機(jī)器人技術(shù)在飛機(jī)發(fā)動機(jī)維修領(lǐng)域的應(yīng)用

■ 成磊

在機(jī)體維修領(lǐng)域，機(jī)器人可以替代維修人員在危險環(huán)境中作業(yè)，提供更快更準(zhǔn)的檢查結(jié)果；在發(fā)動機(jī)維修領(lǐng)域亦是如此，機(jī)器人不僅可用于發(fā)動機(jī)部件的檢查，還可以進(jìn)行部件修理，減少發(fā)動機(jī)下發(fā)。

機(jī)器人是一種半自主或全自主工作的機(jī)器，集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體，是智能制造的典型代表產(chǎn)品之一。機(jī)器人包括在制造環(huán)境下應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人和非制造環(huán)境下應(yīng)用的服務(wù)機(jī)器人兩大類。其中，服務(wù)機(jī)器人根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同，又分為應(yīng)用于家庭或直接服務(wù)于人的個人/家用服務(wù)機(jī)器人和應(yīng)用于特殊環(huán)境的專業(yè)服務(wù)機(jī)器人。在飛機(jī)發(fā)動機(jī)維修領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人可以看作是專業(yè)服務(wù)型機(jī)器人。

盡管人們對機(jī)器人的應(yīng)用充滿想象，但現(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人還是與期望值有較大的差距。一方面，機(jī)器人融合了多個學(xué)科體系，需要整合軟件、硬件等方面的不同知識，需要較大規(guī)模的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和較長的研發(fā)周期，進(jìn)入市場的時間會更長；另一方面，目前的工業(yè)機(jī)器人大多在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作，服務(wù)機(jī)器人也只能完成一些簡單的任務(wù)，而特種機(jī)器人還要依靠遙控來完成特定的工作。

受飛機(jī)發(fā)動機(jī)維修的特殊性的影響，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用相對滯后。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在航空維修領(lǐng)域的應(yīng)用嶄露頭角，但距離大規(guī)模的應(yīng)用還需一段時間。以下介紹一些機(jī)器人在航空維修領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)例。

圖1 Invert爬壁機(jī)器人

飛機(jī)機(jī)體檢測修理機(jī)器人

Invert爬壁機(jī)器人

2016年，新西蘭航空公司與基督城的Invert機(jī)器人公司合作，采用安裝了攝像頭的爬壁機(jī)器人（見圖1）進(jìn)行飛機(jī)機(jī)體的檢查。將機(jī)器人部署在機(jī)體表面，技術(shù)人員用遠(yuǎn)程控制設(shè)備檢查那些不易被肉眼發(fā)現(xiàn)的損傷，并實(shí)時傳回高分辨率的圖像。

瑞航技術(shù)公司也采用Invert 機(jī)器人公司的爬壁機(jī)器人進(jìn)行飛機(jī)的維修檢查。Invert機(jī)器人通過吸附裝置附著在飛機(jī)上，用高分辨率的攝像頭拍攝圖像并傳送到地面，由維修人員進(jìn)行分析，評判是否需要進(jìn)行修理。這些圖像記錄下了飛機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，可在以后用于飛機(jī)狀態(tài)的對比。Invert機(jī)器人可以通過超聲波和熱成像測試技術(shù)來提升能力，這種自動化測試技術(shù)可將飛機(jī)的檢查時間從幾小時縮短至幾分鐘。瑞航技術(shù)公司計劃在2018年第2季度將機(jī)器人檢查逐步應(yīng)用到基地維修和航線維護(hù)，主要進(jìn)行飛機(jī)機(jī)體、機(jī)翼、操縱面和穩(wěn)定器的檢查。

中新紅科的航空檢測機(jī)器人

今年9月在成都召開的2018（第九屆）民用飛機(jī)工業(yè)國際論壇上，中新紅外科技（武漢）有限公司（中新紅科）展示了公司的航空檢測機(jī)器人（見圖2）。中新紅科于2016年2月成立，據(jù)公司董事長趙偉介紹，其產(chǎn)品的技術(shù)原理是：給被檢測物施加熱激勵，利用被檢測物的不連續(xù)性缺陷對熱傳導(dǎo)性能的影響，使得被檢測物表面溫度不一致，即機(jī)體表面的局部區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，導(dǎo)致物體表面紅外輻射能力發(fā)生差異，借助紅外熱成像儀探測被檢物的輻射分布，獲得在特定時間內(nèi)溫度變化的數(shù)據(jù)，再通過紅外熱成像系統(tǒng)算法，實(shí)時呈現(xiàn)出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和可能存在的缺陷或損傷。

圖2 中新紅科的檢測機(jī)器人

漢莎技術(shù)的復(fù)合材料修理機(jī)器人

復(fù)合材料應(yīng)用的增加，給機(jī)體維修帶來新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的復(fù)合材料的修理是手工進(jìn)行的，修理時間長、效率低。自動化的修理過程因?yàn)椴扇×烁訃?yán)格的檢查和修理程序，可提高修理質(zhì)量、縮短修理時間，是未來主要的發(fā)展方向。

漢莎技術(shù)公司通過復(fù)合材料適應(yīng)檢查和修理（CAIRE）計劃，研發(fā)了一款復(fù)合材料斜接修理機(jī)器人，以改進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRC)結(jié)構(gòu)的修理。機(jī)器人通過專門開發(fā)的軟件掃描和診斷受損部位，計算出斜接面的形狀和切割路徑并將受損材料切割下來。技術(shù)人員將修復(fù)層切割成合適的尺寸并將其插入機(jī)器人創(chuàng)建的三維斜接面，進(jìn)行黏合和固化。

在沒有任何幫助的情況下，維修人員可以將CAIRE機(jī)器人（見圖3）通過定位裝置固位在機(jī)體表面的任何位置。 目前，該機(jī)器人通過了在單個部件或者整架飛機(jī)上的所有測試，可以吸附在關(guān)鍵的FRC上完成修理工作。首個CAIRE機(jī)器人系統(tǒng)計劃于2018年秋季部署在漢莎技術(shù)公司的飛機(jī)相關(guān)部件（ARC） 修理部進(jìn)行結(jié)構(gòu)件修理。

發(fā)動機(jī)檢測修理機(jī)器人

漢莎技術(shù)的AutoInspect和AutoRep機(jī)器人

自動化及機(jī)器人的應(yīng)用在漢莎技術(shù)公司的發(fā)動機(jī)修理中起到日益重要的作用，并被應(yīng)用于從自動化的檢查，到尺寸測量，再到修理的整個維修過程中。

漢莎技術(shù)公司在2015年完成了發(fā)動機(jī)部件的自動化檢查（AutoInspect）機(jī)器人研究，并在2016年完成了發(fā)動機(jī)部件的自動化修理（AutoRep）機(jī)器人研究。在AutoInspect項(xiàng)目中，漢莎技術(shù)公司成功地將多個檢查步驟集成在一個工藝過程中，且所有的測量結(jié)果都可以復(fù)現(xiàn)。而在AutoRep項(xiàng)目中，漢莎技術(shù)公司通過與漢堡工業(yè)大學(xué)的飛機(jī)制造技術(shù)研究所（IFPT）和弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（ILT）的密切合作，開發(fā)了用于銑削和焊接的機(jī)器人。

圖3 漢莎技術(shù)公司的CAIRE機(jī)器人

圖4 漢莎技術(shù)公司開發(fā)的自動檢測和修理機(jī)器人

圖5 蛇形臂機(jī)器人進(jìn)行激光切割

先對部件的損傷和變形進(jìn)行AutoInspect自動檢測，通過機(jī)器人控制的光學(xué)計量設(shè)備進(jìn)行數(shù)字記錄。受損部位的數(shù)據(jù)在檢測過程中被自動記錄，先傳送給銑削機(jī)器人進(jìn)行清理，再傳送給焊接機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)丁修理（見圖4）。除了打補(bǔ)丁，AutoRep也可以自動修復(fù)裂紋，這意味著在焊接之前不再需要專門銑削裂紋。AutoRep最初是用于修理燃燒室部件；然后會用于修理復(fù)雜幾何形狀的旋轉(zhuǎn)對稱部件，如機(jī)匣；之后會用于修理非旋轉(zhuǎn)對稱部件，如風(fēng)扇葉片等。

通過實(shí)施AutoRep，漢莎技術(shù)公司成功地將機(jī)器人和維修人員整合到修理過程中。通過使用機(jī)器人，維修人員從單調(diào)的日常工作中解放出來，專注于需要高水準(zhǔn)的人工技能、創(chuàng)造力和靈活性的領(lǐng)域。自動化自適應(yīng)工藝鏈的成功開發(fā)，使得部件修理的時間變短，生產(chǎn)效率得以提高，維修質(zhì)量也得到進(jìn)一步的改進(jìn)。

OC機(jī)器人公司的蛇形臂機(jī)器人

OC機(jī)器人公司成立于1997年，總部位于英國布里斯托爾，主要從事蛇形臂機(jī)器人（見圖5）的開發(fā)。該公司的蛇形臂機(jī)器人的機(jī)械臂長度可以超過3m、累計彎曲可以達(dá)到180°以上。這種機(jī)器人適用于狹窄的空間，在配備合適的工具后，可開展檢查、緊固、清洗及其他一些作業(yè)任務(wù)。蛇形臂機(jī)器人的電機(jī)、作動系統(tǒng)和控制部件在外面，只有蛇形機(jī)械臂進(jìn)入狹窄和危險的環(huán)境中工作。機(jī)器人的蛇形臂中間是空心的，可以裝入電纜、軟管和其他設(shè)備。蛇形臂機(jī)器人可以根據(jù)要完成的任務(wù)進(jìn)行定制，主要用于受限的和難以到達(dá)的區(qū)域。

2017年6月，GE航空宣布收購OC機(jī)器人公司，目的是為了提升其服務(wù)能力，包括發(fā)動機(jī)部件修理能力的開發(fā)和提高在翼支援團(tuán)隊(duì)的發(fā)動機(jī)檢查和修理效率。

羅羅公司的機(jī)器人項(xiàng)目

在今年2月舉行的新加坡航展上，羅羅公司發(fā)布了公司的“智能發(fā)動機(jī)愿景”（IntelligentEngine），這一愿景受一系列技術(shù)，特別是數(shù)字技術(shù)的驅(qū)動，其中也包括機(jī)器人技術(shù)。在今年7月舉行的英國范堡羅航展上，羅羅公司與諾丁漢大學(xué)和哈佛大學(xué)一起，探討和展示了未來發(fā)動機(jī)維修的革命性技術(shù)并展示了4個機(jī)器人項(xiàng)目。

SWARM“蟻群”機(jī)器人是一種協(xié)作型的微型機(jī)器人，每個機(jī)器人（見圖6）直徑約10mm，通過蛇形臂機(jī)器人送達(dá)發(fā)動機(jī)內(nèi)部，然后自己爬行到人工難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行檢查。這些機(jī)器人自帶小型攝像頭，能將所拍攝的視頻實(shí)時傳送給操作人員，無須下發(fā)即可快速完成發(fā)動機(jī)的目視檢查。該項(xiàng)目是羅羅公司、哈佛大學(xué)和諾丁漢大學(xué)之間的合作項(xiàng)目。

圖6 “蟻群”機(jī)器人

INSPECT“檢查”機(jī)器人是一個嵌入到發(fā)動機(jī)內(nèi)的“潛望鏡” 網(wǎng)絡(luò)，發(fā)動機(jī)利用這些“潛望鏡”相機(jī)進(jìn)行自我檢查，發(fā)現(xiàn)并報告維修需求。這些鉛筆大小的機(jī)器人具有熱防護(hù)能力，不受發(fā)動機(jī)內(nèi)部極高溫度的影響。作為發(fā)動機(jī)健康監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，它們拍攝的視頻數(shù)據(jù)與現(xiàn)有發(fā)動機(jī)健康管理系產(chǎn)生的數(shù)百萬個數(shù)據(jù)一起使用。這個項(xiàng)目由羅羅公司、制造壓力傳器的Oxsensis公司、光電專家BJR系統(tǒng)公司、電子工程咨詢Roke Manor公司和諾丁漢大學(xué)共同完成。

遠(yuǎn)程修復(fù)機(jī)器人是一種由羅羅公司和諾丁漢大學(xué)的團(tuán)隊(duì)共同合作開發(fā)的。在工程實(shí)踐中，常常伴隨著復(fù)雜的修理任務(wù)，例如，用激光修復(fù)損壞的壓氣機(jī)葉片。通過這類機(jī)器人，可以由當(dāng)?shù)氐墓ぷ鲌F(tuán)隊(duì)完成工具的安裝，然后將控制權(quán)交由羅羅公司遠(yuǎn)程控制中心的發(fā)動機(jī)專家來執(zhí)行修理任務(wù)，大大減少了修理所需的時間。

蛇形臂機(jī)器人是通過一對蛇形臂，靈活地游走在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動機(jī)內(nèi)部，對一些受損的熱障涂層進(jìn)行噴涂修復(fù)。該項(xiàng)目由羅羅、諾丁漢大學(xué)和Metallisation公司合作開發(fā)。

羅羅公司的這些機(jī)器人項(xiàng)目處于不同的發(fā)展階段，比如，遠(yuǎn)程修復(fù)機(jī)器人已進(jìn)入測試階段，幾年之內(nèi)即可投入使用，而“蟻群”機(jī)器人還需要很長的時間才能成為現(xiàn)實(shí)。

羅羅公司市場營銷高級副總裁Richard Goodhead表示：“我們在機(jī)器人領(lǐng)域取得的進(jìn)步是我們將智能發(fā)動機(jī)愿景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的一個很好例子，通過探索如何利用數(shù)字和機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，將確保羅羅繼續(xù)引領(lǐng)服務(wù)創(chuàng)新，為客戶提供最佳價值?！?/p>

協(xié)作機(jī)器人

專家稱，現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人乃至服務(wù)機(jī)器人發(fā)展不理想的原因之一，是因?yàn)闄C(jī)器人沒有與人很好地融合在一起。機(jī)器人下一階段發(fā)展的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)共融的模式。人機(jī)共融機(jī)器人，也稱作“協(xié)作機(jī)器人”(Cobot)。Cobot的目的是協(xié)助人類工作，通過一些應(yīng)用軟件使Cobot的編程變得容易，其周身的傳感器和控制軟件可以防止機(jī)器人帶來的意外傷害。

丹麥的優(yōu)傲機(jī)器人公司（Universal Robots）的產(chǎn)品便屬于Cobot機(jī)器人的范疇。該公司成立于2005年，并于2011年開始進(jìn)入中國市場。最近，優(yōu)傲機(jī)器人公司在航空航天部件制造商Tool Gauge進(jìn)行了UR5協(xié)作機(jī)器人的驗(yàn)證。優(yōu)傲機(jī)器人公司表示，UR5機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人不同。工業(yè)機(jī)器人的質(zhì)量通常在1t以上，需要幾周或者是幾個月去編程，還需要用螺栓固定，才只能完成一項(xiàng)任務(wù)。UR5的首個任務(wù)的編程平均只需半天，也不需要專門的機(jī)器人編程經(jīng)驗(yàn)，在不改變生產(chǎn)布局的情況下，可以部署完成多項(xiàng)任務(wù)。UR5可以安裝在一個可移動的小車上，或者自動導(dǎo)引車輛上，完成多種任務(wù)。

除了UR5，優(yōu)傲機(jī)器人公司還制造了UR3和UR10。前者搭載較輕的載荷，可達(dá)距離較近；后者在三款機(jī)器人當(dāng)中可搭載的載荷最大，可達(dá)距離最遠(yuǎn)。飛機(jī)工具公司(Aircraft Tooling)利用UR10開展高速氧燃料（HVOF）和等離子噴涂的修復(fù)任務(wù)(見圖7)，可以改善或恢復(fù)部件的表面特性或尺寸并提高耐磨性。

圖7 可進(jìn)行自動熱噴涂修理任務(wù)的 UR10

結(jié)束語

飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的維修是一種勞動密集型的生產(chǎn)活動，這種工作模式可能還要持續(xù)很長一段時間。隨著現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，可以有效地提高飛機(jī)和發(fā)動機(jī)的維修效率和安全性。但機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用是否會為航空維修這一特殊領(lǐng)域帶來更多的收益，還有待進(jìn)一步的觀察。