大型舱体移动机器人加工工艺架构与规划方法.pdf

大型舱体移动机器人加工工艺架构与规划方法*刘保荣杨继之李海欧王云鹏文科周莹皓何雨晴（北京卫星制造厂有限公司，北京 100094；大连理工大学精密/特种加工及微制造技术教育部重点实验室，辽宁 大连 116024）摘要：移动机器人加工技术为大型航天器舱体的研制提供了一种全新的技术手段。传统的基于数控机床的研制流程，缺乏一种系统性的加工工艺规划框架与方法。为此，文章以大型航天器舱体加工为例，提出了一种移动机器人系统加工过程工艺架构，基于大型舱体研制工艺总流程梳理了面向移动机器人的任务流程，并结合生产现场刀具配送等要求对机器人加工工艺要素进行全面地总结与优化。同时，面向移动机器人加工中精度控制与任务分配等现实需求，对工艺规划过程中的分级精度控制、站位规划及加工空间分区拼接等 3 个典型问题进行了详细的介绍并给出了具体的解决方案。最终，以某舱体模拟件为加工对象，完成面向移动机器人的加工过程工艺规划的案例验证。结果表明，基于移动机器人的加工工艺能够对大型航天器舱体的高精、高效加工提供技术指导。关键词：大型航天器舱体；移动机器人；工艺架构；工艺规划中图分类号：TP242文献标识码：ADOI：10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.08.021Process architecture and planning methods of mobile robot for large spacecraft capsuleLIU Baorong,YANG Jizhi,LI Haiou,WANG Yunpeng,WEN Ke,ZHOU Yinghao,HE Yuqing(Beijing Spacecrafts,Beijing 100094,CHN;Key Laboratory of Precision/Special Processing and MicroManufacturing Technology of the Ministry of Education,Dalian University of Technology,Dalian 116024,CHN)Abstract：Mobile robot processing technology provides a new technical means for the manufacture of largespacecraft capsule.Compared with the traditional manufacturing process based on CNC machine tools,there is a lack of a systematic framework and method for machining process planning.For this reason,taking the processing of large spacecraft capsule as an example,a process architecture of mobile robotsystem processing is proposed.Based on the overall process flow of large spacecraft capsulemanufacturing,the task flow for mobile robots is combed,and the robot processing process elementsare comprehensively summarized and optimized according to the requirements of tool distribution at theproduction site.At the same time,facing the practical needs of precision control and task allocation inmobile robot processing,three typical problems in process planning process,including hierarchicalprecision control,station planning and processing space partition splicing,are introduced in detail andspecific solutions are given.Finally,taking a capsule as the processing object,the case verification ofprocessing planning for mobile robot is completed.The results show that it can provide technicalguidance for high-precision and high-efficiency machining of large spacecraft cabin using mobilerobots.Keywords：large spacecraft capsule;mobile robotic system;process architecture;process planning *国家重点研发计划（2019YFA0706700）；精密/特种加工及微制造技术教育部重点实验室开发课题项目（B202201）；国家自然科学基金资助项目（52075533、62003346）2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 146 随着我国载人航天与探月工程、空间飞行器在轨服务与维护等国家重大专项的逐步推进，对大型航天器舱体的数量、尺度、轻量化和精度提出了新的需求1。以机器人为代表的小型移动加工单元原位作业模式展现出明显优势，被广泛应用于大型结构件的制孔、磨抛、装配和喷涂等多类作业24。机械臂拟人化的结构可以通过计算机的控制来实现各种灵活而精细的运动，确保工业作业的灵活性，同时价格便宜，有效减少了工业成本支出5。在加入移动平台后，机器人的可达性和工作区域更是得到进一步增强，具备了加工大型舱体的能力，移动机器人逐渐在航空航天领域成为目前大型/超大型结构件一体化整体加工的新途径。大型航天器舱体在研制过程中，由于需要保证舱外有效载荷支架等待加工特征在整舱基准坐标系下的精度要求，往往需要整体加工。传统的制造流程复杂，需要在多个车间、多种设备间转运，而采用移动机器人技术能够大大优化工艺流程68。但这种新的制造模式也带来了一系列问题，主要体现在如何准确地获得移动机器人与加工对象的相对位姿关系19、如何合理地规划移动机器人加工站位1013、如何实现大场景下移动机器人加工精度可控1415等。目前，尚未发现针对大型航天器移动机器人加工过程系统性的工艺规划方法介绍。因此，为了能够更好地将移动机器人应用到大型航天器舱体的制造环节中，本文提出了一种面向大型航天器舱体的移动机器人加工工艺架构与规划方法。首先，针对大型航天器舱体加工过程，梳理基于移动机器人的加工工艺架构，并且针对移动机器人特点规划出合理的工艺路线，对机器人加工过程相关工艺要素进行全面地总结与优化；然后，针对这种特有的制造模式和产品研制需求，分别就移动机器人加工过程所涉及的分级精度控制、站位规划及加工空间分区拼接等 3 类典型问题进行了阐述，并给出了详细的工艺规划方案，确保实际加工过程各个环节的有序执行。1工艺架构为了实现主工艺的智能驱动、检测结果的接收，以及加工内容及执行程序的智能推送，需要在三维工艺设计基础上，通过对机器人加工工艺编制工作业务流程的梳理与优化，结合生产现场刀具配送等要求对机器人加工工艺要素进行全面地总结与优化，梳理出能够直观、全面反映数控工艺信息的工艺要素，并按照三维工艺的结构化组织方式进行组织。如图 1 所示，机器人加工作为航天器大型舱体制造过程中的一个环节，其加工路线、精度要求等工艺规划内容往往包含在机器人加工工艺文件中，同时由于舱外支架数量和种类都比较多，其加工过程往往包含多个工序，涉及的程序达数百条，因此为使机器人加工要素的组织更加便捷，将其作为独立的工艺文件进行组织管理。总工艺工步内容机器人站位加工程序程序说明装夹说明加工仿真机器人设备工装夹具刀具工步资源资源库工装资源库设备资源库刀具资源库检测工艺焊接工艺移动机器人加工工艺特征 1 加工工序特征 n 加工工序铣面工步打孔工步 1图图1机器人加工工艺架构与关联关系机器人加工工艺架构与关联关系 1.1移动机器人加工工艺路线如图 2 所示，依据梳理出的机器人加工工艺架构与相互关联关系，制定大型航天器舱体移动机器人加工工艺总流程，明确其中每个子流程的具体工作，内容如下。（1）承担任务分析：针对不同的加工对象，需要明确具体的待加工特征、加工余量及加工精度等工艺要求，明确加工过程所涉及的机器人的不同任务。（2）工艺总方案编制：主要由编制依据、产品特点和工艺特点、承担任务及内部分工、风险分析、工艺方案和工艺实施保障条件等内容组成。（3）编制加工工艺规程：用于指导操作人员使用移动机器人按一定的操作规范进行加工。（4）生成前准备：主要是针对移动机器人加工过程中所涉及的配套人员、配套工装，以及加工过程中冷却液、酒精和防护膜等耗材。（5）定位与测量评价则：针对大型构件的特点和移动机器人作业模式，需要制订系统加工基准测量方案和加工结果精度验证方案。（6）选择加工装备：针对不同加工精度，选择不同构型和不同精度以及配备不同末端执行器的2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 147 移动机器人加工装备。（7）编制加工轨迹：主要是指加工过程中所涉及的铣削轨迹、打磨轨迹和检测轨迹等，包括刀轨形式、切削和非切削参数设置等内容。（8）多机任务时序规划：主要作用是对多台移动机器人共同作业时的作业顺序进行规划，从而达到加工时间最优的目的。（9）多机任务路径规划：在空间维度，对多台移动机器人共同作业时的加工路径进行规划，确保加工过程不发生碰撞干涉。（10）多机任务参数优化：主要是根据不同移动机器人的作业任务不同，分配相应的加工参数，普遍的参数类型有主轴转速、进给速度以及切削深度。（11）后处理：根据不同移动机器人的控制器，将加工轨迹点位信息通过后处理的方式生成机器人控制系统能够执行的运动程序。基于上述工艺总流程，能够将加工任务分配给不同的移动机器人，从而形成针对每台移动机器人的任务流程，该流程是移动机器人面向大型构件加工的一般流程。（1）建立大范围测量场：移动机器人在进行大型构件制造过程中，与机床封闭空间不同，需要建立工件-机器人相对位姿关系，此过程往往需要在数米空间范围内建立起高精度测量场。（2）控制移动加工装备自寻位：单一站位往往无法满足大型构件的加工需求，因此需要移动机器人具备自主寻位功能，使得移动机器人能够自主运动至各个站位，从而完成所有加工任务。（3）机器人精确定位：通过视觉辅助或者激光跟踪仪等外部测量系统实现机器人的精确定位。（4）精确控制加工轨迹：对于机器人轨迹精度要求高的作业场景，将精度控制算法写入机器人控制器中；而对于定位精度要求高的作业场景，可以通过视觉测量设备、激光跟踪仪等外部测量设备实现机器人误差修正。（5）加工过程状态监测：主要是在移动机器人加工过程中，通过收集工件-机器人系统的振动信息、声音信息以及切削信息，判断实际加工过程工件装夹、加工工艺参数是否达到最优状态。（6）动态优化加工参数：对加工过程状态监测中的相关信息进行处理后，自动进行加工参数的在线调整，该调整一般涉及主轴转速和进给速度。（7）控制机器人移动至下一站位：在完成该站位下移动机器人能加工的所有特征后，再进行移动。需要注意的是，由于机器人发生移动，需要重新进行加工装备自寻位和机器人的精确定位。（8）加工结果评价：对加工后的特征精度进行检测，一般而言，这里的精度指标主要包括位置度、平面度、平行度及表面粗糙度。1.2加工过程工艺要素配置大型航天器舱体舱外支架机器人加工工艺要素包括工艺属性、工艺装备、机器人加工程序和工艺参数等直接用于指导生产的工艺信息。在机器人加工工艺设计中，将各类工艺要素转化为结构化对象，定义其数据类型、数据大小、提取方式和组织方式等内容，如图 3 所示。（1）工艺属性：机器人加工工艺文件的类型、执行部门、服务对象产品的名称和加工数量等产品信息。（2）工艺装备：包含机器人信息、工装信息和刀具信息。（3）加工模型：三维实体模型基于三维设计模型创建。（4）机器人站位：从编程软件中直接获取。（5）机器人程序：结合在线检测数据编制程序。（6）程序说明：明确各机器人加工程序的加工部位、刀具选用、加工余量和补偿状态等工艺内容。（7）装卡说明：装卡信息在加工模型中，以工艺总流程承担任务分析生产前准备编制加工轨迹编制加工工艺规程建立大范围测量场控制移动加工装备自寻位实现机器人精确定位动态优化加工参数监测加工过程状态监测精确控制加工轨迹加工结果评价控制机器人移动至下一站位移动机器人 A 任务流程移动机器人 B 任务流程移动机器人 C 任务流程选择加工装备定位与测量评价多机任务参数优化多机任务时序规划多机任务路径规划后处理工艺总方案编制图图2工艺路线及任务流程梳理工艺路线及任务流程梳理2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 148 三维标注的方式进行加工坐标系相应信息的标注。（8）加工仿真：以多媒体形式应用于机器人加工工艺文件。（9）机器人加工工艺流程：包含工序路线和程序使用路线，前者基于机器人加工工序创建流程，后者基于机器人加工程序建立，可串行、并行。2工艺规划 2.1分级精度控制策略提出基于全向移动平台粗定位和末端精确定位的移动加工分级精度控制策略，来解决移动加工的精度问题。TLWTRWTRLTRWTRL首先，通过激光跟踪仪，建立舱体整体坐标系SW和局部坐标系 SL的坐标系转换关系矩阵，如图 4 所示，可以很容易得到以激光跟踪仪为公共基准的转换矩阵和，其中是舱体整体坐标系SW与激光跟踪确定的全局坐标系 SR的转换矩阵，是局部坐标系 SL与全局坐标系 SR的转换矩阵，坐标转换矩阵具有正交性质，因此是可逆的，于是有：TLW=(TRL)1TRW（1）受全向移动平台定位精度的影响，在设计移动机器人的定位策略时，分成粗定位和精定位两个步骤，前一步主要实现移动机器人的大范围移动，使得机器人的加工行程，能够覆盖局部坐标系 SL下全部加工内容，然后再通过测定局部坐标系相对移动平台的精确位置，并修正加工程序，完成舱上结构的精确加工。TAW同前建立整体坐标系和局部坐标系关系的方法，仍可以使用激光跟踪仪建立移动平台基座标系 SA和舱体整体坐标系 SW的相对关系，如图 5 所示。因此有：TAW=(TRA)1TRW（2）TRA其中，是激光跟踪确定的全局坐标系 SR的转换矩阵与移动平台基座标系 SA间的转换矩阵。在舱体整体坐标系 SW下，局部加工坐标系 SL在线检测数据离线编程软件移动机器人加工工艺加工工序机器人站位机器人程序程序说明装夹说明工艺属性三维设计模型人工手工输入工艺资源库三维设计模型自动生成人工手工输入机器人信息工装信息刀具信息三维模型工序路线数控程序工艺装备加工模型工艺流程加工仿真离线编程软件离线编程软件离线编程软件模板定制输入图图3机器人数控加工工艺要素配置机器人数控加工工艺要素配置 大型航天器舱体舱体整体坐标系 SW局部坐标系 S L激光跟踪仪全局坐标系 SRTWL(TLR)1TWR图图4建立舱体整体坐标系与局部坐标系的关系建立舱体整体坐标系与局部坐标系的关系大型航天器舱体舱体整体坐标系 SWTWR全局坐标系 SR移动平台基坐标系 SA激光跟踪仪(TAR)1TWAIGPS、激光 SLAM、视觉等多种定位方式图图5建立舱体整体坐标系与移动平台基坐标系的关系建立舱体整体坐标系与移动平台基坐标系的关系2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 149 附近的加工特征，如果以舱体整体坐标系 SW作为工件坐标系进行编程，则完全超出机器人本体的加工行程。因此机器人数控程序只能以局部坐标系SL作为其工件坐标系。由图 6 可看出，当以局部坐标系 SL作为工件坐标系进行机器人数控编程时，可以得到移动平台基座标系 SA和局部坐标系 SL的转换关系：TLA=(TAW)1TLW（3）舱体整体坐标系 SW移动平台基坐标系 SATWLTWATAL大型航天器舱体局部坐标系 S L图图6移动机器人精确定位后与整舱坐标系的关系移动机器人精确定位后与整舱坐标系的关系 这样就可以在机器人控制器中通过坐标系框架，完成舱体上特征面的加工，并且保证加工面在舱体整体坐标系下的尺寸公差。2.2移动机器人站位规划在实际加工过程中，由于加工特征呈现空间分散的特点，因此需要移动机器人运动至不同的站位进行加工。如图 7 所示，针对舱上待加工特征，需要根据实际约束条件（运动幅度、刚度、奇异性等）选出最优的移动机器人站位。移动机器人运动范围可行站位不可行站位图图7大型舱体移动机器人站位规划大型舱体移动机器人站位规划 以一个支架加工站位为例，为了简化计算，得到采用离散化的策略对工作区域栅格化处理，将各个栅格的中心定义为机器人可能的站位，这样将机器人站位离散成有限个，遍历所有离散站位，在给定刀具姿态及基座位姿，可以根据机器人逆运动学计算此站位下的可达性、奇异性指标、碰撞指标及刚度性能指标，删除难以到达、易发生奇异及刚度较差的位姿，最终形成该支架下的可行站位集。在获得所有支架的可行站位集后，需要根据实际应用场景优选站位。一般来说，在机器人的使用过程中，为了保证安全性和效率，需保证机器人运动幅度尽可能小，即机器人各个关节角度变化值的方差尽可能小。假设视点的个数为 k，i表示第 i轴转动的角度，j表示第 j 轴角度变化的方差，因此，机器人各轴角度变化方差计算公式见式（4）。n=ki=1ink2j=ki=1(ijj)2k(j=1,2,6)（4）由于机器人各个关节在运动过程中会产生关节转角误差，低序列的关节转角误差因为机器人运动学关系会累积到机器人末端，对机器人的绝对定位精度产生较大，高序列的关节转角误差由于运动学传递过程较少，对末端绝对定位精度影响较小。因此，在考虑机器人关节方差的情况下，从运动精度方面考虑，还希望在机器人运动过程中尽可能运动后几个关节。于是，对计算完成的关节方差进行加权处理，加权系数 ki随着机器人关节序号的增大而降低。构造优化函数：D=k121+k222+k323+k424+k525+k626k1 k2 k3 k4 k5 k6k1+k2+k3+k4+k5+k6=1（5）最终，选择优化函数值最小对应的机器人站位为最优站位。此外，也能够以刚度指标和奇异性指标进行合并站位及优选站位。考虑到每个支架安装面上选用了若干点，将所有点指标的平方的加权和作为路径准则。通过一维搜索算法优选站位（舱体整体坐标系下），以刚度值作为优化指标，奇异性、可达性等作为约束指标。2.3加工空间分区拼接对应大型航天器舱体而言，其加工对象呈现出空间整体尺寸大、加工特征空间离散的特点。如图 8 所示，在直径为 2 600 mm，长度为 5 600 mm的航天器舱段表面分布了上百个待加工特征，这些2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 150 特征除了在整舱坐标系下有一定精度指标要求，各个特征之间往往还存在关联尺寸关系，因此需要考虑所有待加工特征在整舱坐标系下的精确位姿关系。此外，随着舱体尺寸的不断增大，移动机器人需要变换不同站位，将多个区域下所能覆盖的舱段表面加工特征拼接起来，实现整舱坐标系下的基准统一。舱段柱段长度 5 600舱段直径 2 600待加工特征图图8加工对象尺寸及加工特征分布情况加工对象尺寸及加工特征分布情况 大型舱体构件加工空间分区拼接主要涉及大场景下的移动机器人多站位基准统一和局部加工轨迹精确修正两大部分。虽然，通过机器人本体高精度控制能够实现机器人本体绝对定位精度的有效提升，但此方法对应的机器人工作空间往往受限，主要体现在：补偿精度在与机器人姿态相关联，即仅能补偿某一特定姿态下的机器人绝对定位精度；即使采用能够同时补偿机器人位置误差和姿态误差的方法，也会存在补偿过程采样点数量庞大、误差映射模型预测精度不够等问题，即补偿方法很难在机器人全工作空间范围内实现任意一点的精度提升。此外，虽然通过分级精度控制策略能够实现移动平台的精准入位，同时确定移动机器人与大型舱体构件的相对位姿关系，但该方法在建立局部基准与机器人末端相对位姿关系时，一般采用视觉检测手段，由于视觉检测原理决定其很容易受到检测距离、检测角度、环境光线等外部环境影响，从而造成检测精度的下降，这就要求移动机器人在分级定位过程以某一特定或者尽可能相近的姿态进行检测，但往往会造成机器人本体与加工对象发生碰撞干涉，在工程上很难大规模应用。如图 9 所示，大场景下移动机器人多站位基准统一是通过激光跟踪仪来实现的，相较于分级精度控制策略中引入的视觉测量环节，整个测量过程完全依赖激光跟踪仪，能够有效控制基准统一的精度。以激光跟踪仪的全局坐标系 SR为基准，建立舱体整体坐标系 SW以及移动机器人站位 1 处的移动平台基坐标系 SA1，机器人末端坐标系 ST1和移动平台基坐标系 SA1的相对位姿关系可以通过机器人运动学获得，由此，能够获得机器人末端在整舱坐标系下的位姿关系；当移动机器人在完成站位 1 的加工任务后，将会运动至站位 2 处完成对应加工特征的加工任务，此时，保证激光跟踪仪和舱体不发生移动，即可保证仍在全局坐标系下建立移动机器人站位 2 处的移动平台基坐标系 SA2。T T2WT A1RT T1A1T A2RT T2A2T RWT T1W全局坐标系 SR舱体整体坐标系 SW末端坐标系 ST1末端坐标系 ST2激光跟踪仪移动平台基坐标系 SA1移动平台基坐标系 SA2图图9基于激光跟踪仪的多站位基准统一基于激光跟踪仪的多站位基准统一 TWT1=TWRTRA1TA1T1TWT2=TWRTRA2TA2T2（6）而对于局部加工轨迹的精确修正，其核心是通过激光跟踪仪修正每个加工特征处局部坐标系的位姿偏差，通过测量获取偏差值后，再补偿至机器人加工的程序中，从而精确修正实现局部加工轨迹，如图 10 所示。TT0RTT1RT T0T末端坐标系 ST0移动平台基坐标系 SA末端坐标系 ST全局坐标系 SR激光跟踪仪图图10基于激光跟踪仪的局部轨迹精确修正基于激光跟踪仪的局部轨迹精确修正 由于机器人单向重复性的精度较高，为此，需要保证测量轨迹与加工轨迹尽可能一致，以加工 58mm60 mm 的平面为例，铣面加工过程采用 64 自制刮刀进行加工，刀具直径能够覆盖每个凸台，因此每个凸台的加工轨迹为一条直线。此外，考虑凸台的长宽，加工轨迹分为自上而下和自左向右两种。2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 151 精度补偿主要分为位置误差补偿和姿态误差补偿。其中位置误差每个凸台补偿一次，补偿值选用面心 P1 点的误差 x、y、z；姿态误差通过运动轨迹建立每个凸台的局部坐标系，如图 11 所示。对于自左向右的建系方法是 P1 指向 P2 点为 X 轴正向，P2 指 向 P3 点 为 Y 轴 正 向，坐 标 系 原 点 为P1 点，如图 12 所示；对于自上而下的建系方法是P1 指向 P2 点为 Y 轴正向，P2 指向 P3 点为 X 轴正向，坐标系原点为 P1 点，如图 13 所示。YP1P1P2P2P3P3XYX图图11局部坐标系建立示意图局部坐标系建立示意图 P1P2P3图图12自左向右加工测量轨迹自左向右加工测量轨迹 P1P2P3图图13自上而下加工测量轨迹自上而下加工测量轨迹 建系完成后，以新建的局部坐标系为基准，查看舱体整体坐标系相对于局部坐标系的偏差，即得到机器人位姿误差。同样，钻孔精度补偿方案是针对每个孔位进行位置误差补偿，一个凸台面上的钻孔姿态仅补偿一次。程序中的点位为每个孔的进刀点，其中一个凸台上典型程序轨迹如图 14 所示。为保证机器人重复定位精度，需保证测量程序和加工程序的点位基本一致，即补偿轨迹与实际加工轨迹保持一致。精度补偿同样分为位置误差补偿和姿态误差补偿。其中位置误差每个孔位补偿一次，补偿值选用程序中进刀点的 x、y、z；姿态误差每个凸台补偿一次，通过运动轨迹建立每个凸台的局部坐标系，如图 15 所示。建系方法是 P1 指向 P4 点为 X 轴正向，P2 指向 P1 点为 Y 轴正向，坐标系原点为 P1 点。P1P4P2P3图图14钻孔精度补偿典型轨迹钻孔精度补偿典型轨迹 P1P4P2P3YX图图15局部坐标系建立示意图局部坐标系建立示意图 建系完成后，以新建的局部坐标系为基准，查看舱体整体坐标系相对于局部坐标系的偏差，即得到机器人姿态误差。3案例分析如图 16 所示，针对某舱体模拟件构建移动机器人加工系统，机器人本体选用 KUKA KR500 大负载工业机器人，控制系统选用 840D sl 数控系统，以直接驱动机器人电机的方式替代原有 KRC4 机器人控制系统，目的是能够沿用机床加工的编程操作模式，同时能在控制系统中嵌入相关机器人精度补偿算法。移动平台基于麦克纳姆轮系，其运动灵活性能够适应复杂多变的车间现场环境，且配有iGPS 信号接收器，能够实现大范围定位。舱体模拟件放置在变位机上，单侧固定和滚轮支撑的方式能够实现舱体绕轴线的自由旋转。图图16移动机器人加工系统现场移动机器人加工系统现场 如图 17 所示，针对分级精度控制过程，采用激光跟踪仪建立舱体整体坐标系，在待加工特征周围，粘贴多个视觉靶标，该靶标能够被机器人末端2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 152 的视觉检测设备识别，并能用于建立局部坐标系。激光跟踪仪局部靶标加工特征图图17分级精度控制场景分级精度控制场景 在 iGPS 引导下移动机器人运动至规划位置，随后，通过机器人末端的视觉检测系统对加工特征周围的靶标进行结构光拍摄，通过图像处理提取靶标点中心位置并与靶标点在舱体整体坐标系下的理论位置进行最小二乘拟合，即可获取机器人末端相对于舱体整体坐标系的位置关系 Wx、Wy、Wz 和姿态关系 I、J、K，并通过数据传输软件将坐标信息传给机器人控制系统，完成加工程序坐标系框架的更新，如图 18 所示。图图18基于视觉的局部坐标系获取与数据传输基于视觉的局部坐标系获取与数据传输 选用舱外 6 处支架进行加工，其空间分布在2 000 mm1 000 mm 范围内，由于对所使用的移动机器人进行了关节限位设置，因此单个站位下无法满足所有特征的一次性加工，为此，在西门子Process Simulate 软件中建立移动机器人加工仿真环境，以 6 处加工特征为机器人所需满足的运动轨迹，以机器人可达性为约束，进行移动机器人加工站位规划，规划后的移动机器人站位如图 19 所示。图图19规划后的移动机器人站位规划后的移动机器人站位 铣面过程每个特征处的局部坐标系原点处的位置误差和姿态误差如图 20 所示。通过激光跟踪仪进行位姿修正，舱体整体坐标系下 X、Y、Z 方向的位置误差绝对值的最大值由补偿前的 0.677 mm、0.722 mm 和 1.249 mm 下降到补偿后的 0.189 mm、0.126 mm 和 0.135 mm。姿态误差绝对值的最大值由补偿前 0.121、0.076和 0.038下降到补偿后的0.057、0.058和 0.034。误差/mm误差/（）1.00.50.150.100.0500.050.1000.51.01.5dxdxdydydzdzdididjdjdkdk123456序号123456序号图图20补偿前后铣面过程位置与角度误差补偿前后铣面过程位置与角度误差 同样，钻孔过程每个特征处的孔位误差如图 21 所示。通过激光跟踪仪进行孔位误差修正，舱体整体坐标系下 X、Y、Z 方向的位置误差绝对值的最大值由补偿前的1.139 mm、0.982 mm 和0.962 mm下降到补偿后的 0.051 mm、0.059 mm 和 0.060 mm。dxdxdydydzdz11052015302535序号1.51.000.50.51.0误差/mm图图21补偿前后钻孔过程位置误差补偿前后钻孔过程位置误差 4结语针对大型航天器舱体移动机器人加工过程，提出了一种移动机器人系统加工过程工艺架构。面向大型舱体研制总工艺流程梳理出移动机器人任务流程，并结合现场生产要求对机器人加工工艺要素进行了总结与优化。结合移动机器人加工大型构件的制造模式和大型航天器舱体研制需求，分别就移动机器人加工过程所涉及的分级精度控制、站位规划及加工空间分区拼接三类典型问题进行了阐述，并2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 153 给出了详细的工艺规划方案，并就某大型航天器舱体进行了基于移动机器人的加工工艺验证，验证结果表明能够有效保证移动机器人的加工精度和效率，实现大型航天器舱体高精、高效加工。参考文献 张加波，刘海涛，乐毅，等.面向大型卫星的可移动混联机器人加工技术J.航空学报，2022，43（5）：100-108.1 陶波，赵兴炜，丁汉.大型复杂构件机器人移动加工技术研究J.中国科学:技术科学，2018，48（12）：1302-1312.2 蒋君侠，张启祥，朱伟东.飞机壁板自动钻铆机气动送钉技术J.航空学报，2018，39（1）：304-313.3 周莹皓，张加波，乐毅，等.移动机器人技术在航天制造业中的应用J.机械设计与制造工程，2018，47（2）：87-91.4 代浩岑，孙丹宁，赵文博.工业机器人技术的发展与应用综述J.新型工业化，2021，11（4）：5-6.5 张霞，高立国，刘汉良，等.大型航天器结构离线组合加工误差分析及控制J.航天制造技术，2018，209（3）：12-15,20.6 赵长喜.我国载人航天器大型密封舱结构制造技术J.航天器工程，2022，31（6）：234-240.7 杨继之，林晓青，乐毅，等.可移动机器人检测铣削系统建模与仿真研究J.机械设计与制造，2020（7）：170-173.8 Brillinger C，Murugesan S K K，Moeller C，et al.Accuracy analysis for aflow line process using a mobile holding fixture for machining CFRPcomponentsJ.SAE International Journal of Advances and Current9Practices in Mobility，2022，4（4）：1092-1103.林晓青，杨继之，乐毅，等.一种可移动检测机器人站位规划策略J.宇航学报，2018，39（9）：1031-1038.10 Gadaleta M，Berselli G，Pellicciari M.Energy-optimal layout design ofrobotic work cells:Potential assessment on an industrial case studyJ.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing，2017，47：102-111.11 王军，曹春平,丁武学,等.基于遗传算法的双机器人加工中心布局优化J.中国机械工程，2016，27（2）：173-178.12 田威，戴家隆，周卫雪，等.附加外部轴的工业机器人自动钻铆系统分站式任务规划与控制技术J.中国机械工程，2014，25（1）：23-27.13 杨继之，乐毅，张加波，等.移动机器人定位精度实时补偿策略研究J.机械工程学报，2022，58（14）：44-53.14 文科，张加波，乐毅，等.数控驱动的移动铣削机器人精度提升方法J.机械工程学报，2021，57（5）：72-80.15第一作者：刘保荣，男，1981 年，工程师，主要研究方向为航天器智能制造。E-mail：Cast_通信作者：杨继之，男，1992 年，工程师，主要研究方向移动机器人加工精度控制与工艺规划。E-mail：Cast_（编辑李静）（收稿日期：20230403）文章编号：20230822如果您想发表对本文的看法，请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 154