薄壁鋁合金導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接偏差主動(dòng)補(bǔ)償.pdf

1、導(dǎo)管是航空飛機(jī)上最關(guān)鍵的組成部件之一。目前，國(guó)內(nèi)航空飛機(jī)焊接類導(dǎo)管的制造主要采用手工鎢極氬弧焊，焊接工作強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定，無(wú)法滿足導(dǎo)管CAD/CAM數(shù)字化制造的需求。針對(duì)航空導(dǎo)管制造的落后現(xiàn)狀，本文旨在建立一套導(dǎo)管數(shù)字化裝配及焊接試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)如導(dǎo)管與法蘭裝配偏差的補(bǔ)償、導(dǎo)管焊接熱變形偏差的補(bǔ)償?shù)确矫娴膬?nèi)容進(jìn)行研究。
　　首先，針對(duì)導(dǎo)管形狀復(fù)雜多變、壁厚薄的難點(diǎn)，建立了一套通用的、適應(yīng)導(dǎo)管不同空間走向的柔性數(shù)字化裝

2、配及焊接試驗(yàn)系統(tǒng)。主要功能包括：a)導(dǎo)管的柔性定位與裝卡；b)導(dǎo)管與法蘭的自動(dòng)裝配偏差補(bǔ)償；c)導(dǎo)管與法蘭焊接熱變形偏差的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
　　通過(guò)輔助的三坐標(biāo)儀坐標(biāo)系，建立了包括傳感器坐標(biāo)系、三坐標(biāo)儀坐標(biāo)系、機(jī)器人基坐標(biāo)系、機(jī)器人工具坐標(biāo)系在內(nèi)的坐標(biāo)閉式鏈，標(biāo)定了機(jī)器人的手眼關(guān)系。采用四點(diǎn)標(biāo)定法標(biāo)定了裝配機(jī)器人與焊接機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)坐標(biāo)系的統(tǒng)一。
　　從廣義和狹義兩方面分別對(duì)數(shù)字化焊接的定義進(jìn)行了闡

3、述。離線規(guī)劃了裝配機(jī)器人和焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，用于系統(tǒng)中裝配以及焊接任務(wù)的初步執(zhí)行。分析了機(jī)器人離線規(guī)劃路徑偏差的產(chǎn)生原因。
　　分析了導(dǎo)管多工序制造過(guò)程中，導(dǎo)管尺寸誤差流動(dòng)的特點(diǎn)及規(guī)律。針對(duì)導(dǎo)管多工序制造過(guò)程中誤差流動(dòng)的特殊性，提出了利用導(dǎo)管與法蘭的精確空間位置構(gòu)建導(dǎo)管尺寸偏差的反演模型，通過(guò)主動(dòng)調(diào)整法蘭相對(duì)于導(dǎo)管的裝配偏差大小，實(shí)現(xiàn)利用一種偏差補(bǔ)償多種偏差的誤差補(bǔ)償思路。
　　提出了通過(guò)測(cè)量導(dǎo)管與法蘭的相對(duì)位置偏差進(jìn)行

4、導(dǎo)管與法蘭裝配偏差補(bǔ)償?shù)牟呗?。法蘭繞自身坐標(biāo)系端面軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，法蘭軸線與導(dǎo)管軸線之間的夾角先減小后增大。利用旋轉(zhuǎn)過(guò)程中夾角變化的對(duì)稱性，法蘭經(jīng)過(guò)兩次旋轉(zhuǎn)，其軸線與導(dǎo)管軸線平行，精度在±0.5°范圍內(nèi)。
　　提出了通過(guò)激光條紋與導(dǎo)管相對(duì)位姿關(guān)系進(jìn)行裝配偏差補(bǔ)償?shù)牟呗?。結(jié)構(gòu)光條紋與圓柱體相交時(shí)，隨著圓柱母線與入射光平面夾角的增大，光平面在圓柱體上的投影逐漸趨近于圓弧。利用這一變化特征，先將光平面調(diào)整到與導(dǎo)管軸線垂直，然后將法蘭調(diào)整到與光

5、平面垂直，完成了導(dǎo)管與法蘭裝配姿態(tài)偏差的調(diào)整，精度在±0.5°~±1.5°范圍內(nèi)。當(dāng)光平面相對(duì)于圓柱體平移時(shí)，激光傳感器與圓柱體之間的距離先減小后增大，其最小值點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)圓柱體的直徑位置，在直徑兩側(cè)呈軸對(duì)稱關(guān)系。利用這一對(duì)稱性規(guī)律完成了導(dǎo)管與法蘭位置偏差的調(diào)整，精度在±0.20mm范圍內(nèi)。
　　通過(guò)系統(tǒng)中機(jī)器人之間的相互位姿關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)管數(shù)字化制造過(guò)程中模型數(shù)據(jù)的傳遞，減小了后續(xù)焊接機(jī)器人規(guī)劃路徑的偏差。提出了一種新穎的基于視覺(jué)

6、的導(dǎo)管彎曲成形尺寸偏差離線自動(dòng)補(bǔ)償算法。當(dāng)焊槍沿著離線規(guī)劃的橫焊縫路徑運(yùn)動(dòng)一周后，利用傳感器采集的焊槍與導(dǎo)管端面焊縫間的橫向及縱向距離，完成了導(dǎo)管彎曲成形尺寸偏差的離線自動(dòng)補(bǔ)償。補(bǔ)償后，焊槍與焊縫的最大橫向偏差為±0.60mm，最大縱向偏差為±0.64mm。
　　最后，采用Marc數(shù)值模擬軟件模擬了導(dǎo)管焊接熱變形，將熱變形引起的焊接路徑偏差加載到離線規(guī)劃路徑中。在分析結(jié)構(gòu)光前視于焊槍問(wèn)題的基礎(chǔ)上，將“示教-再現(xiàn)”型機(jī)器人開(kāi)發(fā)為具備