飛機裝配迎來機器人時代

　　國外從20 世紀(jì)90 年代，就已經(jīng)大規(guī)模開展飛機的自動化裝配技術(shù)的研究。根據(jù)飛機自動化制孔的特點和要求，國外著名的飛機裝配設(shè)備制造廠家生產(chǎn)了許多大型的面向飛機裝配的自動化設(shè)備。在飛機裝配中，用戶定制的機床是根據(jù)飛機結(jié)構(gòu)特定的裝配要求制造出來的。全作業(yè)空間的高精度造就了設(shè)備的大型化、高剛性，但存在質(zhì)量大、設(shè)備笨重、用途太專一的缺點。這些設(shè)備有一個共同的特點：體積龐大、造價昂貴、維護(hù)困難，并且需要配套固定型架或自動托架，其投資也是巨大的。

　　由于飛機的裝配構(gòu)件必須進(jìn)入設(shè)備之中，造成裝配件的頻繁上下載，零件多次搬運也不可避免，此外，該設(shè)備占地大，廠房面積利用率低，增加了產(chǎn)品的造價，同時設(shè)備操作人員的培訓(xùn)費用也很高。
　　
　　自動化裝配隨著零件尺寸的增大而受到實際限制。有時由于成本原因，無法使用常規(guī)自動化設(shè)備來裝配大零件，最后不得不退而采用手動連接大型裝配件。機動、靈巧的自動化設(shè)備為飛機柔性裝配提供了另一種選擇。它舍棄了整體精度而追求局部精度，并充分利用了飛機部件自身特點，而且質(zhì)量輕，更經(jīng)濟(jì)，可以分配到作業(yè)現(xiàn)場或依附到飛機部件上，不需要大的安裝場地；而且設(shè)備的造價變得低廉許多。

　　航空制造業(yè)廣泛使用定制的數(shù)控機床進(jìn)行飛機結(jié)構(gòu)件的加工、制造、裝配和質(zhì)量檢驗。由于現(xiàn)有機器人剛度和精度低、負(fù)載小，使得傳統(tǒng)的機器人在飛機裝配上的應(yīng)用水平低。未來機器人需要高精度來滿足飛機工件要求、需要柔性來適應(yīng)不同產(chǎn)品的要求。

　　航空產(chǎn)品的制造和維護(hù)與汽車不同，表現(xiàn)在產(chǎn)品尺寸大小、制造過程精度、產(chǎn)品數(shù)量、控制水平不一樣，飛機零件、作業(yè)通道、結(jié)構(gòu)尺寸大，并且復(fù)雜度高，需要作業(yè)通道和人的互動。

機器人特點
　　70 年代初，全球開發(fā)了第一臺電氣機器人，這項技術(shù)在惡劣環(huán)境下替代了人工勞動，比如點焊、弧焊和搬運。其目的就是創(chuàng)造一個大的作業(yè)空間和巨大的柔性。這些應(yīng)用場合不需要高精度和平穩(wěn)性。為了推廣應(yīng)用該技術(shù)，采用了串聯(lián)技術(shù)，即每根軸依次連接而成。這項技術(shù)的優(yōu)勢在于，可以各個方向移動機器，獲得需要的柔性和作業(yè)空間；然而，其缺點是沒有足夠的精度和剛度。

　　總之，機器人靈巧有余，精度不足。其特點表現(xiàn)為：靈巧，柔性好；精度低，負(fù)載能力弱；應(yīng)用廣泛，用途多；體積小，機動性好；環(huán)境適應(yīng)性強，生產(chǎn)效率高；制造成本低，批量大；便于維護(hù)，服務(wù)成本低。

1 幾種機器人定義
（1）機器人工業(yè)協(xié)會 (RIA)：機器人是可改變程編的多功能操作裝置，其設(shè)計用來搬運物料、零件、工具、專用裝置，通過多種程編運動完成多種任務(wù)。
（2）日本機器人協(xié)會：
　　a . 人工裝卸裝置——具有幾個自由度，用來人工操作；
　　b . 固定工序機器人——類似固定自動化；
　　c . 變化工序機器人——類似程編自動化；
　　d . 歸位機器人——人工示教，軌跡跟蹤；
　　e . 數(shù)控機器人——操作者交付機器人完成系列任務(wù)， 而不去示教他們；
　　f . 智能機器人——感知環(huán)境手段，不管周圍環(huán)境變化，都能順利完成任務(wù)。

機器人與自動化有密切的關(guān)系，體現(xiàn)3 種層次：
　�。�1）剛性自動化：同類型產(chǎn)品，大批量制造，采用固定的操作模式，且從不改變。
　�。�2）程編自動化：多品種、中批量，可編程系統(tǒng)可以改變制造工序。
　　（3）柔性自動化：完善優(yōu)化程編自動化，允許操作步驟快速重構(gòu)和再編程，常視為“柔性機器人單元”，具有再編程/ 重組機器人改變工作單元功能。

2 應(yīng)用領(lǐng)域
　�。�1）工業(yè)機器人：弧/ 點焊、銑削/ 制孔、涂膠/ 密封、激光/ 水切割、研磨、去毛刺、攻絲、噴涂、裝配。
　�。�2）材料處理（抓放）：堆剁、倉儲裝卸、零件歸類、包裝、芯片拾放、危品處理。
　　（3）測量機器人：目標(biāo)識別、輪廓尋跡、檢查、3D 注冊。
　　（4）娛樂機器人：動畫人物、飛行模擬、機器人寵物。
　　（5）服務(wù)機器人：殘疾人幫助、人工假肢、清掃吸塵、向?qū)А?
　�。�6）軍事機器人：拆除引爆裝置、偵察機器人、無人機。
　�。�7）外科手術(shù)機器人：鉆孔、縫合、消毒、器械抓取。

　　毫無疑問，智能機器人已經(jīng)是進(jìn)入柔性自動化高境界的前哨與尖兵。支撐機器人的柔性精確自動化裝配還有三大關(guān)鍵技術(shù)：經(jīng)濟(jì)型柔性工裝技術(shù)、多功能末端執(zhí)行器技術(shù)、激光跟蹤測量定位技術(shù)。

關(guān)鍵使能技術(shù)
　　要順利將工業(yè)機器人引入到飛機的制造與裝配中，必須解決機器人的精確定位問題。一般工業(yè)機器人的最高定位精度只能達(dá)到±0.3m m，遠(yuǎn)低于飛機裝配的精度要求。而且其位置精度低，需要補償。由于機器人作業(yè)空間自由度大，而飛機構(gòu)件內(nèi)部狹窄，不開敞。在機器人作業(yè)之前，需要模擬仿真。機器人作業(yè)的對象，需要固定好，由于數(shù)量大，成本要求低廉。解決上述難題，需要突破六大使能技術(shù)：低成本可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)、多功能末端執(zhí)行器技術(shù)、激光跟蹤測量定位技術(shù)、機器視覺圖像處理技術(shù)、離線仿真編程技術(shù)、動態(tài)位姿補償控制技術(shù)。

1 激光跟蹤測量技術(shù)
　　采用了嵌入式控制，通過一個標(biāo)準(zhǔn)的計算機將機器人和激光跟蹤儀集成在一起。T C P 定位系統(tǒng)使用激光跟蹤系統(tǒng)獨立跟蹤三坐標(biāo)（x ，y ，z）和3 個方向（i ，j ，k）。在鉆孔末端執(zhí)行器上安裝了3 個“貓眼”反射鏡。第4 個反射鏡用于驗證TCP 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。作為瞬時定位的參考系，這3 個反射鏡中的任何一個都能被跟蹤。監(jiān)視機器人的實時空間位置，確定它的絕對位置精度，實現(xiàn)飛機小批量裝配的高精度自動化。它可以高精度測量位置與方向，用來監(jiān)視機器人的位置。在激光跟蹤儀的監(jiān)控下，機器人可進(jìn)行高精度位置定位。

　　除了三維激光跟蹤儀，近年來出現(xiàn)的室內(nèi)i G P S 大尺寸測量也大顯身手，優(yōu)點突出，可以在整個作業(yè)空間內(nèi)建立測量場，一旦布置了iGPS，在現(xiàn)場添加幾臺機器人，卻不增加額外的測量費用，減少固定工裝費用，不像激光跟蹤儀那樣，需要測量中轉(zhuǎn)站。

2 低成本可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)
　　在飛機的制造和裝配中，工裝型架數(shù)量多、尺寸大、種類多，是一筆很大開銷。機器人的進(jìn)入，需要有一種可重構(gòu)的低成本工裝設(shè)計制造技術(shù)。工裝采用模塊化設(shè)計，完成動態(tài)模塊的定位。通過移動各種動態(tài)模塊，改變動態(tài)模塊的格局，構(gòu)建工裝系統(tǒng)�；�本模塊有：單軸支撐單元、兩自由度CANNON 單元、三自由度的導(dǎo)軌模塊、六自由度平臺模塊、球型關(guān)節(jié)模塊。

3 多功能末端執(zhí)行器設(shè)計制造技術(shù)
　　工業(yè)機器人只能作為一個柔性的移動平臺，要完成不同的工作任務(wù)則需要安裝不同的操作器。機器人本身的負(fù)載能力和剛度有限，要求執(zhí)行器的質(zhì)量要輕，尺寸要小。飛機制造裝配的作業(yè)形式很多，執(zhí)行器的功能要求多樣化、系列化，在工作現(xiàn)場，要求高的工作效率，執(zhí)行器要可更換、便捷、制造成本低。其次，執(zhí)行器需要好儲存、少維護(hù)。

4 動態(tài)位姿補償控制技術(shù)
　　離線的校準(zhǔn)要利用一些重要的數(shù)據(jù)來生成靜態(tài)校準(zhǔn)參考模型。當(dāng)機器人由于選擇性的負(fù)載而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，可預(yù)測量出位置和方向誤差，由此來精確構(gòu)造模型。然后，在實際的加工循環(huán)過程中，利用這個模型作為參考系統(tǒng)來預(yù)測和補償誤差，這個更適用于負(fù)載不變的重復(fù)性過程。通過編程，將機器人移動到空間不同位置，同時記錄每個位置，重新計算三腳架腿之間的夾角，并且將操作頭轉(zhuǎn)換到實際坐標(biāo)系中，數(shù)據(jù)庫保存、計算和補償機器人運動信息。

5 離線仿真編程技術(shù)
　　機器人由于靈活、活動空間大、位置求解多，所以機器人的安全編程和校驗是系統(tǒng)的重要組成部分。離線仿真能進(jìn)行實際零件和N C 程序的加工檢查。在虛擬環(huán)境中檢查零件程序，模擬機器人的動作和運行軌跡，驗證其可達(dá)性，避免了干涉的發(fā)生。

6 機器視覺圖像識別處理技術(shù)
　　該技術(shù)是實現(xiàn)機器人二次精確定位的關(guān)鍵，在實際應(yīng)用中，一般采用激光掃描器確定基準(zhǔn)點，實現(xiàn)質(zhì)量控制自動化。如基于激光三角法測量是將激光柱投向檢測的表面，畫一條40m m 長的激光線，包含了1024點。物體表面發(fā)射激光束，一個高分辨率的C C D 相機（加裝適當(dāng)?shù)臑V波器和透鏡）接受這些不同的點，一臺專用的控制處理P C 機來采集這些反射點。

機器人在飛機裝配中的應(yīng)用
　　飛機產(chǎn)品的全球化，使得許多小型航空供應(yīng)商從事飛機部件裝配。這些提供商擁有大量資本，工廠自動化投資有保障，滿足高性能與低成本要求。通常，這些供應(yīng)商的能力有限，所以提高生產(chǎn)率、有效安排生產(chǎn)布局、縮小廠房面積是其中的關(guān)鍵。一次性組件生產(chǎn)，不僅無需構(gòu)建完整部件，而且降低了廠房的要求。與低成本機器人自動化結(jié)合，形成了無與倫比的設(shè)計競爭力，創(chuàng)造了非常具有吸引力的解決方案。智能機器人憑借自身的優(yōu)勢一旦引入飛機制造業(yè)，其應(yīng)用范圍幾乎能夠涵蓋飛機裝配的各個方面：制孔、鉚接，密封、涂膠，噴漆、打磨，對接、測量，搬用、檢查，移動、焊接。

1 基于激光跟蹤儀控制的機器人制孔
　　英國空客的自動化與機器人工程集團(tuán)每年大約要鉆5 億個孔，其中一半由手工來完成。一般的工業(yè)機器人對飛機制造環(huán)境而言，精度不夠，許多應(yīng)用的絕對位置精度為±0.2m m。空客公司找到了解決問題的方案，在航空領(lǐng)域引入了一個柔性低廉的機器人平臺，推動減少手工操作，滿足市場需求。

　　此機器人平臺包括：2臺機器人，協(xié)同拾起一個大型機翼組件，在固定的位置上進(jìn)行制孔和鉚接；機器人負(fù)責(zé)機翼零組件孔的定位，按照C A D 規(guī)定的機翼定位數(shù)據(jù)完成，能實現(xiàn)高于原來10 倍的精度作業(yè)。

2 機器人裝配系統(tǒng)—— ONCE
　　利用工業(yè)機器人的大批量、高產(chǎn)出，O N C E 機器人制孔系統(tǒng)作為了F /A-18E / F 副翼的蒙皮骨架的自動制孔、锪窩、孔探測的平臺，擁有5 個子系統(tǒng)：定位系統(tǒng)、工作頭、監(jiān)視系統(tǒng)、編程系統(tǒng)、零件固定的型架；每件有20000 個緊固件，達(dá)到每月14 件。一個月要完成280000 個制孔；高質(zhì)量、可重復(fù)，最大限度減少人工干預(yù)。

　　傳統(tǒng)機器人精度低、負(fù)載能力弱，但通過位置與剛度補償，工業(yè)機器人機身制孔可以使它變成一個有效的運動平臺。配置伺服控制的多功能末端執(zhí)行器，孔定位可以保證在±0.06inch(0.1524cm)，孔锪窩深度精度達(dá)0.0025inch(0.00635cm)。

3 自動制孔爬行機器人 　　
　　Fatronik 公司研發(fā)了一種爬行機器人自動制孔技術(shù)，不管什么時候需要工作，加工車架被放到即將裝配的組件的位置，機器人通過它自己的真空吸盤固定在航空產(chǎn)品上。在機器視覺系統(tǒng)的幫助下完成位置坐標(biāo)的自適應(yīng)，在機器人工作空間內(nèi)完成制孔作業(yè)。一旦完成這次作業(yè)，通過在工件上的移動或爬行系統(tǒng)，機器人可以移動并且重新自動定位到下一個工作空間。一旦整個工件的制孔作業(yè)工作完成，就可以從工件上把機器人取下來放置在儲存站里。

4 自動化過程集成TLD
　　自動化過程集成TLD（TORRESLIGHTDRILL）由西班牙M.Torres 開發(fā)，它具有5 軸制孔系統(tǒng)，用戶模塊化設(shè)計，視覺系統(tǒng)由2 臺視覺照相機組成，激光傳感器和控制軟件保證定位，可程編零件識別用于精確定位調(diào)整，8 個真空吸盤和真空供給，確保了T L D 牢牢吸附于飛機零件表面，最大重量55k g。制孔材料為鋁/ 復(fù)材/ 鈦、生產(chǎn)效率為6 ～ 8 孔/ m i n、制孔直徑6m m、夾層厚度0 ～ 25m m、定位精度±0.254m m，制孔轉(zhuǎn)速100 ～ 10000r / m i n、爬行步距30m m、多種夾層材料編程參數(shù)、內(nèi)置刀具潤滑與冷卻系統(tǒng)。

5 機身壁板組件裝配處理系統(tǒng)
　　組件處理系統(tǒng)使用Comau S2機器人，該機器人裝備了可重新配置的終端操作器。這種終端操作器還安裝了激光掃描儀，用來定位并測量工作臺上的組件。這消除了必須把部件準(zhǔn)確放置這一要求，同時還使得部件的變形得到補償，而且因為是組件的實際尺寸而不是假設(shè)的理想尺寸將被記錄并使用。

6 蛇形臂機器人
　　自動化水平的提高會帶來意想不到的收益，過多的可重復(fù)的高生產(chǎn)率自動化過程替代了原有的手工技術(shù)性裝配過程。密封和粘合過程將變成復(fù)材構(gòu)件中至關(guān)重要的一環(huán)。對于未來飛機產(chǎn)品生產(chǎn)部門來說，這些促使了新的自動化解決方案的發(fā)展。此外，如果飛機生產(chǎn)采用了先進(jìn)的自動化手段，飛機的維護(hù)和修理也需要新的工具和手段。蛇形手臂機器人的研發(fā)，會最終導(dǎo)致設(shè)計和過程的改變，為航空制造業(yè)創(chuàng)造相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價值。未來結(jié)構(gòu)件的檢查口蓋設(shè)計將越來越少和小，維護(hù)時間也相應(yīng)減少。

應(yīng)用實例
1 翼盒段制造
　　在線性導(dǎo)軌上布置2 臺協(xié)同機器人完成盒段的制孔/ 锪窩、搬運、裝載、修整/ 加工和測量。系統(tǒng)采用了自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)精度控制，其末端執(zhí)行器可以自動更換；系統(tǒng)具有監(jiān)視控制表面，將主肋結(jié)構(gòu)件裝載到粱上的功能。該系統(tǒng)已于2007 年8 月完成翼盒裝配。

2 波音787-41 段生產(chǎn)系統(tǒng)
　　該系統(tǒng)布置了5 臺機器人，其中機身外面有3 臺，內(nèi)部有2 臺，系統(tǒng)完成機身的制孔與鉚接。生產(chǎn)線上的機器人必須內(nèi)外協(xié)調(diào)工作。機器人末端執(zhí)行器具有制孔、锪窩、緊固件進(jìn)給與插入和緊固件襯套孔強化等多種功能，制孔過程中要保證復(fù)材夾層的完整性，這就對系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。

幾點建議
對飛機裝配過程中每個環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真需求分析，評估機器人應(yīng)用的可行性，并制定切實完整的技術(shù)方案。選擇軍機和民機，進(jìn)行示范工程試驗研究, 再逐步推廣。
　�。�1）串聯(lián)機器人技術(shù)已經(jīng)很成熟，機器人可以向?qū)�業(yè)公司（KUKA、ABB、FANUC）購買。安裝在機器人手臂上的操作器要本著自主研制的思路進(jìn)行。
　�。�2）至于爬行機器人，是剛剛興起的新技術(shù)，國外目前還沒有工程應(yīng)用。可以自主設(shè)計和制造，是個好的突破方向，意義重大。
　�。�3）離線程編與仿真，對于機器人來說，至關(guān)重要，一定要自主開發(fā)。
　�。�4）大膽啟用新型的測量跟蹤技術(shù)，例如i G P S 技術(shù)，將測量系統(tǒng)與機器人連接起來，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。