機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

中航工業(yè)北京航空制造工程研究所 杜兆才 姚艷彬 王 健

飛機(jī)結(jié)構(gòu)件連接質(zhì)量極大地影響飛機(jī)氣動(dòng)外形的準(zhǔn)確性和壽命[1]，而連接質(zhì)量難以滿足新型飛機(jī)對(duì)高性能的要求，已成為我國(guó)飛機(jī)制造業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)[2]。鉚接是主要的連接形式，采用先進(jìn)的制孔和鉚接技術(shù)是提高飛機(jī)裝配質(zhì)量的有效技術(shù)途徑。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故起因于結(jié)構(gòu)連接部位疲勞失效，其中80%的疲勞裂紋發(fā)生于連接孔處，因此，制孔質(zhì)量至關(guān)重要。手工制孔質(zhì)量一致性差，提高精度需借助于專門的工裝和夾具，成本高，可復(fù)用性差。手工制孔過(guò)程繁瑣，且易形成缺陷。手工鉚接容易產(chǎn)生孔徑超差、鉚釘孔錯(cuò)位、埋頭窩過(guò)深、鐓頭偏斜及夾層有間隙等缺陷。由于手工鉚接力較小，鉚釘桿鐓粗不均勻，釘桿呈圓錐形，易使工件產(chǎn)生翹曲變形，且手工鉚接難以勝任高干涉量的鉚接。

采用自動(dòng)化鉆鉚設(shè)備實(shí)現(xiàn)大型構(gòu)件的制孔和鉚接是提高裝配質(zhì)量和效率的有效途徑[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)鉚接效率比人工鉚接高10倍，由于質(zhì)量穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)疲勞壽命可提高5～6倍。目前主要有3種自動(dòng)化鉆鉚設(shè)備：自動(dòng)鉆鉚機(jī)、龍門式自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)和機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。前兩種設(shè)備應(yīng)用范圍有限，要求構(gòu)件的曲率變化較小，且對(duì)空間比較局促的區(qū)域無(wú)能為力。隨著工業(yè)機(jī)器人的位置精度、負(fù)載能力的提高，以及誤差補(bǔ)償技術(shù)、高速切削技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真技術(shù)、軟件技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人成為一種高效的工作平臺(tái)。與自動(dòng)鉆鉚機(jī)等設(shè)備相比，工業(yè)機(jī)器人具有成本低、靈活性高、安裝空間小及自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)[4]，對(duì)工件的適應(yīng)性好，且可以通過(guò)擴(kuò)展軸長(zhǎng)距離移動(dòng)，能完成多個(gè)區(qū)域的鉆鉚，而無(wú)需移動(dòng)工件，比傳統(tǒng)的自動(dòng)鉆鉚方式效率高。借助專用編程軟件，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工程序的離線編程和模擬加工。機(jī)器人鉆鉚技術(shù)突破了自動(dòng)鉆鉚機(jī)等設(shè)備對(duì)加工位置和加工靈活性的局限，將自動(dòng)鉆鉚技術(shù)推向一個(gè)更高的高度。

機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)在國(guó)外航空制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[5-9]，發(fā)展比較成熟。2001年，美國(guó)Electroimpact公司設(shè)計(jì)了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)（ONCE），用于波音F/A-18E/F的機(jī)翼后緣襟翼的制孔和锪窩[10]，在25.4mm厚的鈦合金上加工直徑9.5mm的孔時(shí)，將锪窩深度誤差控制在0.064mm以內(nèi)。美國(guó)EOA公司與波音公司聯(lián)合研制一種機(jī)器人多功能鉆削系統(tǒng)[11]，可進(jìn)行鈦合金、鋁合金、復(fù)合材料及疊層材料的飛機(jī)蒙皮的制孔、锪窩和鉸孔。瑞典Novator公司開發(fā)了機(jī)器人軌跡制孔系統(tǒng)（Orbital E-D100）。2009年，德國(guó)寶捷為歐直公司研發(fā)一種用于飛機(jī)貨艙門制孔的機(jī)器人裝配系統(tǒng)[12]，如圖1所示。意大利BC公司設(shè)計(jì)了雙機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，用于波音787機(jī)尾部件的自動(dòng)鉆鉚和涂膠。巴西航空技術(shù)學(xué)院研制了雙機(jī)器人鉚接系統(tǒng)[13]，A380及A320系列機(jī)翼壁板，波音787機(jī)身框架、波音747地板、波音737系列大梁、F-16復(fù)合材料垂尾壁板及C-130飛機(jī)梁腹板等部件的裝配都應(yīng)用了機(jī)器人自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)或機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)。

圖1 寶捷公司的Race機(jī)器人制孔系統(tǒng)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大主機(jī)廠紛紛與研究院所和高校合作研發(fā)機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)。2010年，中航工業(yè)沈飛與北京航空航天大學(xué)合作，研制了制孔末端執(zhí)行器，搭建了機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)，用于鋁合金、鈦合金及疊層材料的制孔。通過(guò)切削力反饋優(yōu)化主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)，在7075-T6鋁合金板上加工6mm孔時(shí)，可將孔徑誤差控制在0.04mm以內(nèi)，孔定位精度達(dá)0.3mm，制孔效率達(dá)到4個(gè)/min[14-16]。2010年，中航工業(yè)成飛與南京航空航天大學(xué)針對(duì)飛機(jī)機(jī)翼部件的自動(dòng)制孔需求，合作研制了壁板類部件/組件/零件數(shù)字化柔性裝配、智能制孔系統(tǒng)[17-19]。2011年，中航工業(yè)陜飛與浙江大學(xué)合作研制了機(jī)器人制孔系統(tǒng)，并用于某型機(jī)身后段制孔。2013年，中航工業(yè)西飛與西北工業(yè)大學(xué)合作研制了機(jī)器人制孔系統(tǒng)。上述系統(tǒng)尚不具備鉚接功能。2014年，中航工業(yè)北京航空制造工程研究所研制了機(jī)器人數(shù)字化鉆鉚系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)制孔和鉚接等功能。

總體來(lái)看，國(guó)外已經(jīng)突破了機(jī)器人鉆鉚的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。與國(guó)外相比，我國(guó)機(jī)器人鉆鉚技術(shù)水平還存在較大的差距，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

（1）分析和設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性，部分關(guān)鍵技術(shù)尚未完全突破，例如，動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)、機(jī)器人誤差補(bǔ)償技術(shù)、離線編程與仿真技術(shù)等，缺乏支撐多品種產(chǎn)品快速、精確鉆鉚的機(jī)器人鉆鉚技術(shù)體系，影響了機(jī)器人鉆鉚技術(shù)的推廣應(yīng)用。

（2）關(guān)鍵功能部件和系統(tǒng)集成原創(chuàng)能力不足。存在關(guān)鍵功能部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一、可靠性差及使用壽命不長(zhǎng)等現(xiàn)象，關(guān)鍵功能部件缺乏標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化；系統(tǒng)功能、精度及穩(wěn)定性與國(guó)外差距大，國(guó)外的機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)一般具有制孔、锪窩、插釘及鉚接等基本功能，較為先進(jìn)的還具有涂膠、去毛刺、吸除切屑及安裝自鎖螺栓或其他緊固件等功能。而國(guó)內(nèi)研制了多種機(jī)器人制孔系統(tǒng)，對(duì)機(jī)器人制孔技術(shù)進(jìn)行了較深入的研究，但研制的機(jī)器人制孔系統(tǒng)大多僅具有制孔功能，機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)的功能尚不完備，對(duì)機(jī)器人鉆鉚技術(shù)的研究也較少。

（3）自動(dòng)鉆鉚工藝方法及技術(shù)積累不足。大量工藝參數(shù)尚未優(yōu)化，針對(duì)鋁合金構(gòu)件的鉆鉚技術(shù)的研究較多，但針對(duì)鈦合金、復(fù)合材料及疊層材料等難加工構(gòu)件的鉆鉚技術(shù)的研究少。

國(guó)內(nèi)機(jī)器人鉆鉚技術(shù)存在問(wèn)題及解決途徑

機(jī)器人鉆鉚技術(shù)的構(gòu)成如圖2所示。

1 工業(yè)機(jī)器人定位精度尚不能完全滿足飛機(jī)鉆鉚需求

工業(yè)機(jī)器人的定位精度不高，不能滿足飛機(jī)鉆鉚對(duì)系統(tǒng)定位精度的需求，因此，需要探索滿足高定位精度要求且易于實(shí)施的誤差補(bǔ)償方法。有兩種途徑可以提高機(jī)器人精度。

（1）誤差預(yù)防法。即著力于減少誤差源，提高制造、裝配精度。這種方法實(shí)施難度較大，且長(zhǎng)期運(yùn)行后的定位精度仍無(wú)法保證。

圖2 機(jī)器人鉆鉚技術(shù)的構(gòu)成

（2）誤差補(bǔ)償法。辨識(shí)機(jī)器人參數(shù)，通過(guò)修改控制參數(shù)或增加外部控制算法來(lái)提高定位精度。

誤差補(bǔ)償方式分為在線補(bǔ)償和離線補(bǔ)償。不隨時(shí)間變化的誤差，如桿長(zhǎng)誤差、關(guān)節(jié)零位誤差及慣性參數(shù)誤差等，可以離線補(bǔ)償；而隨時(shí)間或環(huán)境因素變化的誤差，如溫度變化引起的誤差等，則需要在線補(bǔ)償。誤差補(bǔ)償方法有兩種。

（1）增加末端反饋，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。通常引入視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、力或加速度計(jì)傳感器等提取數(shù)據(jù)，或采用嵌入式控制方法，將數(shù)據(jù)快速反饋給控制系統(tǒng)。該方法可以達(dá)到很高的定位精度，但成本投入較高，實(shí)施難度較大。

（2）標(biāo)定。標(biāo)定技術(shù)分為3個(gè)層次[20]：關(guān)節(jié)級(jí)參數(shù)標(biāo)定（確定關(guān)節(jié)名義運(yùn)動(dòng)值與實(shí)測(cè)值之間的關(guān)系）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定（建立完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，包含所有幾何參數(shù)及關(guān)節(jié)柔性等非幾何參數(shù)）及動(dòng)力學(xué)參數(shù)標(biāo)定（確定各結(jié)構(gòu)的慣性參數(shù)）。目前，大多數(shù)研究集中在運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定方面。標(biāo)定后可使機(jī)器人精度更高，使離線編程實(shí)用化成為可能，確保仿真任務(wù)真正用于實(shí)際生產(chǎn)。

常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定方法包括：基于測(cè)量擬合的標(biāo)定方法、基于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的標(biāo)定方法及基于距離精度的標(biāo)定方法?；跍y(cè)量擬合的標(biāo)定方法的研究成果包括：將連桿的幾何參數(shù)誤差作為最主要誤差源[21]的標(biāo)定法、虛擬封閉運(yùn)動(dòng)鏈標(biāo)定法[22]、誤差網(wǎng)格標(biāo)定法[23]及基于誤差相似度的標(biāo)定法[24-25]；基于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的標(biāo)定方法的研究成果包括：CPC模型法[26]、MDH模型法[27]及基于POE方程改進(jìn)的標(biāo)定方法[28]；基于距離精度的標(biāo)定方法的研究成果包括：虛擬機(jī)坐標(biāo)系機(jī)器人幾何參數(shù)的標(biāo)定方法[29]、基于距離誤差模型的標(biāo)定方法[30]及3種雙機(jī)器人標(biāo)定方法（基于距離的標(biāo)定方法、基于平面精度的標(biāo)定方法、基于直線精度的標(biāo)定方法）[31]。

在動(dòng)力學(xué)參數(shù)標(biāo)定方面，關(guān)節(jié)的質(zhì)量、剛度及阻尼等屬性是動(dòng)力學(xué)模型中的重要組成和技術(shù)難點(diǎn)。如僅以彈簧或阻尼單元來(lái)簡(jiǎn)化和抽象，誤差較大[32-33]，建模必須以合理的假設(shè)為前提。例如，對(duì)于關(guān)節(jié)中的間隙，可以采用非線性的彈簧——阻尼模型，研究關(guān)節(jié)間隙的接觸動(dòng)力學(xué)特性。

標(biāo)定中常用的分析方法包括：運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)標(biāo)定法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定法。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)標(biāo)定法需要建立復(fù)雜的模型，有些因素很難考慮，在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中缺乏柔性；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)定法無(wú)須建模，也不需要辨識(shí)參數(shù)，且考慮了多種因素引起的誤差[34]，實(shí)施比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

標(biāo)定方法通常對(duì)測(cè)量工具提出較高的要求，例如，需使用單線電位計(jì)、球桿儀、激光測(cè)量系統(tǒng)及電子經(jīng)緯儀等，或測(cè)量?jī)x器昂貴，或測(cè)量過(guò)程復(fù)雜。

經(jīng)過(guò)誤差補(bǔ)償后，結(jié)合機(jī)器人工作空間配置的可靠性評(píng)價(jià)方法與規(guī)劃策略[35]，可合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的工作空間[36]。

目前，機(jī)器人誤差補(bǔ)償方法的研究仍不完善，尚未完全滿足飛機(jī)裝配精度的需求。其中，模型參數(shù)標(biāo)定法考慮的因素不夠全面，還需更細(xì)致地考慮更多的因素，并探索求解效率更高和更穩(wěn)定的計(jì)算方法；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法時(shí)，需要在選擇訓(xùn)練數(shù)據(jù)的比例及與問(wèn)題相適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模方面，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高模型準(zhǔn)確性。因此，應(yīng)完善、改進(jìn)和拓展現(xiàn)有的機(jī)器人誤差補(bǔ)償方法，為機(jī)器人在飛機(jī)柔性自動(dòng)化裝配上的應(yīng)用掃除技術(shù)障礙。

2 手眼標(biāo)定精度低且標(biāo)定過(guò)程復(fù)雜

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和自動(dòng)制孔，需建立精度和效率高、環(huán)境適應(yīng)能力和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)并且可動(dòng)態(tài)測(cè)量的非接觸式在線測(cè)量系統(tǒng)。機(jī)器人制孔的特點(diǎn)決定了需采用非固定視點(diǎn)視覺(jué)領(lǐng)域的手眼視覺(jué)技術(shù)，即手眼標(biāo)定技術(shù)（確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的刀具坐標(biāo)系和相機(jī)坐標(biāo)系之間的關(guān)系）[37-41]。

手眼標(biāo)定方法可分為靜態(tài)標(biāo)定（離線標(biāo)定）和動(dòng)態(tài)標(biāo)定（在線標(biāo)定）[42]。根據(jù)離線標(biāo)定方程的特點(diǎn)，又分為線性標(biāo)定法、非線性標(biāo)定法和分步標(biāo)定法。線性標(biāo)定法比較簡(jiǎn)捷，使用廣泛，但精度不高。非線性標(biāo)定法引入了非線性方程，模型較準(zhǔn)確，但計(jì)算復(fù)雜，對(duì)初始條件的要求比較嚴(yán)格，如使用不當(dāng)，容易出現(xiàn)非線性搜索優(yōu)化計(jì)算陷入局部最小的情況。分步標(biāo)定法綜合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)[43-44]，適合相機(jī)經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合，但應(yīng)注意累積誤差的問(wèn)題。在線標(biāo)定方法是一種動(dòng)態(tài)標(biāo)定法，通過(guò)機(jī)器人的理想軌跡、速度和實(shí)際軌跡、速度等的偏差，不斷修正參數(shù)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中完成標(biāo)定[45-47]。

為了提高計(jì)算方法的魯棒性，通常要采集盡量多的冗余信息，過(guò)程比較復(fù)雜，且計(jì)算速度會(huì)受到影響。鉆鉚過(guò)程中，需要簡(jiǎn)化標(biāo)定步驟，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)標(biāo)定，以提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。因此，需要協(xié)調(diào)處理魯棒性與實(shí)時(shí)性，達(dá)到最佳效果。

3 法向檢測(cè)方法亟待完善

孔的垂直度取決于刀具軸線與制孔點(diǎn)位處法線的重合程度，因此，檢測(cè)制孔點(diǎn)位處法向十分重要。計(jì)算曲面上任一點(diǎn)處法向量，可采用累加弦長(zhǎng)法、樣條曲面法和三角網(wǎng)格法等，計(jì)算比較復(fù)雜，往往需要獲取曲面上幾十個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)，才能獲得較高的計(jì)算精度，由于測(cè)量技術(shù)、工作效率及設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，通常無(wú)法測(cè)量加工曲面上的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此，不便采用上述方法。通?？刹捎萌c(diǎn)平面法[48]和叉積法[49]。為了提高平面的擬合精度，要考慮激光測(cè)距儀的安裝誤差[50]。由于工件是曲面，也可采用四點(diǎn)球面法[51]和二次曲面擬合法[52]。上述方法均預(yù)設(shè)了某種假設(shè)（平面、球面或二次曲面），但未明確提出假設(shè)成立的前提條件及擬合誤差，缺乏對(duì)主要影響因素的分析。需要在傳感器標(biāo)定、測(cè)量點(diǎn)選擇、參數(shù)靈敏度分析及擬合誤差分析等方面進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究，完善法向檢測(cè)方法。

4 壓力腳壓緊效果不易控制

在制孔鉚接前，要將末端執(zhí)行器調(diào)整到預(yù)定位姿，壓力腳壓緊工件。原因包括以下幾方面。

（1）疊層材料之間存在間隙，如不消除，可能導(dǎo)致切屑進(jìn)入間隙。

（2）由于工件剛度不足，在制孔時(shí)如不壓緊，會(huì)因切削力產(chǎn)生變形，影響加工質(zhì)量。

（3）應(yīng)預(yù)先消除機(jī)器人關(guān)節(jié)間隙。

（4）增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度，抑制制孔過(guò)程中的振動(dòng)。

（5）壓緊力的反作用力可降低末端執(zhí)行器因承受重力產(chǎn)生的位置和角度偏差。

壓緊時(shí)，有3種控制方法[53]。

（1）壓力腳壓力不變（大于進(jìn)給抗力）。

制孔時(shí)，機(jī)器人始終承受恒力，便于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和孔的質(zhì)量。不利因素是將接觸力從壓力腳轉(zhuǎn)移到刀具上，如果接觸力小，可能沿著工件表面發(fā)生滑移，影響孔的加工質(zhì)量；如果接觸力大，變形顯著，且不利于克服進(jìn)給抗力。

（2）控制壓力腳位置。

當(dāng)制孔時(shí)，總的接觸力增加，機(jī)器人發(fā)生扭轉(zhuǎn)和偏移，要根據(jù)反饋系統(tǒng)數(shù)據(jù)及時(shí)補(bǔ)償位姿誤差。前提條件是反饋系統(tǒng)的響應(yīng)速度足夠快。

（3）控制刀具受到的接觸力。容易導(dǎo)致刀具損壞，且不利于控制孔的法向。

保持壓力腳壓力不變的控制方法便于控制锪窩深度和孔的法向。應(yīng)選擇合理的壓力腳壓力，如壓力過(guò)大，機(jī)器人及工件會(huì)產(chǎn)生較大的變形，不利于制孔精度控制；如壓力過(guò)小，難以抑制制孔過(guò)程中工件的振動(dòng)，出現(xiàn)毛刺；如壓力小于進(jìn)給抗力，則壓力腳和壁板之間出現(xiàn)間隙，對(duì)穩(wěn)定性造成影響，也影響孔的加工質(zhì)量和定位精度。

只控制壓力腳的壓緊力或壓緊位置，都會(huì)帶來(lái)不利影響，導(dǎo)致新的誤差出現(xiàn)。因此，應(yīng)將兩種控制方案有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，提出壓力腳力/位置混合控制方法，達(dá)到最優(yōu)壓緊效果。

5 锪窩深度難以精確控制

制孔的難點(diǎn)之一是锪窩深度的精確控制[54]。原因包括以下幾方面。

（1）薄壁工件剛度低，容易變形。

（2）由于機(jī)器人關(guān)節(jié)存在間隙，傳動(dòng)系統(tǒng)存在柔性環(huán)節(jié)，承受壓力腳壓力的反作用力，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生偏斜和位移，體現(xiàn)為機(jī)器人“回退”。

（3）加工過(guò)程中刀具對(duì)工件施加作用力，當(dāng)?shù)都鈩偨佑|到工件時(shí)，工件和機(jī)器人都產(chǎn)生較大變形，當(dāng)鉆透工件時(shí)，都產(chǎn)生了回彈。

由于壓力腳始終壓緊工件，工件制孔區(qū)域位置變動(dòng)等同于壓力腳的位置變動(dòng)。因此，可在壓力腳上安裝位置檢測(cè)傳感器，建立壓力腳位置實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)倪M(jìn)給軸閉環(huán)控制系統(tǒng)[55]，將工件的變形量實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)綁毫δ_的位移上，可有效地控制锪窩深度誤差。為了不影響壓力腳位置實(shí)時(shí)反饋的效果，應(yīng)注意抑制壓力腳的振動(dòng)或采取措施過(guò)濾振動(dòng)信號(hào)。

6 鉚接單元技術(shù)落后

通常采用沖壓鉚接方式[56-57]。機(jī)器人由于受傳感器測(cè)量帶寬的限制，不能對(duì)快速?zèng)_擊及時(shí)響應(yīng)，難以適應(yīng)需要瞬時(shí)加速或較大力矩的場(chǎng)合。因此，沖擊力較大的鉚接設(shè)備不適于安裝到機(jī)器人上。限于缺少合適的鉚接單元，國(guó)內(nèi)研制的機(jī)器人制孔系統(tǒng)多數(shù)不具備鉚接功能。

隨著對(duì)飛機(jī)性能和結(jié)構(gòu)壽命要求的不斷提高，傳統(tǒng)鉚接工藝已難以滿足要求[58]，具有加載率高、應(yīng)變速率大、鉚釘變形均勻、噪聲低、后坐力小、鉚接工藝質(zhì)量穩(wěn)定及效率高等優(yōu)點(diǎn)的低電壓電磁鉚接設(shè)備（應(yīng)力波鉚接設(shè)備）應(yīng)運(yùn)而生[59-60]。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所利用自主研制的小型低電壓電磁鉚接設(shè)備開發(fā)了鉚接單元，搭建了機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)。

現(xiàn)有的電磁鉚接設(shè)備在電纜線上損失的能量較大，降低了設(shè)備利用率，限制了其在大范圍的鉆鉚作業(yè)中的應(yīng)用。因此，應(yīng)改進(jìn)電磁鉚接設(shè)備，降低能量損耗，從而提高設(shè)備能力。

7 供釘可靠性不易保證

穩(wěn)定可靠地供釘是實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量鉚接的保障。自動(dòng)供釘需要解決料斗形式、夾持方式和輸送方式3方面問(wèn)題[61]。輸送方式包括軌道式和管道式兩種。軌道式對(duì)輸送路徑要求較高，適用于從高到低輸送且輸送路徑固定的情況。管道輸送利用氣流推動(dòng)，通過(guò)輸釘管輸送，該方式定向穩(wěn)定，對(duì)鉚釘種類沒(méi)有限制，且對(duì)輸送路徑有較好的適應(yīng)能力，可用于從低到高輸送及輸送路徑多變的情況。

機(jī)器人的高靈活性和承載的局限要求末端執(zhí)行器與自動(dòng)供釘系統(tǒng)分離，增加了供釘難度。由于自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)對(duì)輸送可靠性要求高，且末端執(zhí)行器頻繁變換位姿，輸送路徑多變，且有時(shí)需要從低到高輸送，因此，必須采用管道式輸送方式。為了保證輸送的可靠性，需要設(shè)計(jì)軌道的長(zhǎng)度、傾角及截面形狀，并提出防止鉚釘在輸送管中卡死的必要條件[62-63]。輸送路徑變化導(dǎo)致輸釘管會(huì)有不同的彎曲半徑和輸釘高度等，增加了供釘?shù)碾y度，容易出現(xiàn)卡釘問(wèn)題。根據(jù)鉚釘在輸釘管中的受力和運(yùn)動(dòng)情況，可以計(jì)算滿足鉚釘正常輸送要求的輸釘管最小彎曲半徑、管道材質(zhì)及尺寸、最小供氣氣壓等[64]。

8 離線編程與仿真實(shí)用性有待提高

離線編程是飛機(jī)自動(dòng)化裝配區(qū)別于其他機(jī)械產(chǎn)品數(shù)控編程的重要特征，包含連接件信息提取模塊、數(shù)控自動(dòng)編程模塊、刀位文件生成模塊、離線仿真模塊及在線監(jiān)測(cè)模塊等部分。

仿真主要包括運(yùn)動(dòng)仿真和變形仿真。運(yùn)動(dòng)仿真用于檢查作業(yè)過(guò)程中可能發(fā)生的干涉現(xiàn)象，檢驗(yàn)鉆鉚路徑的效率，以產(chǎn)品的整體加工時(shí)間為目標(biāo)，優(yōu)化數(shù)控代碼。變形仿真用于分析由壓緊力、鉚接力產(chǎn)生的位置偏差等。通過(guò)仿真分析獲取變形量，進(jìn)行補(bǔ)償，控制最終的變形量。采用自動(dòng)鉆鉚過(guò)程中鉚釘和薄壁件的應(yīng)力應(yīng)變分析方法[65]，研究壁板自動(dòng)鉆鉚連接行為及變形量分析技術(shù)有助于解決自動(dòng)鉆鉚工藝參數(shù)優(yōu)化、變形控制等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。大型結(jié)構(gòu)件的鉆鉚點(diǎn)數(shù)以千計(jì)，不可能依靠實(shí)時(shí)測(cè)量調(diào)整來(lái)保證裝配精度，因此，需要分析預(yù)測(cè)鉆鉚誤差?？苫贙irchhoff薄板理論建立制孔力和誤差之間的關(guān)系，將鉚接過(guò)程視作力平衡狀態(tài)下的受迫變形，提出誤差分析方法[66]。在變形預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，可以采取鉚接順序優(yōu)化規(guī)劃方法、鉚接區(qū)域間的路徑優(yōu)化規(guī)劃方法進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。

有很多因素會(huì)影響機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)工作性能，有些影響因素之間還存在相互作用，且作用機(jī)理復(fù)雜。因此，從便于分析的角度出發(fā)，難以將所有因素均納入離線編程與仿真工作中，只能兼顧影響因素的復(fù)雜性和計(jì)算的可行性，判別并考慮各種工況下的主要影響因素，從而得到可行的離線編程與仿真結(jié)果。

機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚技術(shù)發(fā)展方向

（1）末端執(zhí)行器的模塊化和可重構(gòu)化。

采用模塊化設(shè)計(jì)方法，研制具有友好接口的模塊化功能部件和控制模塊，能快速重構(gòu)適應(yīng)新的工作環(huán)境和工作任務(wù)的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，使末端執(zhí)行器具有可重構(gòu)性和可擴(kuò)展性，提升末端執(zhí)行器性能。

（2）機(jī)器人平臺(tái)多樣化。

近年來(lái)，快速發(fā)展的并聯(lián)機(jī)器人綜合了并聯(lián)機(jī)構(gòu)和數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，負(fù)載能力、剛度和精度優(yōu)于串聯(lián)型工業(yè)機(jī)器人，混聯(lián)機(jī)器人又兼具并聯(lián)機(jī)器人和串聯(lián)機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)器人、混聯(lián)機(jī)器人均可作為新型的機(jī)器人平臺(tái)。柔性導(dǎo)軌機(jī)器人和自主爬行機(jī)器人也可作為某些工況下的機(jī)器人平臺(tái)。

（3）控制系統(tǒng)開放化。

滿足互操作性、可移植性、可擴(kuò)充性和互換性要求，提供開發(fā)工具和環(huán)境、產(chǎn)品升級(jí)、更新、修改及維修等功能，各個(gè)層次均對(duì)用戶開放，用戶可方便地?cái)U(kuò)展和改進(jìn)；便于集成應(yīng)用各種單元技術(shù)，具有強(qiáng)大的適應(yīng)性和靈活配置能力，對(duì)新產(chǎn)品、新技術(shù)提供開放性接口，便于順應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，及時(shí)補(bǔ)充新功能。

（4）鉆鉚技術(shù)智能化。

具有環(huán)境感知能力，集成移動(dòng)通信、信息獲取、智能軟件與人機(jī)交互等技術(shù)，采用可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)感知、測(cè)量、捕獲和傳遞信息及反饋控制的新技術(shù)、新方法和新流程，使機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)各個(gè)層面的工作協(xié)同更密切，對(duì)環(huán)境、目標(biāo)等信息的獲取和處理更智能，從而日益提高的質(zhì)量需求，迫切需要改進(jìn)、完善和提高機(jī)器人鉆鉚技術(shù)，在多傳感器信息融合的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鉆鉚過(guò)程的智能調(diào)度、規(guī)劃、仿真、優(yōu)化和鉆鉚系統(tǒng)的智能監(jiān)控、診斷、補(bǔ)償、控制。

（5）機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)應(yīng)用集成化。

針對(duì)飛機(jī)柔性裝配生產(chǎn)線的需求，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的互聯(lián)互通，形成實(shí)時(shí)分布式的制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。采集和處理鉆鉚過(guò)程中的工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)和業(yè)務(wù)流程等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時(shí)還將與聲、像、圖、文等多媒體信息處理實(shí)現(xiàn)高度集成與融合，實(shí)現(xiàn)物理制造空間與信息空間在多維度感知信息上的無(wú)縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品流程、工藝流程和制造過(guò)程信息流的集成。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器人鉆鉚技術(shù)是飛機(jī)柔性化自動(dòng)裝配技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用和研究方向，體現(xiàn)了飛機(jī)裝配的自動(dòng)化、數(shù)字化、柔性化和集成化趨勢(shì)，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)航空制造業(yè)亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。積極發(fā)展機(jī)器人鉆鉚技術(shù)對(duì)于提高我國(guó)航空制造水平,縮短與國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)的差距，提升國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)航空制造業(yè)快速發(fā)展，具有重要意義。我國(guó)當(dāng)前快速發(fā)展的航空制造業(yè)為機(jī)器人鉆鉚技術(shù)的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇和巨大的發(fā)展空間，必須形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，立足于自主研制，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的重點(diǎn)突破，掌握核心能力，提升機(jī)器人鉆鉚技術(shù)水平。

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