大到 59 亿美元。2018~2020 年国内工业机器人销量分别为 16 万台、19.5 万台(预计)、23.8 万台(预计),未来 3 年中国工业机器人年均复合增长率(CAGR)达到 22%。除了汽车、电子电气等行业需求之外,工业机器人已逐步应用于航空航天等高端制造领域。
 
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图片来源:pixabay

航空制造业体现着一个国家的综合国力,是关系国民经济建设和国防安全的战略性产业。随着“中国制造 2025”战略的提出与推进,智能制造已经成为我国当前航空制造业发展的必然趋势。随着我国的大飞机和四代机等新型飞机型号的研制进入新的阶段,航空制造业对于飞机制造的高质量、高效率、长寿命等方面的要求越来越高,实现飞机制造的数字化、柔性化和智能化已经成为当前航空制造业发展的必然趋势。飞机装配是飞机制造过程中极为重要的一个步骤。由于航空部件外形复杂、尺寸较大、连接件数量较多,飞机制造总工作量中有 40%~50%处于飞机装配阶段,因此飞机装配是飞机制造中至关重要的环节,提高飞机装配的质量和效率已成为当今航空制造业的研究重点之一。
 
在飞机装配的过程中,制孔和铆接占据了大量的工作量比重。统计数据表明,飞机机体疲劳失效引发的事故中,有 70%是由连接部位失效引起的,其中 80%的疲劳裂纹发生在连接孔处,因此飞机的安全使用寿命极大程度上依赖制孔和铆接的质量。当前在我国的航空制造业中,制孔和铆接仍以人工作业为主,不仅工作效率低下,而且工人个体操作技术水平参差不齐,导致装配质量不稳定。尤其对于四代机等高端机型而言,人工作业已经无法满足其对连接孔的位置精度、法向精度等技术指标的要求。使用自动钻铆技术已经成为当今飞机装配的必然选择,其中,基于工业机器人的自动钻铆系统是当前的研究热点。
 
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图片来源:pixabay

由于我国在基于工业机器人的自动钻铆系统领域的研究起步较晚,加之国外企业对我国的技术封锁,我国在机器人自动钻铆系统的研究与应用方面,与国外还存在一定的差距。因此,研发具有自主知识产权的机器人自动钻铆系统,研究并解决其中的关键技术和问题,对提升我国航空制造技术水平具有重要的意义。
 
通常情况下,工业机器人仅具有较高的重复定位精度,并不具备足够高的绝对定位精度,导致机器人自动钻铆系统无法满足飞机装配的精度要求,因此,探索可行可靠的机器人定位误差补偿方法,提升工业机器人绝对定位精度已成为亟待解决的问题,开展工业机器人精度补偿相关理论及方法的研究与应用对于推动我国航空制造技术发展与创新具有重要意义和实用价值。
 
本书包含 6 章内容,大致内容如下:第 1 章为绪论,简要介绍机器人精度以及工业机器人精度补偿技术研究现状;第 2 章为机器人运动学模型与误差分析,介绍机器人的正、逆向运动学模型建立与误差分析方法;第 3 章为机器人运动学标定,通过建模、测量、参数识别和误差补偿等过程,建立机器人运动学误差模型;第 4 章为机器人非运动学标定,不同于复杂的运动学模型建立过程,通过构建误差映射关系来实现目标点定位误差估计与补偿;第 5 章为机器人最优采样点,介绍基于能观性指数的随机采样点选择方法、空间网格化的均匀采样点规划方法和基于遗传算法的最优采样点多目标优化方法;第 6 章为机器人自动制孔系统应用,详细阐述机器人自动制孔系统的组成部分和工作原理,以及坐标系建立与统一方法,并在此基础上进行自动制孔协调准确度综合补偿方法的试验验证。
 
本书积累了作者团队近十年在工业机器人精度补偿方向上的科研成果,能够为机器人应用领域的研究提供一定的借鉴。


作者简介

田威,南航航空航天大学教授,博士生导师。主要从事飞机装配方向的教学与科研工作,主持国家“飞机大部件装配虚拟仿真项目”和多项省重点教改项目,是江苏青蓝工程优秀教学团队核心成员,主持国家自然科学基金、国家科技重大专项、国家重点研发等国家、省部级科技研究项目20余项。入选江苏省“青蓝工程”中青年学科带头人、六大高峰人才、“333人才”等省级人才培养计划,自主研制的“复杂大部件机器人智能装配技术与装备”获江苏省科技一等奖。在国内外核心期刊上发表科技论文60余篇,授权发明专利40余项,软件著作权8项。




本文摘编自《工业机器人精度补偿技术与应用》一书。标题为编者所加。


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作者:田威 廖文和

  • ISBN:9787030629036


工业机器人精度补偿技术与应用详细地介绍了工业机器人精度补偿的基础理论和关键技术,主要内容包括:机器人运动学模型建立方法和机器人定位误差分析、机器人运动学模型标定方法、机器人非运动学标定方法、机器人最优采样点规划方法。并进一步阐述了飞机装配自动制孔系统中工业机器人精度补偿技术的应用方法,以验证该技术的有效性。


本书可作为机电一体化、机械制造、自动化技术等相关专业的高年级本科生、研究生的辅助教材,也可供大学教师、科研人员以及相关工程技术人员等参考。

(本期编辑:王芳)


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1 杨正瓴

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