清華大學機械工程系 王國磊 吳 丹 陳 懇

利用工業(yè)機器人提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約勞動力、降低制造成本、升級企業(yè)生產(chǎn)模式、提高企業(yè)競爭力已經(jīng)在制造企業(yè)成為共識。然而，航空產(chǎn)品制造與傳統(tǒng)制造業(yè)有很大不同，其產(chǎn)品尺寸大、載荷重、材料特殊、結(jié)構(gòu)復雜、性能指標精度高，其生產(chǎn)專用裝備多、工裝復雜、工藝流程多變、制造環(huán)境要求高，且具有多品種、小批量、設計制造并行等特點。因此，航空制造對工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)、可靠性、開放性、運動精度和動態(tài)特性等核心性能提出了更高的要求。

近年來，國內(nèi)航空制造企業(yè)紛紛通過成品采購、自主研制、與科研院所聯(lián)合研制等手段在航空產(chǎn)品制造中引入工業(yè)機器人，并已經(jīng)取得了較為豐碩的成果和長足的進步。本文在總結(jié)這些應用和成果的基礎上，通過分析和梳理航空制造對工業(yè)機器人的需求和亟待解決的關鍵技術，對未來航空制造領域工業(yè)機器人的發(fā)展趨勢進行探討，旨在拋磚引玉，引發(fā)業(yè)內(nèi)人士對該問題的廣泛思考。

應用現(xiàn)狀

1 自動化制孔與連接

傳統(tǒng)手工制孔以風鉆鉆孔為主，存在孔位精度低、加工工序長、加工質(zhì)量控制困難等缺點，因此制孔成為航空制造領域最早應用自動化技術的環(huán)節(jié)，制孔機器人已經(jīng)廣泛應用于波音、空客的生產(chǎn)線，從效果上來看，制孔效率可以達到人工的6～10倍。目前，國外已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品和專業(yè)制造商出現(xiàn)，例如美國Gemcor公司、EI公司、德國Broetje公司、西班牙的M. Torres公司等。

國內(nèi)的自動化制孔應用還多限于零部件級別，在大部件、機身的自動化制孔方面相對滯后，因此目前各大航空制造企業(yè)都在積極推動大型數(shù)字化制孔設備的研發(fā)和工程應用。

機器人自動化制孔的關鍵技術包括[1-4]：

(1)制孔精度保證。現(xiàn)代飛機更加強調(diào)結(jié)構(gòu)的長壽命、隱身性和互換性要求，對孔位精度、孔徑精度和锪窩深度等要求越來越高，而傳統(tǒng)的工業(yè)機器人定位精度最高能達到±0.3mm左右，無法滿足高孔位精度的制孔要求。借助高精度測量設備引導末端執(zhí)行器實現(xiàn)精確位置伺服、光視力覺多傳感器的在線融合反饋控制、顫振抑制、動態(tài)誤差補償?shù)榷际翘岣咧瓶拙鹊年P鍵技術。

(2)多功能末端執(zhí)行器。為了滿足制孔精度和表面質(zhì)量要求，保證加工穩(wěn)定性，并滿足自動化制孔對刀具冷卻潤滑、切屑吸排、刀具磨損破損監(jiān)控的要求，自動制孔系統(tǒng)的末端執(zhí)行器需要具有高精度進給、壓緊、法矢測量、锪窩深度控制、鉆削軸向力檢測、刀具微量潤滑、吸排屑以及加工過程監(jiān)控等功能。

(3)難加工材料制孔工藝技術。現(xiàn)代飛機大量采用的碳纖維復合材料和鈦合金都屬于典型的難加工材料，如何降低制孔時的顫振現(xiàn)象、消除疊層間隙、防止層間毛刺的進入、避免復合材料分層等是提高制孔質(zhì)量的關鍵。

2 表面噴涂與精整

表面噴涂是現(xiàn)代飛機制造過程中最耗時的環(huán)節(jié)之一，例如一架空客A380飛機的待噴涂面積達3150m2，機身表面僅白色涂層的重量就接近500kg，需要約30名涂裝人員工作超過10天才能完成一個架次的噴涂。另外，人工噴涂作業(yè)不但質(zhì)量不穩(wěn)定，還會對從業(yè)人員身體健康造成巨大傷害。相比之下，采用機器人進行自動化噴涂則在噴涂效率、噴涂一致性、安全環(huán)保等方面具有獨到的優(yōu)勢。然而，由于航空產(chǎn)品大多尺寸龐大，遠超常見工業(yè)機器人的工作空間，故需要經(jīng)過專門設計、改造或集成的噴涂機器人，其技術復雜度較高，因此應用還不廣泛，具有廣闊的市場空間和發(fā)展前景。

目前國外最具代表性的成果是洛克希德·馬丁公司為F-35戰(zhàn)機研制的機器人飛機精整系統(tǒng)(Robotic Aircraft Finishing System，RAFS)[5]，該系統(tǒng)由飛機定位系統(tǒng)、涂料輸送系統(tǒng)、三坐標導軌、3個六軸噴涂機器人以及離線編程系統(tǒng)等組成，可完成F-35整個機身外表的自動化噴涂(圖1)。國內(nèi)近年來在自動化噴涂設備研制方面進展迅速。如清華大學機器人與自動化技術及裝備研究室先后研制了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的超長特種噴涂機器人和大型多機器人噴涂系統(tǒng)，在噴涂機器人結(jié)構(gòu)、控制、測量、軟件、工藝和系統(tǒng)集成方面形成了一定的研究特色和技術優(yōu)勢(圖2和圖3)，并已經(jīng)取得了工程應用[6-8]。

機器人噴涂與精整的關鍵技術包括[9-11]：

(1)大型、復雜曲面噴涂作業(yè)規(guī)劃技術。對于大尺寸航空產(chǎn)品，通常以成熟噴涂機器人作為基本噴涂單元，借助變位機構(gòu)擴大機器人的運動范圍，并對大型曲面進行分塊，利用機器人逐一地進行噴涂。因此，需要對機器人工作空間分析、曲面最優(yōu)分割、面塊間噴涂軌跡搭接、機器人站位優(yōu)化等關鍵問題進行研究。

(2)快速離線編程和運動仿真技術。航空產(chǎn)品單件、小批的生產(chǎn)模式使得噴涂機器人的作業(yè)對象經(jīng)常發(fā)生變化，因此機器人離線編程的效率變得十分重要?；跀?shù)模的噴槍軌跡自動規(guī)劃、自動干涉校驗等技術是減少機器人生產(chǎn)準備時間的重要手段。

圖1 應用于F-35戰(zhàn)機的RAFS系統(tǒng)

圖2 清華大學研制的大型多機器人噴涂系統(tǒng)THPT-3

圖3 清華大學研制的超長特種噴涂機器人THPT-1

(3)涂層厚度精確預測和控制。為獲得良好的涂層均勻性，需事先進行大量、反復的噴涂試驗，以確定噴涂軌跡和工藝參數(shù)。對涂層厚度分布影響因素的深入研究、建立更準確的噴槍模型、實現(xiàn)噴涂過程的數(shù)值模擬，對準確預測和控制涂層厚度、提高噴涂作業(yè)質(zhì)量、減少產(chǎn)品的補噴/打磨次數(shù)具有非常重要的指導意義。

3 柔性裝配

柔性裝配的概念已經(jīng)融入航空制造業(yè)，其中工業(yè)機器人技術是柔性裝配中的主要設備之一。

目前，國外各大飛機制造公司均大量采用自動化對接裝配系統(tǒng)來代替大型的固定裝配型架，系統(tǒng)由計算機集成控制的自動化定位器、激光測量裝置和電氣硬件組成，同時還集成了多臺工業(yè)機器人，負責在對接裝配中輔助進行精確定位、裝夾、連接、固定、檢驗等多種工作。例如，EI公司采用機器人在艙門裝配中完成輔助定位工作(圖4)。

這種集成了機器人、智能集成控制技術的對接平臺系統(tǒng)大幅度提高了機體的裝配質(zhì)量，并且通用性強、柔性大，能夠適應不同尺寸的機身、機翼結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量裝配型架。

機器人裝配系統(tǒng)的關鍵技術包括[12-13]：

圖4 EI公司的艙門裝配輔助定位機器人

(1)虛擬仿真技術。飛機裝配工位環(huán)境復雜、不寬敞，因此需要在作業(yè)前進行模擬仿真，避免實體裝配時可能出現(xiàn)的干涉碰撞，節(jié)約時間，提高作業(yè)安全性。

(2)裝配過程中的實時反饋。主要指位置反饋和力反饋，其中，位置反饋即利用視覺傳感器實時監(jiān)控被裝配件與周邊設備或裝配母體之間的位置，以避免意外事故發(fā)生；而力反饋則是利用力傳感器實時監(jiān)控被裝配件之間的接觸狀態(tài)，實現(xiàn)主動柔順與被動柔順裝配。

(3)數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。將工業(yè)機器人進一步集成，形成一套較為完整的、可用于飛機部裝或總裝的數(shù)字化裝配生產(chǎn)線，是現(xiàn)代飛機制造技術先進性的標志和閃亮的市場賣點。

4 測量與檢測

在機器人末端加裝測量頭即可構(gòu)成機器人檢測系統(tǒng)。與傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)相比，機器人檢測系統(tǒng)具有靈活性好、重復精度高的特點，避免了傳統(tǒng)傳感器支撐軸過多的缺點，節(jié)省了大量空間和工作量。目前，機器人檢測已應用于孔徑測量、外形檢測和無損探傷等方面(圖5)。

圖5 X射線無損檢測機器人

5 零部件搬運

作為飛機柔性裝配系統(tǒng)中不可分割的一部分，機器人輔助移動平臺可以極大地提高飛機部件的運輸和裝配效率。其應用主要有兩種：一種是利用機器人實現(xiàn)大范圍搬運，常見辦法是在自動導引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)或者氣墊車上安裝機器人手臂，借助巡線、室內(nèi)GPS(indoor GPS, iGPS)等導航技術，迅速達到指定位置，準確抓取產(chǎn)品組部件運送并安放在目標位置點；一種是實現(xiàn)小范圍內(nèi)零部件的精確搬運和定位，常用方法是將高精度測量設備和工業(yè)機器人相結(jié)合，在夾持工件上設置關鍵測量點，用高精度測量設備對其運動狀態(tài)、位姿進行監(jiān)控，機器人按計算的運動軌跡將被裝配工件移動到位，例如波音787的D-NOSE組件在鉆鉚機上就是采用機器人進行搬運的。

6 碳纖維復合材料加工

碳纖維復合材料的生產(chǎn)過程十分復雜，其編織、縫合、鋪放、膠粘劑及密封劑涂層等工序非常適合機器人技術的應用。英國國家復合材料中心(National Composites Center,NCC)與GKN航空航天企業(yè)合作開發(fā)的雙機械臂式自動纖維鋪放系統(tǒng)，不僅比手工作業(yè)節(jié)約材料，同時也替代了龍門式工裝，降低了投資成本。

碳纖維加工系統(tǒng)的研制關鍵在于具有快換功能的末端執(zhí)行器，而且由于需要較大的工作空間、復雜的運動軌跡及高度的靈活性，往往采用冗余自由度機械臂[14]。

7 連接與切割

除了機械連接外，自動化連接還包括焊接和膠接，在這兩種加工方式中，機器人技術也得到了廣泛的應用[1]。

目前，點焊、弧焊、激光焊等焊接工藝均可利用機器人實現(xiàn)焊接自動化，在航空產(chǎn)品制造中焊接機器人已有成功應用，例如利用機器人完成發(fā)動機短艙上的焊接操作。摩擦攪拌焊等新焊接工藝的出現(xiàn)則為焊接機器人的發(fā)展提供了新動力。

航空制造業(yè)中還有大量的涂膠和注膠工作。采用機器人進行涂膠和點膠工作，可以顯著提高效率，大幅降低成本。目前機器人涂膠技術正處于快速發(fā)展階段，具有廣泛的市場前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

此外，飛機壁板修邊等工序也出現(xiàn)了機器人的身影，與傳統(tǒng)的手工修邊或笨重的切邊機相比，機器人能更高效、更便捷、更精準地完成零組件切邊工作?；鹧媲懈?、等離子切割和激光切割等技術均可以實現(xiàn)機器人化。

綜上所述，機器人技術已經(jīng)深入到航空制造領域的方方面面，并且隨著航空制造技術的不斷進步，新的需求和應用不斷呈現(xiàn)。

發(fā)展趨勢

隨著工業(yè)機器人在航空制造領域應用的逐漸深入，一些不足也開始呈現(xiàn)出來，例如作業(yè)規(guī)劃和干涉碰撞檢測的自動化程度低、定位標定和離線編程等生產(chǎn)準備時間長、對作業(yè)柔性和可拓展性考慮不足導致設備利用率不高等，在航空產(chǎn)品單件小批生產(chǎn)模式下有時無法體現(xiàn)出機器人的優(yōu)勢。

因此，未來航空制造領域的工業(yè)機器人需要更好地適應單件、小批生產(chǎn)模式下多變的任務需求、復雜的場地環(huán)境，提高定位及運動精度，縮短離線編程和生產(chǎn)準備時間，提高設備利用率等，真正發(fā)揮出機器人的優(yōu)勢和特點。下列技術將成為共性的關鍵使能技術[15-17]。

(1)高精度測量定位技術。工業(yè)機器人的重復定位精度高而絕對定位精度低，無法滿足飛機數(shù)字化裝配中絕對定位精度要求，因此需要高精度測量裝置引導機器人末端執(zhí)行器實現(xiàn)運動軌跡的伺服控制。目前來看，大范圍測量主要使用激光跟蹤儀和iGPS等，局部測量中單目視覺、雙目視覺、手眼視覺、激光測距傳感器等各有所長，在某些特殊場合下，聲覺、力覺傳感器也有用武之地?？梢灶A見的是，多傳感器信息融合技術必將得到進一步發(fā)展。

(2)末端精度補償技術。機器人末端精度受運動學插補、機器人負載、剛度、機械間隙、刀具磨損、熱效應等多種因素的影響，因此除了采用高精度的測量儀器外，建立定位誤差模型和補償算法也是提高定位精度的重要手段。為此，需要對機器人的關節(jié)剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進行參數(shù)辨識，獲得誤差模型或誤差矩陣，進而通過精度補償算法對末端執(zhí)行器的定位提供伺服修正。

(3)智能規(guī)劃技術。機器人是自動化的載體，無論是鉆孔、噴涂、焊接、切割、裝配還是涂膠、點膠，最終都依靠機器人末端嚴格按照預定軌跡運動完成作業(yè)，因此軌跡規(guī)劃的結(jié)果直接影響機器人的工作效能和效率，而軌跡規(guī)劃的效率和自動化程度則直接影響生產(chǎn)準備時間。在對工藝深入了解的基礎上，實現(xiàn)自動路徑規(guī)劃、機器人軌跡優(yōu)化、自動干涉校驗、工藝參數(shù)與過程優(yōu)化是一個重要的研究方向。

為了提高機器人的智能化程度，諸如專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、進化計算、群計算、機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等人工智能方法將被大量引入，而圖像識別、語音識別、語音合成、自然語言理解等技術也會被廣泛應用于增加、改良人機交互方式。此外，云計算、大數(shù)據(jù)等技術的快速發(fā)展，資源共享、知識共享、數(shù)據(jù)挖掘等理念為提高機器人的分析、決策和協(xié)作能力提供了新的思路。

(4)機器人控制技術。由于工業(yè)機器人是一個非線性、多變量的控制對象，結(jié)合位置、力矩、力、視覺等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺伺服控制等方法得到了大量應用和研究，面對高速度、高精度、重載荷的作業(yè)需求，機器人的控制方法仍將是研究重點。

(5)機器人本體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計。由于航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的工業(yè)機器人有時無法滿足需求，隨著機器人技術在航空制造領域的逐漸深入，對專用、特種、非標機器人的需求越來越多，這意味著需要針對具體任務進行本體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設計，擴大機器人的應用領域。

(6)可重構(gòu)柔性加工單元技術。在飛機的制造和裝配中，工裝型架數(shù)量多、尺寸大、種類多，是一筆很大的開銷。未來的工裝將采用模塊化設計，通過移動各種動態(tài)模塊改變工裝格局，適應不同尺寸和類型的產(chǎn)品?？湛凸菊谘兄频摹盁o型架數(shù)字化裝配技術中心”就是該理念的產(chǎn)物，該中心是一個軟、硬件相結(jié)合的裝配工作站，融合了一體化數(shù)字工裝和各項裝配、調(diào)整、檢測技術，可大大提高飛機裝配效率。

(7)數(shù)字化制造體系支持技術。在以基于模型定義(Model Based Definition, MBD)為核心的數(shù)字化工藝設計和產(chǎn)品制造模式下，由三維設計數(shù)模分別派生出的三維工藝數(shù)模、工裝數(shù)模和檢驗數(shù)模成為機器人作業(yè)規(guī)劃和離線編程的依據(jù)，因此基于三維數(shù)模的作業(yè)規(guī)劃、基于輕量化模型的裝配過程可視化、基于MBD的數(shù)字化檢測和基于MBD的集成數(shù)據(jù)管理功能不可或缺。此外，未來的機器人離線編程和控制系統(tǒng)需要更加開放，包括支持標準三維數(shù)據(jù)格式、提供標準化的數(shù)據(jù)訪問接口、與制造信息化系統(tǒng)互聯(lián)等。

伴隨著這些關鍵技術的突破和進步，未來的航空制造機器人將向智能化、柔性化、靈巧化、協(xié)作化的方向發(fā)展，以適應航空制造業(yè)日新月異的發(fā)展和不斷涌現(xiàn)的新需求：

(1)智能化。現(xiàn)有工業(yè)機器人需要通過人工示教或離線編程才能執(zhí)行作業(yè)。提高定位標定、作業(yè)規(guī)劃和碰撞檢測的智能程度，以縮短生產(chǎn)準備時間，是未來工業(yè)機器人的一個重要發(fā)展方向，人們甚至希望未來的機器人能夠?qū)ψ陨淼男袨檫M行實時規(guī)劃和控制，獨立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動作重復。

(2)柔性化。傳統(tǒng)工業(yè)機器人追求速度和精度，其重量大、體積大、功耗大、剛性大，但在某些特殊場合下，具有關節(jié)力反饋能力和關節(jié)柔性的輕質(zhì)機器人因其自重小、低功耗、較高負載/自重比和具備柔順控制能力等特點更具優(yōu)勢。

(3)靈巧化。航空制造經(jīng)常需要在復雜、隱蔽的產(chǎn)品空間內(nèi)部進行作業(yè)，比如飛機壁板內(nèi)部的監(jiān)測、標準件緊固及密封，以及進氣道的測量、安裝、噴涂、檢驗等，關節(jié)式冗余自由度機器人因其工作空間大、靈活性高等特點而呈現(xiàn)出良好前景(圖6)。

圖6 高度靈活的Snake Arm機器人

在行走機構(gòu)方面，工業(yè)機器人大多采用軌道結(jié)構(gòu)，占用工作空間和地面大，廠房投入和維護成本高。在輪式或履帶式移動平臺上安裝工業(yè)機器人，從而達到圍繞零件移動制造的目的不失為一種更經(jīng)濟的辦法。利用真空吸附裝置等實現(xiàn)工件表面攀附的爬行機器人也值得關注。

(4)協(xié)作化。雙臂或多臂機器人越來越受到國內(nèi)外眾多科研機構(gòu)的高度重視，ABB、KUKA、YASKAWA等國際知名機器人制造商紛紛開展了相關產(chǎn)品的研制，目前已經(jīng)有利用雙臂協(xié)調(diào)機器人進行航空復合材料自動鋪放的報道。

另外，盡管機器人技術的發(fā)展日新月異，但畢竟不可能完全取代人，將機器人集成到生產(chǎn)中，使機器人與人并肩工作，消除人機之間的防護隔離，將人從簡單枯燥的工作中解放出來，進而從事更有附加值的工作，一直是人們心目中最理想和最具吸引力的航空制造模式。2012年底，德國、奧地利、西班牙等國家在歐盟第七框架計劃“未來工廠”項目的資助下聯(lián)合發(fā)起VALERI計劃，其目的就是實現(xiàn)機器人先進識別和人機協(xié)同操作?？湛鸵苍谄滹w機組裝的未來探索(FUTURASSY)項目中做出了大膽嘗試，將日本川田工業(yè)株式會社研制的人型雙臂機器人應用于A380方向舵組裝工作站，與普通人類員工一起進行鉚接工作(圖7)。

圖7 未來人機協(xié)作雛形

結(jié)束語

我國航空制造業(yè)正處于高速發(fā)展階段，新材料、新工藝的不斷出現(xiàn)和高質(zhì)量、低成本、柔性化制造的需求使得企業(yè)迫切需要技術和設備升級改造，因此非常期待工業(yè)機器人技術的進一步發(fā)展，同時機器人技術與基礎理論研究的進步也為工業(yè)機器人在航空制造業(yè)得到青睞提供了機遇?？梢灶A見的是，在我國大力發(fā)展航空技術的時代背景下，工業(yè)機器人必將在航空制造領域發(fā)揮更大的作用。

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