机器人制孔过程中工件变形精确预测和单侧压紧力优化研究

In robotic drilling, one-sided clamping is generally used to eliminate interlaminar gaps of multi-stack materials and to improve the stability of the drilling process. But how to determine a reliable clamping force is one of the technological difficulties robotic drilling must confront with. In this projecct, the author proposes to fuse force measurement data and accurate geometric measurement data in finite element analysis(FEA) to achieve accurate prediction of clamping force-induced workpiece deformation and to optimize both the magnitude and distribution of the clamping force by analyzing the predicted deformation.Sensor layout optimization,random error seperation and systematic error elimination will be used to ensure the input data to the deformation prediction process is accurate and effective. FEA model correction based on nonlinear optimization and FEA analysis result correction based on shape-preserving surface interpolation will be utilized in the fusion of force data and accurate geometric data. The relation between clamping force and hole shape accuracy is determined by deformation analysis, and the relations of clamping force with interlaminar gaps and stability of the drilling process are obtained by experimental methods.The magnitude of the clamping force can be optimized by considering these discovered relations, then the distribution of the clamping force can be optimized through analyzing the symmetry of the workpiece deformation. The proposed research will produce a suite of methods for the optimization of clamping force based on accurate deformation prediction, promote the development of robotic drilling technology and meet the requirements of digital assembly of new generation aircrafts.

在机器人制孔中，一般采用单侧压紧来消除叠层材料之间的间隙,增强机器人制孔过程的稳定性。但如何确定合理的压紧力是机器人制孔加工必须面对的技术难点问题之一。本项目通过在有限元分析过程中融合力测量数据和精确几何测量数据，实现对工件压紧变形的精确预测，优化压紧力的大小及分布。通过优化传感器布局、分离随机误差和消除系统误差，确保变形预测具有精确、有效的测量数据；采用基于非线性优化的有限元模型参数修正方法和基于曲面保形插值的有限元计算结果修正方法，实现力数据与几何数据的融合；通过变形分析确定压紧力与孔形精度的关系，采用试验方法获得压紧力与叠层材料间隙、制孔过程稳定性的关系，进而优化压紧力大小，在此基础上分析变形的对称性，优化压紧力的分布。本项目研究将形成一套以变形精确预测为基础的压紧力优化方法，推动机器人制孔技术的发展，满足新一代飞机数字化装配的要求。

本项目针对机器人制孔过程中飞机壁板类结构件在工艺过程作用下易产生较大变形，导致制孔精度下降的问题，通过多传感器数据融合、精密测量、有限元分析和机器人技术等多学科交叉与综合，研究单侧压紧作用下工件局部变形的精确预测和压紧力优化问题，显著提高机器人制孔的质量。.在测量系统传感器布局优化及其误差抑制方面：研制了一套完整的机器人制孔视觉测量系统，探索了基于远心镜头的高精密视觉测量技术；提出了基于图像显著性的区域分割方法、椭圆轮廓鲁棒提取算法和基于能量最小的轮廓优化方法，实现了基准孔的精确识别；研究了激光位移传感器在制孔终端执行器上集成和标定方法，揭示了测量噪声对位移传感器标定精度的影响规律，通过优化机器人测量姿态的可观测指标，提高了算法的抗噪声能力、标定精度以及标定效率。.在基于多传感器数据融合的工件受力变形精确预测方面：揭示了视觉系统光轴与工件不垂直以及标定时物距与测量时物距不一致等因素对测量精度的影响规律；提出了集成激光位移传感器与视觉测量传感器来提高测量精度的方法，实现了多传感器数据的有效融合，提升了机器人制孔定位误差和工件形变的测量精度；研究了典型飞机壁板的结构特征，提出了基于局部刚度特征的制孔类型划分方法；研究了模型简化、几何信息计算、边界约束与载荷施加等飞机壁板局部特征有限元建模关键技术，在 ABAQUS软件中建立了叠层材料钻削过程有限元模型，实现了工件受力变形的精确预测。.在压紧力优化方面：基于叠层结构间隙消除的基本原理,提出了一种机器人制孔过程中考虑初始间隙的压紧力预测方法；基于变形预测有限元模型，研究了叠层材料间隙和孔径精度与压脚压紧力之间的关系，提出了通过综合分析叠层间隙和孔径精度优化压紧力设置的方法。.在原型系统开发、变形精确预测和单侧压紧力试验方面：参加了浙江大学飞机数字化装配技术创新团队的机器人制孔系统、移动机器人制孔系统以及环形轨道制孔系统等自动化制孔原型系统开发；在机器人制孔和环形轨道制孔系统上验证了变形预测和单侧压紧力优化方法，实验结果表明制孔质量满足飞机装配的要求。.本项目研究在多传感器集成与数据融合、变形预测和压紧力优化、新型制孔系统开发等方面取得了一系列创新成果，发表SCI论文6篇、EI论文6篇，获得授权国家发明专利1项，另有5项国家发明专利处于公示期，多项研究成果已经在我国大型飞机数字化装配中得到了成功应用。