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

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

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:2023-07-25 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:2023-07-25 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

参考文献 28

1	薛红前. 飞机装配工艺学［M］. 西安：西北工业大学出版社， 2015： 27-28.
	XUE H Q. Aircraft assembly technology［M］. Xi’an： Northwestern Polytechnical University Press， 2015： 27-28 （in Chinese）.
2	YUE X W， WEN Y C， HUNT J H， et al. Surrogate model-based control considering uncertainties for composite fuselage assembly［J］. Journal of Manufacturing Science and Engineering， 2018， 140（4）： 041017.
3	Airbus. Advanced lightweight materials ［EB/OL］. （2022-10-18）［2022-10-20］. ： .
4	李东升，翟雨农，李小强. 飞机复合材料结构少无应力装配方法研究与应用进展［J］. 航空制造技术， 2017， 60（9）： 30-34.
	LI D S， ZHAI Y N， LI X Q. Research and application advances of stress-less assembly methods for composite airframe［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2017， 60（9）： 30-34 （in Chinese）.
5	潘国威，陈文亮，王珉. 应用于飞机装配的并联机构技术发展综述［J］. 航空学报， 2019， 40（1）： 522572.
	PAN G W， CHEN W L， WANG M. A review of parallel kinematic mechanism technology for aircraft assembly［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（1）： 522572 （in Chinese）.
6	郭恩明. 国外飞机柔性装配技术［J］. 航空制造技术， 2005， 48（9）： 28-32.
	GUO E M. Foreign aircraft flexible assembly technology［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2005， 48（9）： 28-32 （in Chinese）.
7	Advanced Integration Technology. Positioning System ［EB/OL］. （2015-7-28）［2022-7-8］. ： .
8	ARISTA R， FALGARONE H. Flexible best fit assembly of large aircraft components. airbus A350 XWB case study ［M］∥Product Lifecycle Management and the Industry of the Future. Cham： Springer International Publishing， 2017： 152-161.
9	Dr SCHNEIDER T. Innovative approach for modular and flexible positioning systems for large aircraft assembly［C］∥SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive， 2015： 2015-01-2503.
10	HUANG J， YU L， ZHANG Y L， et al. A new positioning device designed for aircraft automated alignment system［C］∥SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive， 2019： 2019-01-1883.
11	MBAREK T， MEISSNER A， BIYIKLIOGLU N. Positioning system for the aircraft structural assembly［J］. SAE International Journal of Aerospace， 2011， 4（2）： 1038-1047.
12	BI Y B， YAN W M， KE Y L. Numerical study on predicting and correcting assembly deformation of a large fuselage panel during digital assembly［J］. Assembly Automation， 2014， 34（2）： 204-216.
13	CHEN Z H， DU F Z， TANG X Q. Position and orientation best-fitting based on deterministic theory during large scale assembly［J］. Journal of Intelligent Manufacturing， 2018， 29（4）： 827-837.
14	DENG Z P， HUANG X， LI S G， et al. On-line calibration and uncertainties evaluation of spherical joint positions on large aircraft component for zero-clearance posture alignment［J］. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing， 2019， 56： 38-54.
15	MEI B， YANG Y T， ZHU W D. Enhanced pose adjustment system for wing-box assembly in large aircraft manufacturing［J］. Journal of Computing and Information Science in Engineering， 2022， 22（2）： 021011.
16	邱宝贵，蒋君侠，毕运波，等. 大型飞机机身调姿与对接试验系统［J］. 航空学报， 2011， 32（5）： 908-919.
	QIU B G， JIANG J X， BI Y Bet al. Posture alignment and joining test system for large aircraft fuselages［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2011， 32（5）： 908-919 （in Chinese）.
17	郭志敏，蒋君侠，柯映林. 基于POGO柱三点支撑的飞机大部件调姿方法［J］. 航空学报， 2009， 30（7）： 1319-1324.
	GUO Z M， JIANG J X， KE Y L. Posture alignment for large aircraft parts based on three POGO sticks distributed support［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2009， 30（7）： 1319-1324 （in Chinese）.
18	黄翔，李泷杲，陈磊，等. 民用飞机大部件数字化对接关键技术［J］. 航空制造技术， 2010， 53（3）： 54-56.
	HUANG X， LI S G， CHEN L， et al. Key technologies of digital final assembly for civil aircraft［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2010， 53（3）： 54-56 （in Chinese）.
19	陈文亮，潘国威，王珉. 基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法［J］. 航空学报， 2019， 40（2）： 522403.
	CHEN W L， PAN G W， WANG M. High precision positioning method for aircraft fuselage panel based on force/position control［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2019， 40（2）： 522403 （in Chinese）.
20	JONSSON M， OSSBAHR G. Aspects of reconfigurable and flexible fixtures［J］. Production Engineering， 2010， 4（4）： 333-339.
21	RAMIREZ J， WOLLNACK J. Flexible automated assembly systems for large CFRP-structures ［J］. Procedia Technology， 2014， 15： 447-455.
22	REID E. Development of a mobile drilling and fastening system based on a PKM robotic platform［C］∥SAE Technical Paper Series. 400 Commonwealth Drive， 2015： 2059-2070.
23	BERTELSMEIER F， DETERT T， UBELHOR T， et al. Cooperating robot force control for positioning and untwisting of thin walled components［J］. Advances in Robotics & Automation， 2017， 6（3）： 1000179.
24	QU L Q， PAN G W， CHEN W L. Reasonable drive selecting of parallel mechanisms based on screw theory［J］. World Journal of Engineering and Technology， 2015， 3（3）： 259-265.
25	王伟，张春亮，白新宇，等. 基于并联构型的飞机装配调姿定位机构精度研究［J］. 航空制造技术， 2017， 60（S1）： 60-64.
	WANG W， ZHANG C L， BAI X Y， et al. Positioning accuracy research of assembly tooling for aircraft based on parallel mechanism［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2017， 60（Sup 1）： 60-64 （in Chinese）.
26	文科，杜福洲，张铁军，等. 舱段类部件数字化柔性对接系统设计与试验研究［J］. 航空制造技术， 2017， 60（11）： 24-31.
	WEN K， DU F Z， ZHANG T J， et al. Research on design and experiment for digital flexible aligning system of cabin components［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2017， 60（11）： 24-31 （in Chinese）.
27	ZHAO D， BI Y B， KE Y L. Kinematic modeling and base frame calibration of a dual-machine-based drilling and riveting system for aircraft panel assembly［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2018， 94（5）： 1873-1884.
28	BORRMANN C， WOLLNACK J. Enhanced calibration of robot tool centre point using analytical algorithm［J］. International Journal of Materials Science and Engineering， 2015， 3（1）： 12-18.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

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

[1]	杨超, 张开富. 基于PSO⁃BiLSTM神经网络的机身筒段应力预测[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 426991-426991.
[2]	何晓煦, 雷沛, 潘登, 杨阳, 李现坤, 邓珍波. 基于PSO与WSVD的飞机部件位姿拟合方法[J]. 航空学报, 2023, 44(7): 427162-427162.
[3]	巴晓甫, 薛红前, 李西宁. 飞机部件数字化调姿定位测量点的优选与构造算法[J]. 航空学报, 2022, 43(5): 625514-625514.
[4]	荆涛, 田锡天. 基于蒙特卡洛-自适应差分进化算法的飞机容差分配多目标优化方法[J]. 航空学报, 2022, 43(3): 425278-425278.
[5]	石循磊, 张继文, 刘顺涛, 陈恳. 基于Kriging模型插值的孔位修正策略[J]. 航空学报, 2020, 41(9): 423499-423499.
[6]	宋凝芳, 杨艳强. 弹载大视场星惯组合深度融合导航技术[J]. 航空学报, 2020, 41(8): 623674-623674.
[7]	张敏, 田锡天, 李波. 整体壁板压弯成形的形状控制[J]. 航空学报, 2020, 41(7): 623620-623620.
[8]	石章虎, 何晓煦, 曾德标, 雷沛. 基于误差相似性的移动机器人定位误差补偿[J]. 航空学报, 2020, 41(11): 424105-424105.
[9]	陈文亮, 潘国威, 王珉. 基于力位协同控制的大飞机机身壁板装配调姿方法[J]. 航空学报, 2019, 40(2): 522403-522403.
[10]	潘国威, 陈文亮, 王珉. 应用于飞机装配的并联机构技术发展综述[J]. 航空学报, 2019, 40(1): 522572-522572.
[11]	宋祥帅, 王恩美, 穆瑞楠, 谭述君, 兰澜. 格栅反射器型面的主动控制[J]. 航空学报, 2018, 39(6): 221541-221541.
[12]	何晓煦, 田威, 曾远帆, 廖文和, 向勇. 面向飞机装配的机器人定位误差和残差补偿[J]. 航空学报, 2017, 38(4): 420538-420538.
[13]	雷沛, 郑联语. 面向飞机大部件调姿的PPPS机构球铰点中心位置闭环标定方法[J]. 航空学报, 2016, 37(10): 3186-3196.
[14]	韩锋, 田威, 廖文和, 张旋, 王丽峰. 基于并联机构的轻型自主爬行钻铆系统法向调姿算法[J]. 航空学报, 2015, 36(6): 2083-2090.
[15]	刘胜兰, 罗志光, 谭高山, 叶南, 张丽艳. 飞机复杂装配部件三维数字化综合测量与评估方法[J]. 航空学报, 2013, 34(2): 409-418.

大型复合材料机身壁板多机器人协同装配调姿控形方法

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

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 16

参考文献 28

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价