航空精密孔加工的機(jī)器人鉆孔機(jī)床

1 機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)[1-2]

　　自動制孔是航空制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的機(jī)器人技術(shù)，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(jī)的垂尾壁板，C-130飛機(jī)的梁腹板，波音F/A-18E/F超級大黃蜂后沿襟翼，F(xiàn)-35飛機(jī)機(jī)翼上壁板，波音B-747、C-17等飛機(jī)的機(jī)艙地板，A380機(jī)翼壁板等均采用了機(jī)器人自動制孔技術(shù)。被加工材料涉及鈦合金、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等。

　　機(jī)器人配合多功能鉆孔末端執(zhí)行器及位姿標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)成了機(jī)器人柔性鉆削系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)形式有3種(不包括數(shù)控系統(tǒng))：(1) 柔性軌道機(jī)器人＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)；(2) 自主爬行機(jī)器人＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)；(3)工業(yè)機(jī)械臂＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)。第1、2 類機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)適合于大型飛機(jī)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小；第3類機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)適合于復(fù)雜表面的工件加工，制孔的位置精度較高。

　　機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)的工作分工由機(jī)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(zhuǎn)及進(jìn)給，由監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)對加工過程及定位精度進(jìn)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(jī)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(dú)立性和通用性：獨(dú)立性表現(xiàn)在它本身就是個小型的制孔裝置，利用它可進(jìn)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(gòu)成鉆削系統(tǒng)。

機(jī)器人自動制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）壓緊力的設(shè)定。
　　鉆削開始之前，機(jī)器人將末端控制器上的鉆頭移動到預(yù)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(bǔ)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(jìn)入；三是使結(jié)構(gòu)緊湊，增加系統(tǒng)的動態(tài)剛度。

　　目前，航空制造業(yè)正在應(yīng)用的機(jī)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(shè)計使得壓腳上的力隨切削力的增大而減小，而作用在機(jī)器人上的力始終是壓緊力，這樣就使得機(jī)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(shè)計應(yīng)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(zhì)量。但這種設(shè)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(diào)整刀具和工件表面的垂直。
　　被加工件多是大型曲面，在到達(dá)指定位置后，需要調(diào)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(diào)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(jìn)行鉆頭的調(diào)姿( 目的是降低成本，提高效率) 也是值得深入探討的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（3）位置精度補(bǔ)償。
　　制孔的位置精度即法線精度受到機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型、負(fù)載、安裝方式、剛度、末端執(zhí)行器的機(jī)械間隙、刀具的磨損、熱效應(yīng)等因素的影響。如何采用檢測、標(biāo)定、補(bǔ)償?shù)姆绞剑�提高機(jī)器人自動制孔的位置及姿態(tài)精度也是制約制孔質(zhì)量的關(guān)鍵問題。

2 機(jī)器人柔性平臺[3]

　　飛機(jī)的壁板、尾翼、垂翼、舵板等均是復(fù)雜曲面，對這些工件進(jìn)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(diào)整：一種是將工件固定不動，將加工工具安裝在工業(yè)機(jī)器人上，通過工業(yè)機(jī)器人的大范圍運(yùn)動調(diào)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(jī)械臂上，由機(jī)械臂調(diào)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(jī)床進(jìn)行。這種加工系統(tǒng)可實現(xiàn)多工藝自動化，被稱之為機(jī)器人柔性平臺。由于機(jī)器人配備了測量設(shè)備，可實時確定夾具和工件的位姿，夾具幾何結(jié)構(gòu)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(jī)器人柔性平臺，用于完成空客某型號飛機(jī)工件的柔性加工。該平臺的技術(shù)創(chuàng)新在于實現(xiàn)了METRI SK-Series Optical CMM 測量設(shè)備和KUKA機(jī)器人的在線動態(tài)連接，使機(jī)器人實現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制，提高了機(jī)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(jī)器人程序的編制更準(zhǔn)確更高效。同時還實現(xiàn)了測量設(shè)備在虛擬環(huán)境的虛擬測量，以使實際環(huán)境適應(yīng)虛擬環(huán)境，使得器人可實現(xiàn)自適應(yīng)控制，這意味著機(jī)器人可以準(zhǔn)確地補(bǔ)償動態(tài)負(fù)載下的機(jī)器人變形、溫度波動以及機(jī)械的無規(guī)則運(yùn)動引發(fā)的定位誤差。

3 機(jī)器人涂覆系統(tǒng)[4]

　　飛機(jī)的表面涂層（雷達(dá)吸波材料或防結(jié)冰涂料）質(zhì)量對飛機(jī)壽命至關(guān)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(yán)格保證對于人工涂覆來說非常困難，而采用用機(jī)器人技術(shù)則能輕而易舉地解決這些問題。目前，世界上最大的機(jī)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(jī)器人和一個可移動的機(jī)器人構(gòu)成，用于B2轟炸機(jī)機(jī)體的表面涂覆。

機(jī)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(jìn)行操作，雖然使用的是同樣的設(shè)備，但卻難以保證這些人員具有相同的技術(shù)水平，這就必須在涂覆完畢后進(jìn)行打磨處理，而打磨的費(fèi)用非常高；機(jī)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(zhì)量。機(jī)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(jī)器人可以實現(xiàn)更為精確的表面涂覆，減少了材料的浪費(fèi)。
　�。�4）環(huán)保和安全。機(jī)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(jī)器人涂覆系統(tǒng)占地面積大，要求機(jī)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(jī)器人的工作空間、負(fù)載能力都有一定的要求。整個系統(tǒng)對機(jī)器人的離線編程和虛擬仿真技術(shù)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(zhì)量和工作效率。

4 機(jī)器人復(fù)合材料加工系統(tǒng)[5]

　　飛機(jī)上的復(fù)合材料主要是指碳纖維復(fù)合材料，它可使飛機(jī)重量更輕、強(qiáng)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(jī)及各式戰(zhàn)斗機(jī)已開始廣泛使用復(fù)合材料，波音787的復(fù)合材料用量已占到結(jié)構(gòu)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(shè)備具有較大的工作空間、復(fù)雜的運(yùn)動軌跡及高度的靈活性，因此復(fù)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(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用提供了契機(jī)。

　　需要強(qiáng)調(diào)的是，機(jī)器人進(jìn)行復(fù)合材料加工時，一般要求機(jī)器人末端執(zhí)行器必須有快換功能，如在縫合復(fù)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(jī)器人可靠的控制3種縫合方法；另外，機(jī)器人還要為末端的縫紉頭提供高的重復(fù)精度和運(yùn)動協(xié)調(diào)能力，因為在線斷或打結(jié)以及針尖嚴(yán)重磨損時，就需要機(jī)器人記住當(dāng)前的位置，并在故障排除后能準(zhǔn)確的回到先前發(fā)生問題的位置。

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

5 機(jī)器人焊接系統(tǒng)[5-6]

　　在現(xiàn)代飛機(jī)制造中，焊接技術(shù)的應(yīng)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(shù)已成為先進(jìn)飛機(jī)研制不可缺少的支撐技術(shù)。將機(jī)器人應(yīng)用到飛機(jī)焊接中，可以大大提高焊接速度和焊接質(zhì)量，降低焊接結(jié)構(gòu)的成本，降低復(fù)雜曲面的焊接難度，實現(xiàn)焊接的自動化。機(jī)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(shè)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(jī)器人負(fù)載能力和剛度的提高，再加上機(jī)器人的靈活性，可對復(fù)雜的三維輪廓連接，因此機(jī)器人摩擦攪拌焊接技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用前景愈來愈光明。機(jī)器人焊接系統(tǒng)關(guān)鍵在于機(jī)器人的離線編程技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)。焊接路徑是由大量的中間點構(gòu)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(shù)可以優(yōu)化焊接路徑，使機(jī)器人的運(yùn)動軌跡重復(fù)最少，同時可以檢驗機(jī)器人軌跡中是否存在奇異點或外界干涉。

6 機(jī)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(jī)器人技術(shù)是柔性裝配中的主要設(shè)備之一。機(jī)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(guān)系，在視覺跟蹤系統(tǒng)的監(jiān)視之下，由中央控制器控制機(jī)器人完成輸送、定位、鉚接、螺釘連接等裝配工作。工業(yè)機(jī)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(zhì)量、降低裝配成本。目前，在F-16、F/A-18、C-130等型號飛機(jī)裝配中，已經(jīng)看到機(jī)器人裝配的身影，機(jī)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(jī)器人裝配系統(tǒng)的核心技術(shù)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(jìn)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(xué)經(jīng)緯儀等對被裝配工件、裝配母體及機(jī)器人本身的相對位置及姿態(tài)進(jìn)行標(biāo)定，以便于機(jī)器人進(jìn)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(shè)備或裝配母體之間的位置，并將信號實時發(fā)送給機(jī)器人，以免意外事故發(fā)生。

7 機(jī)器人零部件搬運(yùn)[5]

　　自主導(dǎo)引小車(Auto-Guided Vehicle，AGV) 已廣泛應(yīng)用于汽車、家電、工程機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。同理，由于飛機(jī)部件具有種類多、體積大、形狀特殊等特點，部件的運(yùn)輸和移動也需要自主的輔助移動平臺。作為飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)中不可分割的一部分，機(jī)器人輔助移動平臺，可以極大的提高飛機(jī)部件的運(yùn)輸和裝配效率。

8 機(jī)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(dǎo)致零部件的重修率高，生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高。機(jī)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(zhì)量。

　　整個系統(tǒng)的關(guān)鍵就是利用反求工程對工件的三維輪廓表面進(jìn)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(jī)器人的控制代碼。在某些場合還要求對機(jī)器人實施力控制。表面精整工藝復(fù)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(jī)器人控制代碼。

9 機(jī)器人測試及檢測系統(tǒng)[5]

　　空客運(yùn)輸機(jī)A400M在不來梅氣體動力試驗中心進(jìn)行機(jī)翼風(fēng)洞測試時，根據(jù)測試的數(shù)據(jù)對機(jī)翼進(jìn)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(jī)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(jī)翼承載面的合理性。傳統(tǒng)的龍門架式系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)器人就可以避免上述缺點，它可以按照預(yù)定軌跡將傳感器連續(xù)送至預(yù)定位置，系統(tǒng)靈活性好，重復(fù)精度高。

　　OCRobotics公司研制出了一種“snake-arm”機(jī)器人。該機(jī)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(jié)構(gòu)類似于象鼻子，靈活性很高�？罩锌蛙囉�國公司將該機(jī)器人安裝在工業(yè)機(jī)械臂末端，從而進(jìn)行飛機(jī)壁板內(nèi)部的監(jiān)測、標(biāo)準(zhǔn)件緊固及密封等。它是一種非破壞性檢測技術(shù)， 維修人員省下了拆卸和重組飛機(jī)零件以進(jìn)行檢測的麻煩。該機(jī)器人除完成內(nèi)部監(jiān)測/標(biāo)準(zhǔn)件緊固、涂膠等工作外，也可用于飛機(jī)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(jī)器人可以通過負(fù)壓吸附原理使機(jī)器人在飛機(jī)大型壁板、機(jī)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(zhì)量等,另外，機(jī)器人技術(shù)在飛機(jī)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(yīng)用前景。

機(jī)器人技術(shù)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(jī)器人技術(shù)的融入，同時機(jī)器人位置精度的提高、負(fù)載能力的增強(qiáng)、實時仿真技術(shù)的高速發(fā)展也為機(jī)器人技術(shù)在航空制造業(yè)得到青睞提供了機(jī)遇。但就目前來說，和汽車及家電制造業(yè)一樣，機(jī)器人技術(shù)要在航空制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，還面臨很多挑戰(zhàn)，這也是休斯公司、道格拉斯等飛機(jī)制造公司對機(jī)器人的使用采取謹(jǐn)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(jìn)產(chǎn)品發(fā)展起來的，未能及時開發(fā)與更新制造技術(shù)。原有的工裝及部分加工工藝已成為機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造的絆腳石。
　　(2) 系統(tǒng)集成技術(shù)亟待提高。目前工業(yè)機(jī)器人及精密測量技術(shù)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(jī)器人末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式及性能要求千變?nèi)f化，周邊設(shè)備的布置方式也不盡相同，因此機(jī)器人、末端執(zhí)行器、測試標(biāo)定單元、周邊設(shè)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(jī)器人技術(shù)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(jī)器人技術(shù)有待提升�，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)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(fù)載能力較低。如果開發(fā)大范圍、大負(fù)載的工業(yè)機(jī)械臂，又難以解決高精度與大工作空間的矛盾；另外，大負(fù)載大運(yùn)動范圍的工業(yè)機(jī)器人的示教問題也是航空領(lǐng)域面臨的難題之一。
　　(4)成本控制問題。在飛機(jī)裝配成本、產(chǎn)量、裝配自動化水平、裝配效率、裝配質(zhì)量（裝配精密度）、裝配系統(tǒng)投資諸因素之間存在一定的關(guān)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(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造業(yè)必將帶動周邊設(shè)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(jī)制造引入自動化技術(shù)并不是權(quán)宜之計。

結(jié)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(quán)的噴氣支線客機(jī)下線；2008年6月29日國產(chǎn)新型渦槳支線客機(jī)新舟600總裝完成；2008年11月，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司、中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司成立，這標(biāo)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(biāo)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(rèn)，空客、波音等飛機(jī)制造商的飛機(jī)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(jī)正處于起步階段，機(jī)器人技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用也剛剛起步，北京航空航天大學(xué)機(jī)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(guān)飛機(jī)制造企業(yè)聯(lián)合啟動鈦合金、復(fù)合材料的自動鉆鉚機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)，但離推廣應(yīng)用尚有距離。希望本文能起到拋磚引玉的作用，加速中國機(jī)器人柔性自動化系統(tǒng)的研制和發(fā)展。