第1章绪论
1.1背景及意义
计算机技术、通信技术、控制技术的发展以及各类高精密检测装置、控制单元的应用，极大地提高了制造业的信息化与自动化水平。伴随新技术、新装备的应用，人们对制造理念与技术的期望都发生了巨大转变。2013年4月，德国在汉诺威工业博览会上率先提出“工业4.0”计划，其核心思想是动态配置生产资源，把“智能制造”与“智能工厂”作为关键技术进行研究，另外将工业机器人技术与虚拟现实、人工智能、工业大数据、3D打印、云计算等其他8项关键技术共同作为支撑工业4.0计划实施的核心技术[1]。为迎接新技术给制造业带来的冲击与挑战，我国在借鉴德国工业4.0计划的基础上结合自身特点于2015年正式发布了迈向创新型制造业强国的《中国制造2025》行动纲领，旨在实现由中国制造向中国创造转变的阶段性发展目标，并塑造一批具有核心竞争力的大国品牌[2，3]。
近年来，我国高度重视航空业发展并给予大力支持，《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》明确将飞机产业纳入国家战略性高科技产业发展规划[4]。飞机部件装配是飞机制造全流程中难度最大、工作量最多、工艺流程最为复杂的环节，装配质量的好坏直接决定飞机性能以及使用寿命的优劣，其工作量与成本投入占飞机制造总成本的一半以上[5]。新一代军用飞机要求具有高隐身性、长使用寿命的特点，其部件外形在弦向与展向呈连续双曲率变化，内部骨架构成复杂、开敞性差，多种材料叠加，因此，实现高精度加工非常困难；再加上个性化定制的需求，小批量、快响应是其生产模式的主要特点。据统计，一架商用客机全机共有超过130万个连接孔，钻孔质量是影响飞机部件产品质量与综合性能的关键，对飞机实现高性能、长寿命等技术指标具有决定性的作用。连接孔加工效率的提升将大幅度提升飞机制造的效能，节约成本[6]。传统工艺通常采用人工画线钻孔与铆接的方法，不仅无法满足孔的位置精度(不低于±0.5mm)和姿态精度(不低于±0.5.)的要求，而且人工操作凭借工人经验，无法有效保证孔质量与叠层材料间的毛刺高度等要求，已经成为制约新一代飞机部件装配精度、影响其性能与寿命的难点问题。为克服人工操作带来的问题，近年来国内外开始采用自动钻铆设备进行飞机部件装配连接孔的加工[7，8]，虽然一定程度上提高了孔的加工质量、精度与效率，但是由于飞机部件外形尺寸巨大、刚性弱的特点，机床设备必须以大型龙门结构、大尺寸立柱结构为床身平台，尺寸庞大、灵活性差[9]。再者，为实现对大曲率、弱刚性部件的可靠定位与高精度钻孔，机床设备通常与高精度数控托架进行配合使用，进一步增加了设备投入量与系统复杂性，成为制造企业庞大的经济负担[10]。
此外，随着我国航天事业的不断发展，在载人航天与探月工程、深空探测、空间飞行器在轨服务与维护、天地一体化信息网络等国家重大专项规划的框架下，大型航天器结构总装配体整体化加工能力的需求越来越旺盛。此类航天构件具有尺寸大、壁薄、刚度弱的特点，其制造装配质量直接影响高性能航天器的服役性能。以某型航天器舱体为例，直径达3.5m，长9m，外表面待加工的载荷安装支架面达100多个，加工精度要求极高。目前只能采用支架分体加工、组装测量、分体修配的方案，至少需要1次初装测量→拆卸转运→机床加工→转运复位安装→测量验证的过程。这种分体加工、检测修配、最终组装的方式的缺点是质量稳定性差、生产效率低、生产周期长，难以满足我国航天快节奏任务的需求。将支架提前安装在舱体上，以舱体坐标系为基准进行支架加工面的原位铣削加工，能够有效解决上述难题，实现大型舱体的高效加工。但是，由于舱体整体尺寸超大，远超普通加工中心的加工能力(尤其是工作空间)，开发专用加工装备则会面临成本的制约问题。因此，寻求一种低成本、高柔性的航空航天部件装配加工载体，克服人工操作与大型机床在工程实际中的不足具有重要意义。
工业机器人作为一种智能、柔性加工载体，近年来备受制造业的青睐。突出的系统柔性、较强的环境与任务目标适应性、出色的人机交互与协同能力、显著的成本优势，使得工业机器人在制造领域得到广泛应用。文献[11]指出，应用于零部件加工、部件装配制造等领域的工业机器人数量将以每年15％的速度增长。以工业机器人作为加工载体，是航空航天制造装配行之有效的途径，可利用机器人高柔性、良好的人机协同性、低成本等优势，弥补大型数控机床设备的不足[12，13]。但是，工业机器人受其串联结构固有特性的影响，其刚度仅为数控机床的1/50～1/20，甚至更低，弱刚性的结构特点导致工业机器人对工作载荷的耐受能力偏低。对于面向高精度加工领域的工业机器人，机器人本体刚度特性会导致机器人铣削轨迹精度低、表面加工质量差等加工缺陷。因此，研究机器人加工系统刚度特性，探索其对加工质量的影响规律与作用机理，寻求优化和提高机器人刚度的方法，对于完善机器人自动加工系统的工艺规范具有重要的理论指导意义。
综上所述，工业机器人在制造业尤其是飞机装配领域中具有广泛的应用前景。
但是，高附加值产品制造对机器人加工系统提出的高运动精度、高加工质量、高加工稳定性的技术需求，与机器人本体弱刚性结构属性之间的矛盾依然突出，已成为制约工业机器人在高端制造业中应用推广的核心技术难题，急需基础理论创新和关键技术突破。研究机器人刚度特性及其对加工质量的影响机理，探索可行、可靠的机器人刚度优化策略与轨迹误差补偿方法，是克服机器人结构固有缺陷、提升机器人加工效能的有效手段。本书的应用基础研究可以极大地丰富机器人刚度建模与优化的基础理论知识和工程实现方法，对机器人加工系统轨迹精度控制方法的研究具有重要的理论指导意义和工程应用价值。技术研究成果将有效解决我国高附加值产品生产装配制造中所面临的关键技术难题，为我国高端智能制造技术及装备的研制提供坚实的理论保障，有利于以工业机器人为载体的先进制造装备在高端制造领域的推广应用，成为产业转型升级的强大推动力。
1.2工业机器人高端制造装备
当前，工业机器人已经较为广泛地集成应用于欧美发达国家的航空、航天、船舶等领域高附加值产品的研制和批产。美国Electroimpact(简称EI)公司与波音公司联合研制了ONCE(One-sided Cell End Effector)机器人钻孔系统，如图1.1(a)所示，该系统以KUKA KR350型工业机器人作为钻孔加工的载体，搭载多功能末端执行器实现了对F/A-18E/F大黄蜂系列飞机襟翼部件的自动钻孔、锪窝等任务[14，15]。德国BROETJE公司研制的双机器人自动钻铆系统，如图1.1(b)所示，通过两台KUKA机器人协同运动，实现了钻孔、插钉与铆接的一体化协同装配，大幅提高了装配效率[16]。德国Fraunhofer协会研发的移动铣削机器人系统通过集成双目视觉伺服控制技术与关节转角反馈控制技术，在机器人末端以3000mm/min的速度进给时，轨迹精度可达±0.35mm，已成功应用于空客A350机身及翼面部件的修配，如图1.1(c)所示[17]。美国EI公司通过集成工业机器人与模块化铺丝头，为波音787客机的全复材前机身的制造研制了机器人铺丝系统，如图1.1(d)所示，实现了高达50m/min的铺放速度与±0.75mm的轨迹精度，大幅提升了复材部件生产效能[18]。图1.1(e)所示是瑞典NOVATOR公司为波音公司研制的机器人螺旋铣孔系统，该系统主要用于较大尺寸(直径6mm以上)、难加工材料孔的螺旋铣削加工[19]。图1.1(f)所示为德国BROETJE公司研制的RACe(Robot Assembly Cell)机器人钻孔系统，凭借集成的离线编程软件可完成对机器人全工艺流程的任务规划和加工路径优化，具备单侧压紧钻孔和自动换刀功能[20]。图1.1(g)所示是瑞典Linkoping大学为“神经元”无人机中央翼盒装配研制的机器人钻孔系统，该系统钻孔末端执行器设计得十分轻巧，能够伸入翼盒内部对骨架结构进行钻孔加工，充分发挥了机器人的灵巧性，实现了飞机部件的装配工装与加工设备的低成本化[6]。
我国在机器人加工技术与装备领域起步较晚，以高校和科研院所为主开展研究，近年来突破了机器人精度补偿、加工任务离线规划、末端执行器设计等多项关键技术，研制出一批具有工程应用价值的机器人加工系统。浙江大学研制了面向飞机交点孔的机器人精镗加工系统，采用激光跟踪仪全闭环控制方法，对机器人末端加工位姿在线测量与修正，如图1.2(a)所示[8，21]。北京航空航天大学研制了面向壁板类部件装配的机器人钻孔系统，如图1.2(b)所示，通过集成的视觉检测模块实现了钻孔基准检测功能，使得钛合金和铝合金材料的钻孔精度均达到H9[9]。华中科技大学为大型风电叶片开发了一套多机器人协同磨抛系统[22]，如图1.2(c)所示，在叶片两侧各安装一套直线地轨，且每套地轨均安装两套磨抛机器人单元，分别对各自一侧的叶根和叶尖部分进行磨抛。南京航空航天大学在机器人精度补偿、离线编程、钻铆工艺机理与集成控制等技术领域开展了深入研究，形成了多平台、系列化机器人智能制造装备[18，23.28]。其中，南京航空航天大学研制了面向复材叠层部件装配的机器人钻铆系统，同时针对铝合金叠层部件研发了集成电磁铆接设备的双机器人协同钻铆系统，有效提升了翼面叠层材料的装配效率与质量，如图1.2(d)与图1.2(e)所示[29，30]。此外，针对航天器舱体部件原位铣削需求，研制了移动机器人铣削装备，如图1.2(f)所示，有效提升了大型航天舱体的制造效率。上述装备均在我国重点型号上开展应用验证并取得了良好的工程效果。
我国在工业机器人加工技术与装备研制领域的投入已初见成效，针对加工任务研制多功能末端执行器、检测装置、柔性定位工装以及外围保障装置等都已具备较高的集成度和自动化水平，加工系统精度已经达到与国外先进产品比肩的水平。但是，围绕机器人本体刚度特性以及受机器人刚度特性条件约束的加工工艺研究尚不完善，对于基于机器人本体刚度特性的加工工艺方面的研究大部分依旧停留在试验摸索的水平，加工质量与国外先进设备仍有一定差距。
1.3机器人刚度对切削加工的影响
工业机器人弱刚性是制约其在高精加工领域应用的一大难题。由于机器人弱刚性导致的加工问题主要包括两方面：.1机器人弱刚度会导致轨迹加工精度降低；.2弱刚度会导致切削稳定性变差，造成加工质量下降。研究发现，即便是重载工业机器人，其刚度值也仅是数控加工机床的1/50～1/20，甚至更低。以铣削任务为例，平均每作用500N的切削力，就会在工业机器人末端造成大约1mm的运动轨迹偏差；相比之下，同等载荷作用的条件下，机床产生的轨迹偏差小于0.01mm。刚度问题是机器人加工技术领域迫切需要解决的难点问题，也是近年来学者和工程技术人员研究的热点问题。正是由于机器人弱刚性引起的加工质量与精度缺陷，目前只有不到10％的工业机器人运用于钻孔、铆接、铣削、磨削等重载高精度加工领域。
加工轨迹精度问题是指机器人在切削力载荷的作用下实际运动轨迹较理论轨迹发生较大偏移，造成加工精度下降。Cen等[31]在进行机器人铣削研究时发现，
