航空制造機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

清華大學(xué)機(jī)械工程系 王國(guó)磊 吳 丹 陳 懇

利用工業(yè)機(jī)器人提高產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約勞動(dòng)力、降低制造成本、升級(jí)企業(yè)生產(chǎn)模式、提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)在制造企業(yè)成為共識(shí)。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(fù)雜、性能指標(biāo)精度高，其生產(chǎn)專用裝備多、工裝復(fù)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(shè)計(jì)制造并行等特點(diǎn)。因此，航空制造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、可靠性、開放性、運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性等核心性能提出了更高的要求。

近年來，國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)紛紛通過成品采購(gòu)、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(jī)器人，并已經(jīng)取得了較為豐碩的成果和長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文在總結(jié)這些應(yīng)用和成果的基礎(chǔ)上，通過分析和梳理航空制造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)未來航空制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討，旨在拋磚引玉，引發(fā)業(yè)內(nèi)人士對(duì)該問題的廣泛思考。

應(yīng)用現(xiàn)狀

1 自動(dòng)化制孔與連接

傳統(tǒng)手工制孔以風(fēng)鉆鉆孔為主，存在孔位精度低、加工工序長(zhǎng)、加工質(zhì)量控制困難等缺點(diǎn)，因此制孔成為航空制造領(lǐng)域最早應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)的環(huán)節(jié)，制孔機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于波音、空客的生產(chǎn)線，從效果上來看，制孔效率可以達(dá)到人工的6～10倍。目前，國(guó)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(guó)Gemcor公司、EI公司、德國(guó)Broetje公司、西班牙的M. Torres公司等。

國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化制孔應(yīng)用還多限于零部件級(jí)別，在大部件、機(jī)身的自動(dòng)化制孔方面相對(duì)滯后，因此目前各大航空制造企業(yè)都在積極推動(dòng)大型數(shù)字化制孔設(shè)備的研發(fā)和工程應(yīng)用。

機(jī)器人自動(dòng)化制孔的關(guān)鍵技術(shù)包括[1-4]：

(1)制孔精度保證?，F(xiàn)代飛機(jī)更加強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)壽命、隱身性和互換性要求，對(duì)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(jī)器人定位精度最高能達(dá)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(cè)量設(shè)備引導(dǎo)末端執(zhí)行器實(shí)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(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)榷际翘岣咧瓶拙鹊年P(guān)鍵技術(shù)。

(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(dòng)化制孔對(duì)刀具冷卻潤(rùn)滑、切屑吸排、刀具磨損破損監(jiān)控的要求，自動(dòng)制孔系統(tǒng)的末端執(zhí)行器需要具有高精度進(jìn)給、壓緊、法矢測(cè)量、锪窩深度控制、鉆削軸向力檢測(cè)、刀具微量潤(rùn)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(shù)?，F(xiàn)代飛機(jī)大量采用的碳纖維復(fù)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(shí)的顫振現(xiàn)象、消除疊層間隙、防止層間毛刺的進(jìn)入、避免復(fù)合材料分層等是提高制孔質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 表面噴涂與精整

表面噴涂是現(xiàn)代飛機(jī)制造過程中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)之一，例如一架空客A380飛機(jī)的待噴涂面積達(dá)3150m2，機(jī)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(gè)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(huì)對(duì)從業(yè)人員身體健康造成巨大傷害。相比之下，采用機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)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(dú)到的優(yōu)勢(shì)。然而，由于航空產(chǎn)品大多尺寸龐大，遠(yuǎn)超常見工業(yè)機(jī)器人的工作空間，故需要經(jīng)過專門設(shè)計(jì)、改造或集成的噴涂機(jī)器人，其技術(shù)復(fù)雜度較高，因此應(yīng)用還不廣泛，具有廣闊的市場(chǎng)空間和發(fā)展前景。

目前國(guó)外最具代表性的成果是洛克希德·馬丁公司為F-35戰(zhàn)機(jī)研制的機(jī)器人飛機(jī)精整系統(tǒng)(Robotic Aircraft Finishing System，RAFS)[5]，該系統(tǒng)由飛機(jī)定位系統(tǒng)、涂料輸送系統(tǒng)、三坐標(biāo)導(dǎo)軌、3個(gè)六軸噴涂機(jī)器人以及離線編程系統(tǒng)等組成，可完成F-35整個(gè)機(jī)身外表的自動(dòng)化噴涂(圖1)。國(guó)內(nèi)近年來在自動(dòng)化噴涂設(shè)備研制方面進(jìn)展迅速。如清華大學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)及裝備研究室先后研制了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超長(zhǎng)特種噴涂機(jī)器人和大型多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)，在噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)、控制、測(cè)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(shù)優(yōu)勢(shì)(圖2和圖3)，并已經(jīng)取得了工程應(yīng)用[6-8]。

機(jī)器人噴涂與精整的關(guān)鍵技術(shù)包括[9-11]：

(1)大型、復(fù)雜曲面噴涂作業(yè)規(guī)劃技術(shù)。對(duì)于大尺寸航空產(chǎn)品，通常以成熟噴涂機(jī)器人作為基本噴涂單元，借助變位機(jī)構(gòu)擴(kuò)大機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，并對(duì)大型曲面進(jìn)行分塊，利用機(jī)器人逐一地進(jìn)行噴涂。因此，需要對(duì)機(jī)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(jī)器人站位優(yōu)化等關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。

(2)快速離線編程和運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)。航空產(chǎn)品單件、小批的生產(chǎn)模式使得噴涂機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象經(jīng)常發(fā)生變化，因此機(jī)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(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)干涉校驗(yàn)等技術(shù)是減少機(jī)器人生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的重要手段。

圖1 應(yīng)用于F-35戰(zhàn)機(jī)的RAFS系統(tǒng)

圖2 清華大學(xué)研制的大型多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)THPT-3

圖3 清華大學(xué)研制的超長(zhǎng)特種噴涂機(jī)器人THPT-1

(3)涂層厚度精確預(yù)測(cè)和控制。為獲得良好的涂層均勻性，需事先進(jìn)行大量、反復(fù)的噴涂試驗(yàn)，以確定噴涂軌跡和工藝參數(shù)。對(duì)涂層厚度分布影響因素的深入研究、建立更準(zhǔn)確的噴槍模型、實(shí)現(xiàn)噴涂過程的數(shù)值模擬，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制涂層厚度、提高噴涂作業(yè)質(zhì)量、減少產(chǎn)品的補(bǔ)噴/打磨次數(shù)具有非常重要的指導(dǎo)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(jī)器人技術(shù)是柔性裝配中的主要設(shè)備之一。

目前，國(guó)外各大飛機(jī)制造公司均大量采用自動(dòng)化對(duì)接裝配系統(tǒng)來代替大型的固定裝配型架，系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)集成控制的自動(dòng)化定位器、激光測(cè)量裝置和電氣硬件組成，同時(shí)還集成了多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，負(fù)責(zé)在對(duì)接裝配中輔助進(jìn)行精確定位、裝夾、連接、固定、檢驗(yàn)等多種工作。例如，EI公司采用機(jī)器人在艙門裝配中完成輔助定位工作(圖4)。

這種集成了機(jī)器人、智能集成控制技術(shù)的對(duì)接平臺(tái)系統(tǒng)大幅度提高了機(jī)體的裝配質(zhì)量，并且通用性強(qiáng)、柔性大，能夠適應(yīng)不同尺寸的機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)，節(jié)省大量裝配型架。

機(jī)器人裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括[12-13]：

圖4 EI公司的艙門裝配輔助定位機(jī)器人

(1)虛擬仿真技術(shù)。飛機(jī)裝配工位環(huán)境復(fù)雜、不寬敞，因此需要在作業(yè)前進(jìn)行模擬仿真，避免實(shí)體裝配時(shí)可能出現(xiàn)的干涉碰撞，節(jié)約時(shí)間，提高作業(yè)安全性。

(2)裝配過程中的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控被裝配件與周邊設(shè)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(shí)時(shí)監(jiān)控被裝配件之間的接觸狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)柔順與被動(dòng)柔順裝配。

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

4 測(cè)量與檢測(cè)

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

圖5 X射線無損檢測(cè)機(jī)器人

5 零部件搬運(yùn)

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(dòng)平臺(tái)可以極大地提高飛機(jī)部件的運(yùn)輸和裝配效率。其應(yīng)用主要有兩種：一種是利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大范圍搬運(yùn)，常見辦法是在自動(dòng)導(dǎo)引小車(Automated Guided Vehicle，AGV)或者氣墊車上安裝機(jī)器人手臂，借助巡線、室內(nèi)GPS(indoor GPS, iGPS)等導(dǎo)航技術(shù)，迅速達(dá)到指定位置，準(zhǔn)確抓取產(chǎn)品組部件運(yùn)送并安放在目標(biāo)位置點(diǎn)；一種是實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)零部件的精確搬運(yùn)和定位，常用方法是將高精度測(cè)量設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，在夾持工件上設(shè)置關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，用高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位姿進(jìn)行監(jiān)控，機(jī)器人按計(jì)算的運(yùn)動(dòng)軌跡將被裝配工件移動(dòng)到位，例如波音787的D-NOSE組件在鉆鉚機(jī)上就是采用機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)的。

6 碳纖維復(fù)合材料加工

碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)過程十分復(fù)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(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用。英國(guó)國(guó)家復(fù)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(jī)械臂式自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)，不僅比手工作業(yè)節(jié)約材料，同時(shí)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(guān)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(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及高度的靈活性，往往采用冗余自由度機(jī)械臂[14]。

7 連接與切割

除了機(jī)械連接外，自動(dòng)化連接還包括焊接和膠接，在這兩種加工方式中，機(jī)器人技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

目前，點(diǎn)焊、弧焊、激光焊等焊接工藝均可利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化，在航空產(chǎn)品制造中焊接機(jī)器人已有成功應(yīng)用，例如利用機(jī)器人完成發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)器人的發(fā)展提供了新動(dòng)力。

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

此外，飛機(jī)壁板修邊等工序也出現(xiàn)了機(jī)器人的身影，與傳統(tǒng)的手工修邊或笨重的切邊機(jī)相比，機(jī)器人能更高效、更便捷、更精準(zhǔn)地完成零組件切邊工作。火焰切割、等離子切割和激光切割等技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化。

綜上所述，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)深入到航空制造領(lǐng)域的方方面面，并且隨著航空制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的需求和應(yīng)用不斷呈現(xiàn)。

發(fā)展趨勢(shì)

隨著工業(yè)機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域應(yīng)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(cè)的自動(dòng)化程度低、定位標(biāo)定和離線編程等生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)作業(yè)柔性和可拓展性考慮不足導(dǎo)致設(shè)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(shí)無法體現(xiàn)出機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。

因此，未來航空制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人需要更好地適應(yīng)單件、小批生產(chǎn)模式下多變的任務(wù)需求、復(fù)雜的場(chǎng)地環(huán)境，提高定位及運(yùn)動(dòng)精度，縮短離線編程和生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高設(shè)備利用率等，真正發(fā)揮出機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。下列技術(shù)將成為共性的關(guān)鍵使能技術(shù)[15-17]。

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

(2)末端精度補(bǔ)償技術(shù)。機(jī)器人末端精度受運(yùn)動(dòng)學(xué)插補(bǔ)、機(jī)器人負(fù)載、剛度、機(jī)械間隙、刀具磨損、熱效應(yīng)等多種因素的影響，因此除了采用高精度的測(cè)量?jī)x器外，建立定位誤差模型和補(bǔ)償算法也是提高定位精度的重要手段。為此，需要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，獲得誤差模型或誤差矩陣，進(jìn)而通過精度補(bǔ)償算法對(duì)末端執(zhí)行器的定位提供伺服修正。

(3)智能規(guī)劃技術(shù)。機(jī)器人是自動(dòng)化的載體，無論是鉆孔、噴涂、焊接、切割、裝配還是涂膠、點(diǎn)膠，最終都依靠機(jī)器人末端嚴(yán)格按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)完成作業(yè)，因此軌跡規(guī)劃的結(jié)果直接影響機(jī)器人的工作效能和效率，而軌跡規(guī)劃的效率和自動(dòng)化程度則直接影響生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。在對(duì)工藝深入了解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、機(jī)器人軌跡優(yōu)化、自動(dòng)干涉校驗(yàn)、工藝參數(shù)與過程優(yōu)化是一個(gè)重要的研究方向。

為了提高機(jī)器人的智能化程度，諸如專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、進(jìn)化計(jì)算、群計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能方法將被大量引入，而圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音合成、自然語(yǔ)言理解等技術(shù)也會(huì)被廣泛應(yīng)用于增加、改良人機(jī)交互方式。此外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，資源共享、知識(shí)共享、數(shù)據(jù)挖掘等理念為提高機(jī)器人的分析、決策和協(xié)作能力提供了新的思路。

(4)機(jī)器人控制技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)非線性、多變量的控制對(duì)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(yīng)用和研究，面對(duì)高速度、高精度、重載荷的作業(yè)需求，機(jī)器人的控制方法仍將是研究重點(diǎn)。

(5)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人有時(shí)無法滿足需求，隨著機(jī)器人技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的逐漸深入，對(duì)專用、特種、非標(biāo)機(jī)器人的需求越來越多，這意味著需要針對(duì)具體任務(wù)進(jìn)行本體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。

(6)可重構(gòu)柔性加工單元技術(shù)。在飛機(jī)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(shè)計(jì)，通過移動(dòng)各種動(dòng)態(tài)模塊改變工裝格局，適應(yīng)不同尺寸和類型的產(chǎn)品。空客公司正在研制的“無型架數(shù)字化裝配技術(shù)中心”就是該理念的產(chǎn)物，該中心是一個(gè)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(xiàng)裝配、調(diào)整、檢測(cè)技術(shù)，可大大提高飛機(jī)裝配效率。

(7)數(shù)字化制造體系支持技術(shù)。在以基于模型定義(Model Based Definition, MBD)為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式下，由三維設(shè)計(jì)數(shù)模分別派生出的三維工藝數(shù)模、工裝數(shù)模和檢驗(yàn)數(shù)模成為機(jī)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(cè)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(jī)器人離線編程和控制系統(tǒng)需要更加開放，包括支持標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)格式、提供標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵技術(shù)的突破和進(jìn)步，未來的航空制造機(jī)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(yīng)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?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)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(biāo)定、作業(yè)規(guī)劃和碰撞檢測(cè)的智能程度，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，是未來工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向，人們甚至希望未來的機(jī)器人能夠?qū)ψ陨淼男袨檫M(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃和控制，獨(dú)立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動(dòng)作重復(fù)。

(2)柔性化。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)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(chǎng)合下，具有關(guān)節(jié)力反饋能力和關(guān)節(jié)柔性的輕質(zhì)機(jī)器人因其自重小、低功耗、較高負(fù)載/自重比和具備柔順控制能力等特點(diǎn)更具優(yōu)勢(shì)。

(3)靈巧化。航空制造經(jīng)常需要在復(fù)雜、隱蔽的產(chǎn)品空間內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，比如飛機(jī)壁板內(nèi)部的監(jiān)測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)件緊固及密封，以及進(jìn)氣道的測(cè)量、安裝、噴涂、檢驗(yàn)等，關(guān)節(jié)式冗余自由度機(jī)器人因其工作空間大、靈活性高等特點(diǎn)而呈現(xiàn)出良好前景(圖6)。

圖6 高度靈活的Snake Arm機(jī)器人

在行走機(jī)構(gòu)方面，工業(yè)機(jī)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(hù)成本高。在輪式或履帶式移動(dòng)平臺(tái)上安裝工業(yè)機(jī)器人，從而達(dá)到圍繞零件移動(dòng)制造的目的不失為一種更經(jīng)濟(jì)的辦法。利用真空吸附裝置等實(shí)現(xiàn)工件表面攀附的爬行機(jī)器人也值得關(guān)注。

(4)協(xié)作化。雙臂或多臂機(jī)器人越來越受到國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的高度重視，ABB、KUKA、YASKAWA等國(guó)際知名機(jī)器人制造商紛紛開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制，目前已經(jīng)有利用雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人進(jìn)行航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪放的報(bào)道。

另外，盡管機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，但畢竟不可能完全取代人，將機(jī)器人集成到生產(chǎn)中，使機(jī)器人與人并肩工作，消除人機(jī)之間的防護(hù)隔離，將人從簡(jiǎn)單枯燥的工作中解放出來，進(jìn)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(guó)、奧地利、西班牙等國(guó)家在歐盟第七框架計(jì)劃“未來工廠”項(xiàng)目的資助下聯(lián)合發(fā)起VALERI計(jì)劃，其目的就是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人先進(jìn)識(shí)別和人機(jī)協(xié)同操作?？湛鸵苍谄滹w機(jī)組裝的未來探索(FUTURASSY)項(xiàng)目中做出了大膽嘗試，將日本川田工業(yè)株式會(huì)社研制的人型雙臂機(jī)器人應(yīng)用于A380方向舵組裝工作站，與普通人類員工一起進(jìn)行鉚接工作(圖7)。

圖7 未來人機(jī)協(xié)作雛形

結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)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(shù)和設(shè)備升級(jí)改造，因此非常期待工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)機(jī)器人技術(shù)與基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)步也為工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)得到青睞提供了機(jī)遇。可以預(yù)見的是，在我國(guó)大力發(fā)展航空技術(shù)的時(shí)代背景下，工業(yè)機(jī)器人必將在航空制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

[1] 畢樹生，梁杰，戰(zhàn)強(qiáng)，等.機(jī)器人技術(shù)在航空工業(yè)中的應(yīng)用.航空制造技術(shù)，2009(4):34-39.

[2] 馮曉波.機(jī)器人準(zhǔn)確制孔技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[3] Atkinson J， Hartmann J. Robotic drilling system for 737 aileron. SAE Technical Paper 2007-01-3821， 2007.

[4] Russ D. ONCE (one sided cell end effector) Robotic drilling system. SAE Technical Paper 2002-01-2626， 2002.

[5] Seegmiller N A， Bailiff J A， Franks R K. Precision robotic coating application and thickness control optimization for F-35 final finishes. SAE International Journal of Aerospace，2010，2(1)：284-290.

[6] 王朝暉， 陳懇， 吳聊， 等 . 面向飛機(jī)表面噴涂的多層次控制程序結(jié)構(gòu). 航空學(xué)報(bào)，2013，34(4):928-935.

[7] 繆東晶，王國(guó)磊，吳聊，等.自由曲面均勻噴涂的機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，53(10)：1418-1423.

[8] 陳雁， 邵君奕，張傳清， 等 . 復(fù)雜管道噴涂系統(tǒng)研制. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造， 2009(11):1-3.

[9] 陳雁，邵君奕，張傳清，等.噴涂機(jī)器人自動(dòng)軌跡規(guī)劃研究進(jìn)展與展望.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010,2(2)：149-151.

[10] Sheng W， Chen H， Xi N， et al.Tool path planning for compound surfaces in spray forming processes. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2005，2(3): 240-249.

[11] 張永貴. 噴漆機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué)， 2008.

[12] 鄒方.飛機(jī)裝配迎來機(jī)器人時(shí)代.航空制造技術(shù)，2009(24):34-37.

[13] 秦瑞祥，鄒冀華.工業(yè)機(jī)器人在飛機(jī)數(shù)字化裝配中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù)，2010(23):104-108.

[14] 安魯陵，許斌.復(fù)合材料纖維鋪放自動(dòng)編程技術(shù)研究. 工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2005，12(2):80-84.

[15] 趙杰. 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn). 航空制造技術(shù)，2012(12):26-29.

[16] 馮華山，秦現(xiàn)生，王潤(rùn)孝. 航空航天制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì). 航空制造技術(shù)，2013(19):32-37.

[17] 余志強(qiáng)，陳嵩，孫煒，等.基于MBD的三維數(shù)模在飛機(jī)制造過程中的應(yīng)用. 航空制造技術(shù)，2009(25):82-85.