航空精密孔加工的機器人鉆孔機床

1 機器人自動制孔系統(tǒng)[1-2]

　　自動制孔是航空制造領域應用最廣泛、最成熟的機器人技術，目前已有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)。如F-16、F-22、F-2和T-50等飛機的垂尾壁板，C-130飛機的梁腹板，波音F/A-18E/F超級大黃蜂后沿襟翼，F(xiàn)-35飛機機翼上壁板，波音B-747、C-17等飛機的機艙地板，A380機翼壁板等均采用了機器人自動制孔技術。被加工材料涉及鈦合金、鋁合金、碳纖維復合材料等。

　　機器人配合多功能鉆孔末端執(zhí)行器及位姿標定系統(tǒng)構成了機器人柔性鉆削系統(tǒng)，具體結構形式有3種(不包括數(shù)控系統(tǒng))：(1) 柔性軌道機器人＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標定系統(tǒng)；(2) 自主爬行機器人＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標定系統(tǒng)；(3)工業(yè)機械臂＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標定系統(tǒng)。第1、2 類機器人自動制孔系統(tǒng)適合于大型飛機的大型工件或部件的加工，要求工件表面相對平整且曲率變化較��；第3類機器人自動制孔系統(tǒng)適合于復雜表面的工件加工，制孔的位置精度較高。

　　機器人自動制孔系統(tǒng)的工作分工由機器人完成末端執(zhí)行器的精確定位和定姿，由末端執(zhí)行器完成鉆頭的旋轉及進給，由監(jiān)測及標定系統(tǒng)對加工過程及定位精度進行實時測量，整個系統(tǒng)由中央控制器控制工藝順序，跟蹤數(shù)據(jù)(如刀具壽命和孔徑)。末端執(zhí)行器與傳統(tǒng)的數(shù)控機床上的動力頭相比，最大優(yōu)勢在于它具有壓緊裝置和實時力反饋裝置；其次在于它的獨立性和通用性：獨立性表現(xiàn)在它本身就是個小型的制孔裝置，利用它可進行一些切削實驗；通用性表現(xiàn)在它可以配合不同的移動平臺構成鉆削系統(tǒng)。

機器人自動制孔系統(tǒng)的關鍵技術包括：

（1）壓緊力的設定。
　　鉆削開始之前，機器人將末端控制器上的鉆頭移動到預定位置和姿態(tài)，由末端執(zhí)行器的壓緊裝置與被加工工件接觸，并施加一定壓緊力。壓緊力的主要作用包括：一是補償重力對末端執(zhí)行器角度造成的影響；二是消除疊層材料層與層間的間隙，防止層間毛刺的進入；三是使結構緊湊，增加系統(tǒng)的動態(tài)剛度。

　　目前，航空制造業(yè)正在應用的機器人自動制孔系統(tǒng)，其壓緊力和鉆削力是耦合的，這樣的設計使得壓腳上的力隨切削力的增大而減小，而作用在機器人上的力始終是壓緊力，這樣就使得機器人在鉆孔時不用承受動態(tài)的力，而只承受一個靜態(tài)的力，這種設計應保證壓緊力大于切削力，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和孔的質量。但這種設計也存在一個缺點，即會造成工件的變形。原因是在鉆孔前必須先壓緊，而此時作用在工件上的力很大。如何解決這一問題，可以作為未來的一個研究課題。

（2）調整刀具和工件表面的垂直。
　　被加工件多是大型曲面，在到達指定位置后，需要調整鉆頭與工件的相對姿態(tài)，即保證鉆頭和工件的垂直。目前一般采用4個線性位移傳感器（LVDT）或4個激光位移傳感器來調整鉆頭和工件的垂直。如何利用視覺系統(tǒng)或較少的位移傳感器進行鉆頭的調姿( 目的是降低成本，提高效率) 也是值得深入探討的關鍵技術之一。

（3）位置精度補償。
　　制孔的位置精度即法線精度受到機器人運動學模型、負載、安裝方式、剛度、末端執(zhí)行器的機械間隙、刀具的磨損、熱效應等因素的影響。如何采用檢測、標定、補償?shù)姆绞�，提高機器人自動制孔的位置及姿態(tài)精度也是制約制孔質量的關鍵問題。

2 機器人柔性平臺[3]

　　飛機的壁板、尾翼、垂翼、舵板等均是復雜曲面，對這些工件進行鉆孔、鉚接、焊接、切割、涂料等加工操作時，必須要求工件表面與加工工具（鉆頭、焊槍、激光器等）垂直。有2種方法可實現(xiàn)這種相對位姿的調整：一種是將工件固定不動，將加工工具安裝在工業(yè)機器人上，通過工業(yè)機器人的大范圍運動調整加工工具的位置與姿態(tài)，使之與被加工工件表面垂直；第二種方法是將被加工工件安裝在工業(yè)機械臂上，由機械臂調整被加工工件的位置及姿態(tài)，而加工工具可以采用傳統(tǒng)的機床進行。這種加工系統(tǒng)可實現(xiàn)多工藝自動化，被稱之為機器人柔性平臺。由于機器人配備了測量設備，可實時確定夾具和工件的位姿，夾具幾何結構的改變可在生產(chǎn)過程中被實時確定，避免了定期將夾具從生產(chǎn)過程中取出，因此可實現(xiàn)多過程自動化，縮短制品的生產(chǎn)周期。

　　Airbus、KUKA、Metris和Delmia4家公司聯(lián)合開發(fā)了一種機器人柔性平臺，用于完成空客某型號飛機工件的柔性加工。該平臺的技術創(chuàng)新在于實現(xiàn)了METRI SK-Series Optical CMM 測量設備和KUKA機器人的在線動態(tài)連接，使機器人實現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制，提高了機器人的定位精度，再通過集成Delmia’s V5和KUKA’s VRC的仿真軟件，使得機器人程序的編制更準確更高效。同時還實現(xiàn)了測量設備在虛擬環(huán)境的虛擬測量，以使實際環(huán)境適應虛擬環(huán)境，使得器人可實現(xiàn)自適應控制，這意味著機器人可以準確地補償動態(tài)負載下的機器人變形、溫度波動以及機械的無規(guī)則運動引發(fā)的定位誤差。

3 機器人涂覆系統(tǒng)[4]

　　飛機的表面涂層（雷達吸波材料或防結冰涂料）質量對飛機壽命至關重要，尤其是涂層的厚度。厚度公差、表面光潔度、氣孔率、斜度的嚴格保證對于人工涂覆來說非常困難，而采用用機器人技術則能輕而易舉地解決這些問題。目前，世界上最大的機器人涂覆自動化系統(tǒng)是由諾斯羅普·格魯門公司研制Robotic AircraftFinishing System (RAFS)，它由3個固定在地面的機器人和一個可移動的機器人構成，用于B2轟炸機機體的表面涂覆。

機器人涂覆自動化的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面：
　�。�1）涂覆的一致性。傳統(tǒng)的人工涂覆，需要很多人員在不同區(qū)域進行操作，雖然使用的是同樣的設備，但卻難以保證這些人員具有相同的技術水平，這就必須在涂覆完畢后進行打磨處理，而打磨的費用非常高；機器人涂覆可有效解決這一問題，既保證了涂覆的一致性又控制了成本。
　�。�2）產(chǎn)品質量。機器人涂覆有效地消除了涂覆完的再打磨和材料中的氣孔。
　�。�3）節(jié)省材料。機器人可以實現(xiàn)更為精確的表面涂覆，減少了材料的浪費。
　�。�4）環(huán)保和安全。機器人涂覆有效地降低了處理廢料的成本，同時也保證了操作者免受材料粉塵的影響。

　　機器人涂覆系統(tǒng)占地面積大，要求機器人的數(shù)量多，屬于大型系統(tǒng)集成，需要做好充分的規(guī)劃；同時對單個機器人的工作空間、負載能力都有一定的要求。整個系統(tǒng)對機器人的離線編程和虛擬仿真技術要求高，因此在噴涂前需要做好一個合理的軌跡規(guī)劃和姿態(tài)檢驗，以保證噴涂質量和工作效率。

4 機器人復合材料加工系統(tǒng)[5]

　　飛機上的復合材料主要是指碳纖維復合材料，它可使飛機重量更輕、強度更高、耐疲勞耐腐蝕性更好、制造及飛行成本更低。因此現(xiàn)代大型飛機及各式戰(zhàn)斗機已開始廣泛使用復合材料，波音787的復合材料用量已占到結構重量的50%以上。碳纖維的編織、縫合、鋪放、膠粘劑及密封劑涂層等需要設備具有較大的工作空間、復雜的運動軌跡及高度的靈活性，因此復合材料的加工給傳統(tǒng)材料的加工方式提出了新的挑戰(zhàn)，同時也為機器人技術的應用提供了契機。

　　需要強調的是，機器人進行復合材料加工時，一般要求機器人末端執(zhí)行器必須有快換功能，如在縫合復合材料時，需要用到3種不同的縫紉頭，快換裝置將縮短更換縫紉頭的時間，同時還需要機器人可靠的控制3種縫合方法；另外，機器人還要為末端的縫紉頭提供高的重復精度和運動協(xié)調能力，因為在線斷或打結以及針尖嚴重磨損時，就需要機器人記住當前的位置，并在故障排除后能準確的回到先前發(fā)生問題的位置。

　　相比于機器人技術在其他產(chǎn)業(yè)的廣泛應用，復合材料產(chǎn)業(yè)因傳統(tǒng)方法主導而產(chǎn)生的矛盾，正隨著機器人在各種工序中的出現(xiàn)而逐漸消失。

5 機器人焊接系統(tǒng)[5-6]

　　在現(xiàn)代飛機制造中，焊接技術的應用越來越多。這種連接方法同鉚接相比具有更低的成本和更高的效率，同時它能降低被連接件的重量。焊接技術已成為先進飛機研制不可缺少的支撐技術。將機器人應用到飛機焊接中，可以大大提高焊接速度和焊接質量，降低焊接結構的成本，降低復雜曲面的焊接難度，實現(xiàn)焊接的自動化。機器人可用于點焊、弧焊、激光焊、摩擦攪拌焊等。

　　摩擦攪拌焊是一種較新的連接方法，但焊接設備較笨重，需要較大的力和力矩，工作空間局多限于二維平面。隨著機器人負載能力和剛度的提高，再加上機器人的靈活性，可對復雜的三維輪廓連接，因此機器人摩擦攪拌焊接技術在飛機制造業(yè)中的應用前景愈來愈光明。機器人焊接系統(tǒng)關鍵在于機器人的離線編程技術和虛擬仿真技術。焊接路徑是由大量的中間點構成的，采用離線編程將比傳統(tǒng)的示教方法效率更高，焊接路徑的規(guī)劃對提高生產(chǎn)率具有重要意義；利用虛擬仿真技術可以優(yōu)化焊接路徑，使機器人的運動軌跡重復最少，同時可以檢驗機器人軌跡中是否存在奇異點或外界干涉。

6 機器人裝配系統(tǒng)[7]

　　“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。機器人柔性裝配系統(tǒng)根據(jù)激光輔助定位系統(tǒng)提供的相對位姿關系，在視覺跟蹤系統(tǒng)的監(jiān)視之下，由中央控制器控制機器人完成輸送、定位、鉚接、螺釘連接等裝配工作。工業(yè)機器人作為柔性裝配系統(tǒng)中一個不可分割的部分，能有效提高裝配效率和裝配質量、降低裝配成本。目前，在F-16、F/A-18、C-130等型號飛機裝配中，已經(jīng)看到機器人裝配的身影，機器人工作單元主要用于裝配系統(tǒng)中工件的輸送、定位、制孔和裝配。

機器人裝配系統(tǒng)的核心技術有：
　　(1)虛擬仿真。對整個裝配環(huán)境和裝配過程在虛擬的環(huán)境中進行仿真，避免實體裝配時可能出現(xiàn)的問題而停下來診斷，節(jié)約時間，降低成本。
　　(2)定位定姿。在裝配之前，由激光干涉儀或光學經(jīng)緯儀等對被裝配工件、裝配母體及機器人本身的相對位置及姿態(tài)進行標定，以便于機器人進行路徑規(guī)劃。
　　(3)實時監(jiān)視跟蹤。由視覺及其他類型傳感器實時監(jiān)控被裝配件與周邊設備或裝配母體之間的位置，并將信號實時發(fā)送給機器人，以免意外事故發(fā)生。

7 機器人零部件搬運[5]

　　自主導引小車(Auto-Guided Vehicle，AGV) 已廣泛應用于汽車、家電、工程機械等工業(yè)領域。同理，由于飛機部件具有種類多、體積大、形狀特殊等特點，部件的運輸和移動也需要自主的輔助移動平臺。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，可以極大的提高飛機部件的運輸和裝配效率。

8 機器人表面精整系統(tǒng)[8]

　　表面精整屬于零部件的精加工范疇，工藝包括去毛刺、磨削、拋光等，傳統(tǒng)人工作業(yè)方式容易引起操作者的疲勞，導致零部件的重修率高，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。機器人表面精整系統(tǒng)的出現(xiàn)實現(xiàn)了這些工藝的自動化，提高了生產(chǎn)效率和工件的表面質量。

　　整個系統(tǒng)的關鍵就是利用反求工程對工件的三維輪廓表面進行建模，通過離線編程和仿真軟件優(yōu)化出合理的工作路徑，然后根據(jù)這些路徑迅速自動生成機器人的控制代碼。在某些場合還要求對機器人實施力控制。表面精整工藝復雜，因為其工藝參數(shù)主要依靠試驗確定，這就需要給使用者一個開放的系統(tǒng)，方便修改各種工藝參數(shù)，同時系統(tǒng)還能自動地根據(jù)這些變化重新生成機器人控制代碼。

9 機器人測試及檢測系統(tǒng)[5]

　　空客運輸機A400M在不來梅氣體動力試驗中心進行機翼風洞測試時，根據(jù)測試的數(shù)據(jù)對機翼進行承載面的優(yōu)化。測試過程是將氣壓或氣流傳感器分別安置在機翼的一系列測量點上，通過這些測量點上的壓差中可推斷出氣流的角度，從而判斷機翼承載面的合理性。傳統(tǒng)的龍門架式系統(tǒng)因結構復雜，測試傳感器支撐軸太多，在測量空間內(nèi)會造成太多阻力，從而影響到邊界氣流。采用機器人就可以避免上述缺點，它可以按照預定軌跡將傳感器連續(xù)送至預定位置，系統(tǒng)靈活性好，重復精度高。

　　OCRobotics公司研制出了一種“snake-arm”機器人。該機器人有10節(jié)，總長1800mm，直徑90mm，內(nèi)孔直徑15mm，有27個自由度，結構類似于象鼻子，靈活性很高�？罩锌蛙囉�國公司將該機器人安裝在工業(yè)機械臂末端，從而進行飛機壁板內(nèi)部的監(jiān)測、標準件緊固及密封等。它是一種非破壞性檢測技術， 維修人員省下了拆卸和重組飛機零件以進行檢測的麻煩。該機器人除完成內(nèi)部監(jiān)測/標準件緊固、涂膠等工作外，也可用于飛機部件內(nèi)腔的走(穿)線、吸屑及吸液、泄漏監(jiān)測、噴涂焊縫跟蹤及檢查、去毛刺等工作。澳大利亞BAE SYSTEMS 公司研制的自主爬壁機器人可以通過負壓吸附原理使機器人在飛機大型壁板、機翼、尾翼、垂翼等表面爬行，利用其攜帶的各類傳感器檢測工件表面的焊縫質量等,另外，機器人技術在飛機零部件的膠接、表面處理、激光切割、鈑金成型等方面也有良好的應用前景。

機器人技術在航空制造業(yè)中面臨的挑戰(zhàn)

　　新型材料的使用、柔性化制造的需求使得航空制造業(yè)非常期待機器人技術的融入，同時機器人位置精度的提高、負載能力的增強、實時仿真技術的高速發(fā)展也為機器人技術在航空制造業(yè)得到青睞提供了機遇。但就目前來說，和汽車及家電制造業(yè)一樣，機器人技術要在航空制造業(yè)中得到廣泛應用，還面臨很多挑戰(zhàn)，這也是休斯公司、道格拉斯等飛機制造公司對機器人的使用采取謹慎態(tài)度的原因之一。

　　(1) 傳統(tǒng)制造工藝面臨挑戰(zhàn)。我國航空工業(yè)主要是通過仿制國外先進產(chǎn)品發(fā)展起來的，未能及時開發(fā)與更新制造技術。原有的工裝及部分加工工藝已成為機器人技術應用于飛機制造的絆腳石。
　　(2) 系統(tǒng)集成技術亟待提高。目前工業(yè)機器人及精密測量技術已相對成熟，但由于航空工業(yè)的特殊性，不同的加工工件及不同加工材料對機器人末端執(zhí)行器的結構形式及性能要求千變?nèi)f化，周邊設備的布置方式也不盡相同，因此機器人、末端執(zhí)行器、測試標定單元、周邊設備等子系統(tǒng)的集成融合難度較大，類似于流水線式的生產(chǎn)方式難以形成。況且，目前用于航空制造業(yè)的機器人技術集成商還沒有，研制開發(fā)單位多集中于高校及科研院所。
　　(3) 現(xiàn)有機器人技術有待提升。現(xiàn)有工業(yè)機械臂主要是面向汽車、家電、陶瓷等行業(yè)，工作空間相對較小，負載能力較低。如果開發(fā)大范圍、大負載的工業(yè)機械臂，又難以解決高精度與大工作空間的矛盾；另外，大負載大運動范圍的工業(yè)機器人的示教問題也是航空領域面臨的難題之一。
　　(4)成本控制問題。在飛機裝配成本、產(chǎn)量、裝配自動化水平、裝配效率、裝配質量（裝配精密度）、裝配系統(tǒng)投資諸因素之間存在一定的關系[9]。整個航空制造業(yè)的控制成本問題，不僅僅局限于裝配成本。將機器人技術應用于飛機制造業(yè)必將帶動周邊設備、工裝系統(tǒng)及自動監(jiān)測系統(tǒng)的提升，因而成本問題就會顯現(xiàn)出來，而且自動化程度越高，成本投入就會愈大。如果只是小批量生產(chǎn)，飛機制造引入自動化技術并不是權宜之計。

結束語

　　2007年12月21日，我國國內(nèi)第一架具有自主知識產(chǎn)權的噴氣支線客機下線；2008年6月29日國產(chǎn)新型渦槳支線客機新舟600總裝完成；2008年11月，中國航空工業(yè)集團公司、中國商用飛機有限責任公司成立，這標志著中國航空工業(yè)第一次以全新的形象站在了世人面前，標志著中國航空工業(yè)踏上了注入現(xiàn)代企業(yè)制度基因、實施再造的全新歷程。不可否認，空客、波音等飛機制造商的飛機制造自動化普及率很高，這更加提升了他們的產(chǎn)品競爭力。

　　中國的大飛機正處于起步階段，機器人技術在航空制造業(yè)中的應用也剛剛起步，北京航空航天大學機器人研究所、北京航空制造工程研究所等科研院所已同相關飛機制造企業(yè)聯(lián)合啟動鈦合金、復合材料的自動鉆鉚機器人系統(tǒng)的開發(fā)，但離推廣應用尚有距離。希望本文能起到拋磚引玉的作用，加速中國機器人柔性自動化系統(tǒng)的研制和發(fā)展。