大型复合材料机身壁板多机器人协同装配调姿控形方法

doi:10.7527/S1000-6893.2022.28006

材料工程与机械制造

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大型复合材料机身壁板多机器人协同装配调姿控形方法

杨应科¹, 李东升¹, 沈立恒², 李汝鹏², 翟雨农¹^,³()

^1.北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191
^2.中国商飞上海飞机制造有限公司，上海 201324
^3.北京航空航天大学宁波创新研究院，宁波 315800

收稿日期:2022-09-14 修回日期:2022-10-09 接受日期:2022-11-07 出版日期:2022-12-08 发布日期:2022-12-06
通讯作者: 翟雨农 E-mail:zhaiyn@buaa.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52105502);国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金(COMAC-SFGS-2019-263);中央高校基本科研业务费专项资金(3042021601)

Pose and shape adjustment method for CFRP fuselage panel based on multi-robot collaboration

Yingke YANG¹, Dongsheng LI¹, Liheng SHEN², Rupeng LI², Yunong ZHAI¹^,³()

^1.School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China
^2.COMAC Shanghai Aircraft Manufacturing Co. ，Ltd. ，Shanghai 201324，China
^3.Ningbo Institute of Technology，Beihang University，Ningbo 315800，China

Received:2022-09-14 Revised:2022-10-09 Accepted:2022-11-07 Online:2022-12-08 Published:2022-12-06
Contact: Yunong ZHAI E-mail:zhaiyn@buaa.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52105502);Fund of National Engineering and Research Center for Commercial Aircraft Manufacturing(COMAC-SFGS-2019-263);Fundamental Research Funds for the Central Universities(3042021601)

摘要/Abstract

摘要：

针对飞机大型复合材料机身壁板尺寸大、曲率大、外形偏差不易控制等装配工艺特点，提出了一种基于多机器人协同的复合材料机身壁板装配调姿控形方法。实现了各机器人末端夹持单元预定位，并建立了多机器人柔性装配工装的全局运动学模型；通过多机器人主从协同运动实现复合材料机身壁板的调姿定位，分析了协同运动误差；构建了壁板形状控制点偏差与机器人运动量的变换关系，通过机器人的运动实现了复合材料机身壁板的形状控制。最后，对所提出的方法进行了应用实验验证，结果表明采用主从协同运动的调姿方法，调姿定位精度优于0.08 mm。形状调控后复合材料机身壁板形状精度可达0.6 mm，证明了该方法的可行性和有效性。

关键词: 飞机装配, 复合材料机身壁板, 多机器人协同, 调姿, 形状控制

Abstract:

Aiming at the assembly process characteristics of Carbon Fiber Reinforced Plastic （CFRP） fuselage panels， such as large size， large curvature， and difficulty to reduce the shape deviation， a pose and shape adjustment method for CFRP fuselage panel based on multi-robot collaboration is proposed. The pre-positioning of the clamping units on each robot is realized， and the global kinematic model of the multi-robot flexible assembly system is established. Through multi-robot collaborative motion， the pose adjustment of the composite panel is achieved， with the error analysis of the collaborative motion. The relationship between the deviation of shape-control point and the robot motion is established， the shape of the composite fuselage panel is then adjusted through the robot movement. Finally， the proposed method is verified by application experiments. The results show that the pose adjustment method can achieve a positioning accuracy of better than 0.08 mm， and the shape accuracy of the composite fuselage panel can reach 0.6 mm， which demonstrates the feasibility and effectiveness of the method.

Key words: aircraft assembly, CFRP fuselage panel, multi-robot collaboration, pose adjustment, shape adjustment

中图分类号:

V262.4

杨应科, 李东升, 沈立恒, 李汝鹏, 翟雨农. 大型复合材料机身壁板多机器人协同装配调姿控形方法[J]. 航空学报, 2023, 44(14): 428006-428006.

Yingke YANG, Dongsheng LI, Liheng SHEN, Rupeng LI, Yunong ZHAI. Pose and shape adjustment method for CFRP fuselage panel based on multi-robot collaboration[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(14): 428006-428006.

图/表 16

图 1

图 2

图3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

表 1

表 2

表 3

图 10

图 11

表 4

表 5

机器人末端力/力矩传感器测量值变化

序号	$Δ F x$ /N	$Δ F y$ /N	$Δ F z$ /N	$Δ T x$ /（N·m）	$Δ T y$ /（N·m）	$Δ T z$ /（N·m）
1	-158.935	-335.901	-168.243	9.960	-19.766	-6.310
2	-20.799	39.118	77.277	-20.714	46.979	7.246
3	-21.028	266.634	-62.728	-10.846	-38.602	13.853
4	78.992	440.328	-267.187	12.771	18.549	21.007
5	60.704	85.745	229.695	-12.165	-80.002	-3.136
6	51.869	-491.358	-231.993	-13.630	49.482	-9.513

表 5

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运动方向	位置偏差/mm	X方向偏差/（°）	Y方向偏差/（°）	Z方向偏差/（°）
X	0.014	-0.011	-0.008	-0.001
Y	0.052	0.007	-0.004	0.008
Z	0.029	0.004	-0.001	0.004

旋转轴	位置偏差/mm	X方向偏差/（°）	Y方向偏差/（°）	Z方向偏差/（°）
X	0.031	-0.001	-0.002	0.006
Y	0.014	0.003	-0.001	0.001
Z	0.003	0.005	0.005	0.002

项目	第1次实验			第2次实验			第3次实验
项目	X方向	Y方向	Z方向	X方向	Y方向	Z方向	X方向	Y方向	Z方向
调姿前位置偏差/mm	50.465	20.086	45.192	-38.132	-27.415	-33.574	52.691	20.440	20.478
调姿后位置偏差/mm	-0.047	0.002	-0.023	-0.025	-0.069	-0.027	0.018	0.020	-0.036
调姿前方向偏差/（°）	1.543	0.842	0.942	-1.400	-0.706	-0.834	0.650	0.872	0.223
调姿后方向偏差/（°）	0.000	-0.001	0.001	0.002	-0.006	-0.008	0.002	-0.002	0.002

形状控制点	调控前偏差/mm			调控后偏差/mm
形状控制点	X方向	Y方向	Z方向	X方向	Y方向	Z方向
SC1	-0.013	0.271	-4.612	0.033	0.319	0.505
SC2	0.009	0.061	0.149	0.025	0.060	0.098
SC3	-0.032	-0.098	-1.886	-0.020	-0.120	0.077
SC4	-0.011	-0.120	-3.742	-0.039	0.203	0.134
SC5	0.089	0.101	0.134	0.065	0.092	0.038
SC6	0.048	-0.391	-4.503	0.035	-0.320	0.386

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