王立文，曾祥瑞，魯 鑫

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

1 引言

航空發(fā)動機葉片原位打磨技術(shù)是當發(fā)動機處于裝機狀態(tài)時將安裝好打磨頭的桿伸入孔探孔內(nèi)對葉片進行打磨［1］，葉片原位打磨能在內(nèi)窺鏡監(jiān)測下對葉片上的微小損傷或裂紋進行打磨修復(fù)，使葉片原有超標損傷恢復(fù)到可用狀態(tài)。

目前發(fā)動機葉片原位打磨主要依靠維修人員手動打磨。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機器人已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)及產(chǎn)品。機器人打磨具有通用性強、靈活性好、成本低等優(yōu)點，在葉片的打磨除垢中得到了的越來越多的應(yīng)用。但是由于機器人的剛性不足、重復(fù)定位精度較低，極大地影響了葉片原位打磨表面質(zhì)量和型面精度［2］。設(shè)計開發(fā)高效率、高柔性、高精度的葉片原位打磨機器人對于提高葉片打磨精度具有重要的意義。

打磨力控制和軌跡規(guī)劃是葉片原位打磨機器人的關(guān)鍵技術(shù)。機器人的定位精度較低且剛性較大，無法滿足原位打磨作業(yè)需求，需要對工業(yè)機器人進行力控制［3］?？梢蕴砑恿刂颇K使機器人感知外界環(huán)境中力的變化，做出實時動態(tài)響應(yīng)以保證打磨過程的柔順性。在打磨過程中要選擇適合的方法對葉片打磨機器人的運動軌跡進行規(guī)劃［4］，使其保持平穩(wěn)無震動，還要保證打磨頭的運動軌跡符合葉片輪廓和精度要求。

針對上述問題，對發(fā)動機葉片原位打磨智能化設(shè)備和打磨機器人關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行歸納總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對發(fā)動機葉片原位打磨技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。

2 葉片原位打磨智能化設(shè)備

現(xiàn)階段針對發(fā)動機葉片原位打磨主要依靠維修人員手持打磨設(shè)備進行打磨，手持設(shè)備柔性不足、可達性差、檢測效率低下，今后發(fā)動機葉片原位打磨必須依靠小型化智能裝備。國內(nèi)外研究機構(gòu)和企業(yè)致力于葉片原位打磨手持設(shè)備和葉片打磨機器人的研究，為發(fā)展發(fā)動機葉片原位打磨技術(shù)提供了很好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 手持設(shè)備

德國Richard Wolf公司研制了一種手持式打磨設(shè)備，可通過發(fā)動機孔探檢測通道對發(fā)動機壓氣機葉片進行不拆卸的打磨修理［5］。葉片原位打磨修復(fù)儀基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。葉片原位打磨修復(fù)儀的軸穿過孔探孔，磨頭向前延伸并調(diào)節(jié)至垂直角度，可以完成對葉片的打磨。馬達驅(qū)動磨頭的轉(zhuǎn)速最高可達5000 RPM，整個打磨過程可通過高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)和內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)觀察。

圖1 葉片原位打磨修復(fù)儀基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The Basic Structure of Blade In?Situ Repair Instrument

文獻［6］設(shè)計了一款可以通過發(fā)動機孔探孔進入發(fā)動機內(nèi)部的氣動打磨設(shè)備，可通過內(nèi)窺鏡觀察葉片的損傷情況并調(diào)節(jié)打磨頭的姿態(tài)對葉片的不同損傷部位進行修磨。氣動打磨儀結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。操作人員手持操作手柄，將操作桿通過發(fā)動機觀察孔深入發(fā)動機內(nèi)部，到達發(fā)動機轉(zhuǎn)子葉片處，通過內(nèi)窺鏡觀察葉片損傷情況，打開氣路系統(tǒng)，由氣壓驅(qū)動打磨頭組件旋轉(zhuǎn)完成打磨。文獻［7］設(shè)計一種渦輪葉片原位打磨工具，可對葉片表面進行原位打磨。渦輪葉片原位打磨工具結(jié)構(gòu)簡圖，如圖3所示。當固定片與連接座之間呈一定角度時，限位針在彈簧的彈力下，可插入到與固定片底端相連塊體的限位孔中，便于打磨渦輪葉片。桿為長度可伸縮的桿件，固定片的彎曲半徑大于渦輪葉片，表面積大于渦輪葉片表面積，能覆蓋整個渦輪葉片表面。連接座與固定片鉸接，可旋轉(zhuǎn)不同角度以打磨整個葉片。

圖2 氣動打磨儀結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural Sketch of Pneumatic Grinding Instrument

圖3 渦輪葉片原位打磨工具結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural Sketch of Turbine Blade In?Situ Grinding Tool

上述三種手持打磨設(shè)備各自的特點，如表1所示。手持打磨設(shè)備航空公司一直難以應(yīng)用，主要有以下三點原因：（1）使用困難、效率極低，以打磨一個10mm的壓氣機葉尖裂紋為例，修復(fù)成損傷容限可接受的（10×10）mm的光缺口，需兩名工程師配合、一人一直保持站立姿勢夾持工具，耗時8h才能完成，對工程師身心素質(zhì)提出了極大挑戰(zhàn)；（2）對缺口和卷邊的常規(guī)打磨，表面存在微細裂紋，加工質(zhì)量不高；（3）因發(fā)動機型號的不同，不同的航空公司所使用的打磨設(shè)備也不相同，例如韋林只能與德國Wolf打磨工具匹配使用。因此，需要找到一種效率更高、修復(fù)效果更好原位打磨修復(fù)方法。

表1 三種手持設(shè)備特點比較Tab.1 Comparison of Characteristics of Three Handheld Devices

2.2 葉片打磨機器人

航空發(fā)動機葉片原位自動打磨需要依靠小型化智能裝備。增加小型機器人的柔性與智能性可以提高引導(dǎo)管的可達性，減緩技術(shù)人員的勞動強度，進而提高發(fā)動機原位打磨的效率、精度及準確率。

文獻［8］利用硅彈性體、聚芳綸織物以及中空玻璃微粒研制了一種氣動機器人，利用機器人內(nèi)的壓縮空氣網(wǎng)提供動力，該方法需要發(fā)展新型材料，對控制系統(tǒng)要求較高。文獻［9］研究了一種由柔性關(guān)節(jié)連接的蛇型機器人，如圖4所示。該機器人采用多段式結(jié)構(gòu)，包括支撐結(jié)構(gòu)和彎曲運動的骨架，剛性接頭以及電纜。并在此基礎(chǔ)上提出一種可應(yīng)用于發(fā)動機維修的雙樞軸柔性蛇形機器人，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中導(dǎo)航，執(zhí)行6個自度的動作。

圖4 諾丁漢大學(xué)蛇形機器人Fig.4 Snake Robot Developed by University of Nottingham

目前發(fā)動機葉片原位打磨儀器大多采用剛性直桿結(jié)構(gòu)，操作困難且效率低下。諾丁漢大學(xué)與羅?羅公司合作開發(fā)了一種五自由度的打磨裝置，增加了視頻感知和遠程人機交互功能，簡化操作，提高了作業(yè)效率，可實現(xiàn)對損傷葉片的3D磨削加工［10］。漢莎技術(shù)公司與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所合作，開發(fā)了用于銑削和焊接的機器人［11］，如圖5所示，用于修理燃燒室部件、機匣和風(fēng)扇葉片［11］。但上述兩種機器人仍采用剛性直桿結(jié)構(gòu)和常規(guī)磨削方法，僅具有視覺感知能力，可達性和加工能力與Wolf公司的手工打磨設(shè)備沒有明顯進步。

圖5 漢莎公司自動檢測和修理機器人Fig.5 Automatic Detect and Repair Robot Developed by Lufthansa

英國OC機器人公司現(xiàn)（已被GE航空收購）研發(fā)的蛇形臂機器人［11］，如圖6 所示。該蛇形臂機器人的機械臂長度可以超過3m，累計彎曲可以達到180°以上［11］。這種機器人在配備合適的工具后，可以孔探孔內(nèi)可開展檢查、緊固、清洗及其他一些作業(yè)任務(wù)。蛇形臂機器人主要用于受限的和難以到達的區(qū)域，可以根據(jù)要完成的任務(wù)進行定制。

圖6 蛇形臂機器人進行激光切割Fig.6 Snake Arm Robot with Laser Cutting

美國GE公司與英國RR公司提出了利用蛇形柔性機器人結(jié)合人工智能快速檢測葉片故障［12?13］和通過釋放Swarm完成發(fā)動機局部檢測［12?13］，如圖7所示。小型化機器人技術(shù)結(jié)合人工智能方法為維修設(shè)備的小型化和智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖7 RR公司研制的蛇形柔性機器人Fig.7 Snakelike Flexible Robot Developed by Rolls?Royce Ltd

上述機構(gòu)研發(fā)的小型機器人各自的特點，如表2所示。綜上所述，小型機器人技術(shù)發(fā)展很快，但能真正用于發(fā)動機原位打磨并接近實用化的只有RR，但它功能單一、修復(fù)能力較弱。對于葉片原位打磨設(shè)備，目前還缺乏一種智能化、多功能、實用化的裝備。隨著小型機器人技術(shù)的快速發(fā)展，急需設(shè)計出一種功能多樣、修復(fù)能力強，可用于自主探傷、除垢和葉片修復(fù)的小型智能一體化裝備。

表2 小型機器人特點比較Tab.2 Comparison of Characteristics of Small Robots

3 葉片原位打磨關(guān)鍵技術(shù)

打磨力控制和軌跡規(guī)劃是葉片原位打磨機器人的關(guān)鍵技術(shù)。機器人進行打磨除垢時需要添加恒力控制模塊以保證打磨過程的柔順型，打磨機器人要選擇適合的方法對其運動軌跡進行規(guī)劃，以保證運動的平穩(wěn)性。

3.1 打磨力控制

葉片原位打磨機器人在進行打磨作業(yè)時，必須保持打磨力的實時可控［14］。恒力控制技術(shù)有主動柔順控制、被動柔順控制、阻抗控制和導(dǎo)納控制等研究策略。

主動柔順控制是指利用機器人控制器結(jié)合力控算法實現(xiàn)力的控制。機器人主動控制方式有力/位混合控制以及阻抗控制等方式，但這兩種方式難以應(yīng)用到市場上的位置控制型機器人，并且存在力順應(yīng)控制帶寬小以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題。文獻［15］在控制策略中添加了位控和力控回路，形成了可靠的閉環(huán)控制并實現(xiàn)了環(huán)境交互。文獻［16］提出了一種基于機器人末端執(zhí)行器的主動柔順控制方式，如圖8所示。該控制方法采用智能算法實現(xiàn)工件打磨位移和力的精確控制，可適應(yīng)不同打磨工具的安裝及不同工件的打磨。

圖8 主動柔順裝置Fig.8 Active Compliance Device

被動柔順控制是利用緩沖、儲能的輔助柔性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)與外界環(huán)境的順應(yīng)柔性。奧迪利Ferro?botic 公司以及美國Pushcorp公司推出的工業(yè)氣動柔順裝置［17］通過氣泵調(diào)節(jié)氣腔中的氣壓實現(xiàn)對輸出端剛度和力的調(diào)節(jié)，主要應(yīng)用于機器人自動化打磨、裝配及清洗過程中的力控制。但這類裝置剛度/力調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、力?變形特性非線性劇烈，同時控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和實施成本較高。文獻［18］開發(fā)了基于被動柔順裝置的磨光系統(tǒng)，如圖9所示。該系統(tǒng)開發(fā)過程比較繁瑣，需要通過實驗來標定裝置多個設(shè)備的指標。

圖9 基于被動柔順裝置的磨光系統(tǒng)Fig.9 Grinding System Based on Passive Compliance Device

阻抗控制是通過控制機械臂各關(guān)節(jié)的扭矩來控制末端接觸力偏差?；陉P(guān)節(jié)力矩測量的DLR Justin 機器人和KUKA 的LBR iiwa機器人都應(yīng)用到了阻抗控制［19］。由于阻抗控制需要對機器人本體進行運動學(xué)、動力學(xué)和接觸環(huán)境的建模，所以開發(fā)較為困難。目前，文獻［20?21］在研究關(guān)節(jié)電機電流、轉(zhuǎn)矩等阻抗控制要調(diào)整的物理量［20］，如圖10所示。這些需調(diào)整物理量的研發(fā)可以提高打磨過程的精度和準確性，提高阻抗控制技術(shù)的研究水平。

圖10 曲面恒力跟蹤測試場景Fig.10 Impedance Controlled Surface Constant Force Tracking Test Scene

導(dǎo)納控制是通過控制機械臂末端位移或速度來控制末端接觸力偏差。文獻［22］運用力傳感器和力控軟件算法進行了導(dǎo)納控制，實現(xiàn)了恒力和變速打磨、裝配任務(wù)等多種應(yīng)用。張昱東［23］提出一種機器人力/位置控制方法［20］，如圖11所示。該控制方法提高了機器人控制系統(tǒng)對外力信息的追蹤效果，并增強了機器人對接觸環(huán)境的柔順性。目前，國內(nèi)在理論方面的研究創(chuàng)新不多，大都是集中在對導(dǎo)納控制模型的改進，實際應(yīng)用中成功案例很少，與國外存在一定差距。

圖11 力控示教系統(tǒng)控制框圖Fig.11 Control Block Diagram of Force Control Teaching System

綜上所述，機器人打磨具有靈活性好、易于調(diào)度、通用性強、成本低等優(yōu)勢，是發(fā)動機葉片原位打磨的發(fā)展趨勢。目前，因為絕大多數(shù)力控策略中的阻抗參數(shù)很難準確確定，所以力控策略沒有通用的解決方案。因此，靈活選擇主動柔順控制中合適的力控策略，找到合理的阻抗參數(shù)選取方法對提高葉片原位打磨柔順性有著重大的意義。

3.2 軌跡規(guī)劃方法

為保證打磨頭平穩(wěn)順利地進入孔探孔內(nèi)對葉片進行打磨，需要對葉片原位打磨機器人的機械臂進行軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃能保證機械臂運動的平穩(wěn)性，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。

文獻［24］研究了一種CAD/CAM的位置/力控制器，可以通過力反饋值修正曲面運動軌跡以提高軌跡的準確度。文獻［25］提出了基于操縱性與姿態(tài)穩(wěn)定性的軌跡規(guī)劃方法，并分析了機械臂末端的軌跡和位姿。文獻［26］提出了一種基于隨機采樣的軌跡規(guī)劃方法［26］，如圖12所示。該方法可以避開空間中的障礙物，具有很好的實時性。文獻［27］提出了一種新的分段插值軌跡規(guī)劃算法“B?5?B算法”，該算法提高了工業(yè)機械臂的角速度與角加速度曲線的平滑性，降低了角加速度突變引起的機械系統(tǒng)沖擊力。文獻［28］提出了一種離線情況下關(guān)節(jié)機器人的軌跡規(guī)劃編程方法，如圖13所示。運用該方法可以分析關(guān)節(jié)機器人離線編程原理并開發(fā)適用于空間軌跡規(guī)劃算法。文獻［29］提出了蜂巢柵格模型與動態(tài)分級蟻群算法結(jié)合的路徑規(guī)劃方法，提高了機器人工作路徑質(zhì)量并減少算法運行時間。文獻［30］采用基于邊和基于面相結(jié)合的特征提取算法，實現(xiàn)焊接仿真特征邊線的提取，并對機器人進行了運動軌跡規(guī)劃。該特征提取算法有效的實現(xiàn)機器人自動焊接仿真，避免人工示教的復(fù)雜操作。

圖12 機器人避障的仿真示意圖Fig.12 Robot Obstacle Avoidance Simulation Diagram

圖13 機器人離線編程路徑規(guī)劃Fig.13 Offline Programming Path Planning for Robot

綜上所述，國內(nèi)外對移動式機械臂軌跡規(guī)劃的研究都有一定的局限性。研究學(xué)者們所提出的方法不是全部適合關(guān)節(jié)型機器人的空間軌跡規(guī)劃，目前的研究也沒有將機器人工藝參數(shù)和空間軌跡規(guī)劃結(jié)合起來。對于最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法也都有著各自的缺陷，有的只針對局部的搜索算法，性能主要受起始條件選擇的影響，有的算法無法在得到的軌跡中的已知點進行插值操作。對于關(guān)節(jié)型機器人的軌跡優(yōu)化算法尚有待進一步的研究。

4 總結(jié)

這里針對航空發(fā)動機葉片原位打磨技術(shù)，重點闡述了葉片原位打磨智能化設(shè)備、打磨力控制技術(shù)、軌跡規(guī)劃技術(shù)的研究現(xiàn)狀。機器人柔性磨削系統(tǒng)可以成為葉片原位打磨的有效手段，研發(fā)高柔性與智能性的葉片原位打磨機器人，配合先進的力控制策略和軌跡規(guī)劃方法，可以緩解工作人員的勞動強度，提高葉片原位打磨的效率、精度和準確率。今后航空發(fā)動機葉片原位打磨技術(shù)發(fā)展方向有以下三個：

（1）發(fā)動機葉片原位打磨設(shè)備智能化。需要研究加工質(zhì)量和柔性化程度更高，可達性更強，且具備缺口磨削、表面強化、定向除垢、自主定位、避障、葉片材料性能感知等實用化原位打磨功能的葉片原位打磨機器人?？梢匝芯磕軌驈澢矣幸欢ǔ休d能力的形狀記憶合金關(guān)節(jié)來滿足磨削、強化和定向除垢功能，在柔性桿的一端安裝打磨頭對葉片進行打磨，以提高原位打磨的效率與修復(fù)能力。

（2）發(fā)動機葉片原位打磨機器人力控制技術(shù)。今后恒力打磨控制會向著主動柔順控制與智能控制算法結(jié)合的方向發(fā)展。主動柔順控制需要結(jié)合現(xiàn)場條件，靈活選擇合適的力控策略，在保證結(jié)果的精度要求下簡化建模和計算難度，從而使打磨頭獲得較好的運動調(diào)節(jié)性能，提升打磨質(zhì)量。

（3）發(fā)動機葉片原位打磨機器人軌跡規(guī)劃技術(shù)。柔性機械臂的軌跡規(guī)劃可以借鑒參考關(guān)節(jié)機器人的運動軌跡研究方法。為了使得最優(yōu)軌跡規(guī)劃更簡易的完成，需要找到一種通用的軌跡插補算法來完成空間軌跡規(guī)劃中多種類別的插補。針對發(fā)動機原位打磨作業(yè)場景未知，打磨頭位姿實時變化等問題，需要研究自主避障與場景定位算法，分析并規(guī)劃打磨頭運動軌跡，以保證原位打磨的平穩(wěn)性。