移動機(jī)器人技術(shù)在航天制造業(yè)中的應(yīng)用

周瑩皓，張加波，樂 毅，楊繼之，劉明爽，田 威

(1.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100080)(2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

隨著“工業(yè)4.0”、“中國制造2025”的興起，工業(yè)機(jī)器人在汽車、煙草、食品等行業(yè)的應(yīng)用得到了極大的發(fā)展，有效提高了產(chǎn)品制造效率，降低了制造成本。然而，航天產(chǎn)品尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開敞性差，極大限制了機(jī)器人優(yōu)勢的發(fā)揮，而移動機(jī)器人系統(tǒng)將機(jī)器人與地軌或者自動導(dǎo)引運輸車(AGV)結(jié)合起來，正成為航天制造業(yè)應(yīng)用機(jī)器人的一個趨勢[1-3]。移動機(jī)器人極大拓展了加工區(qū)域，解決了航天產(chǎn)品尺寸大的需求，同時移動機(jī)器人在原有6關(guān)節(jié)的基礎(chǔ)上增加了1～3個自由度，冗余自由度能夠更好地規(guī)劃機(jī)器人的位姿，滿足了航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜的需求。本文將結(jié)合航天器生產(chǎn)過程中的實際需求，對移動機(jī)器人在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用和技術(shù)需求進(jìn)行總結(jié)。

1 移動機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，以機(jī)器人為中心的移動式制造系統(tǒng)在國外有了很大的發(fā)展，相對于傳統(tǒng)的機(jī)床加工系統(tǒng)，其具有較強(qiáng)的操作靈活性與工作空間適應(yīng)性，有著廣泛的應(yīng)用前景。在工業(yè)場合，導(dǎo)軌式移動機(jī)器人系統(tǒng)能夠滿足大型構(gòu)件焊接、裝配等一系列的需求，已經(jīng)在汽車和飛機(jī)生產(chǎn)線上得到應(yīng)用。

圖1所示的空客機(jī)器人柔性協(xié)同裝配平臺，利用2臺沿導(dǎo)軌移動的工業(yè)機(jī)器人加工單元與鉆鉚中心組成一套柔性加工系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同負(fù)載的搬運、夾持定位，以及與鉆鉚中心進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，大大提高了工作效率[1]。圖2所示的巴西A380機(jī)翼柔性制造系統(tǒng)，通過將2套Tricept混聯(lián)機(jī)器人加工單元集成在導(dǎo)軌移動模塊上，可實現(xiàn)70m長度范圍內(nèi)快速移動，配合專用的測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對左右機(jī)翼框架的高精度、高效、自動化鉆鉚[4-5]。

圖1 空客機(jī)器人柔性協(xié)同裝配平臺

圖2 巴西A380機(jī)翼柔性制造系統(tǒng)

德國KUKA公司開發(fā)研制了“OnmiRob”系列智能移動機(jī)器人，由機(jī)械臂、全向移動平臺和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，具有可編程、高度靈活、模塊化和接口開放的特性。該系統(tǒng)可在同一移動平臺上配置不同機(jī)械臂用以完成復(fù)雜的配套裝配工序，如圖3所示。其加工末端可根據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行靈活調(diào)整，以滿足產(chǎn)品不同工況、不同工位的加工需求，可以有效減少產(chǎn)品的反復(fù)吊裝調(diào)整的次數(shù)[3]。?？怂箍挡捎肦OMCUT移動式高速銑削機(jī)器人與白光系統(tǒng)的集成方案，為汽車模具加工提供了高效加工和檢測手段，精度可達(dá)0.2mm[6]，如圖4所示。

圖3 “OnmiRob”型全向智能移動機(jī)器人

圖4 ROMCUT高速銑削機(jī)器人

2 移動機(jī)器人在航天器制造領(lǐng)域的應(yīng)用探討

隨著移動機(jī)器人在制造行業(yè)的應(yīng)用不斷深入，機(jī)器人因其高度的靈活性和柔性，得到了航天領(lǐng)域制造業(yè)的青睞。目前，航天器制造中的主要技術(shù)瓶頸可歸納如下。

1)航天器超大結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的制造超出現(xiàn)有加工設(shè)備的能力范圍。

航天器艙體結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大、轉(zhuǎn)運困難，艙體焊接、組合加工等超過現(xiàn)有加工設(shè)備允許的尺寸上限或超過現(xiàn)有加工技術(shù)能力，制造瓶頸日益突出，迫切需要獨立的、柔性化程度較高的移動式加工裝備，通過現(xiàn)場重構(gòu)的方式，解決生產(chǎn)車間大型結(jié)構(gòu)件制造的難題。

2)航天器產(chǎn)品制造過程復(fù)雜、工序繁多、任務(wù)繁重，研制周期短。

航天器大型艙體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，且具有較差的繼承性。鑒于艙體結(jié)構(gòu)特點，其研制周期通常較長，年產(chǎn)量較低。近年來，隨著我國戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展需要，航天器產(chǎn)品需求量攀升，造成了航天器制造業(yè)研制任務(wù)大幅增加的局面，迫使裝備的研制周期大為縮短。

3)艙體制造過程柔性、自動化水平需要提升。

鑒于艙體大尺寸的結(jié)構(gòu)特性，其制造過程主要由人工進(jìn)行，易造成裝備的一致性差、品質(zhì)不穩(wěn)定。同時，裝配過程對工人技能依賴大，人力占用多，此外由于人工作業(yè)、生產(chǎn)組織復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)節(jié)多，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低、產(chǎn)能不足。因此，需要高度自動化、智能化的裝備提升產(chǎn)品質(zhì)量可靠性及生產(chǎn)效率。

為此，航天器制造業(yè)針對移動機(jī)器人進(jìn)行了一系列應(yīng)用探索，部分已應(yīng)用于型號生產(chǎn)中，取得了良好的效果。

2.1 柔性機(jī)器人工作站

針對航天領(lǐng)域各種型號的鋁合金火箭貯箱、航天器艙體等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜焊接，傳統(tǒng)焊接裝備及工藝已不能滿足其需求。為此，經(jīng)過數(shù)年的探索，采用空間曲線柔性焊接機(jī)器人工作站，能夠有效地解決這一難題。該工作站將機(jī)器人、三軸運動模塊、變位機(jī)集成，配合集成協(xié)同控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)11軸聯(lián)動，可始終保持向上立焊的姿態(tài)，有效完成空間復(fù)雜軌跡的焊接。如圖5所示。

圖5 空間曲線焊接柔性機(jī)器人工作站

該機(jī)器人工作站綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊兩方面的優(yōu)點，采用穿孔立焊工藝，既有利于焊縫正、反面成形，又有利于熔池中氫的逸出，結(jié)合機(jī)器人焊接軌跡仿真技術(shù)(如圖6所示)，有效保證焊接軌跡的正確性，同時采用焊縫跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)加工過程中機(jī)器人精度的自動補(bǔ)償，如圖7所示。目前，該裝置已應(yīng)用于某型號火箭貯箱、天宮系列大型密封艙結(jié)構(gòu)縱縫和環(huán)縫的焊接生產(chǎn)，有效保證了產(chǎn)品的可靠性，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

2.2 全向智能移動機(jī)器人

為了提高大型航天器柔性制造能力，采用全向智能移動機(jī)器人裝備，在保證機(jī)器人操作精度的基礎(chǔ)上，大大拓展了機(jī)器人的操作空間。該機(jī)器人以全向智能移動平臺與作業(yè)機(jī)器人為核心，融合AGV自動導(dǎo)引與測量技術(shù)、數(shù)字化信息集成技術(shù)，實現(xiàn)航天器艙外支架安裝面及安裝孔的組合加工、輻射器焊接等，探索并驗證了一套低成本、高柔性的全向移動機(jī)器人，創(chuàng)造出了大型高端裝備制造的全新生產(chǎn)模式。該設(shè)備顛覆了傳統(tǒng)機(jī)床以設(shè)備為中心、產(chǎn)品在各工位流動的作業(yè)模式，實現(xiàn)以產(chǎn)品為中心、設(shè)備流轉(zhuǎn)的新的工作模式。該模式可大大減少產(chǎn)品的反復(fù)吊裝、轉(zhuǎn)運和裝夾時間，實現(xiàn)加工、裝配及測量環(huán)節(jié)的自動化和柔性化，特別適用于超大尺寸產(chǎn)品的加工與裝配，如圖8的全向移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)、圖9的全向移動測量機(jī)器人系統(tǒng)。其中移動焊接機(jī)器人已應(yīng)用于空間站輻射器的焊接過程中。

圖6 焊接系統(tǒng)仿真系統(tǒng)

圖7 基于視覺的焊縫跟蹤系統(tǒng)

2.3 多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)

在航天器復(fù)雜裝配、大型零部件的搬運中，單一機(jī)械臂能力越顯不足，而多個機(jī)械臂或機(jī)器人由于其內(nèi)在分布特性，通過共享資源(信息、知識、物理裝置等)可彌補(bǔ)單個機(jī)器人能力的不足，擴(kuò)大能力范圍，從而獲得滿意效果。

圖8 全向移動焊接機(jī)器人系統(tǒng)

圖9 全向移動測量機(jī)器人系統(tǒng)

為此，針對航天器研制過程中復(fù)雜裝配、搬運等過程，開展了多臂/多機(jī)器人協(xié)同工作研究與應(yīng)用。這類機(jī)器人通常分為松耦合和緊耦合兩種形式。松耦合形式中每個機(jī)器人有獨立的作業(yè)任務(wù)，如圖10所示，航天器滾彎壁板工裝采用多機(jī)器人協(xié)同裝配，每個機(jī)器人在裝配中完成獨立的擰釘任務(wù)。緊耦合形式中各個機(jī)器人與作業(yè)對象相互作用，形成閉鏈，如航天器板類零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)采用兩個機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，如圖11所示。

圖10 熱處理工裝協(xié)同裝配

圖11 板類零件姿態(tài)翻轉(zhuǎn)

2.4 智能化柔性制造系統(tǒng)

智能化柔性制造系統(tǒng)針對航天器柔性制造的需求，以數(shù)字化制造為基礎(chǔ)，逐步把智能制造技術(shù)、智能制造裝備、智能物流等與現(xiàn)有制造系統(tǒng)集成融合，實現(xiàn)航天器柔性、高效的制造。

智能化柔性制造系統(tǒng)主要由4個部分構(gòu)成：移動機(jī)器人、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、調(diào)度和制造信息管理系統(tǒng)。移動機(jī)器人以系列化制造裝備單元(如：焊接機(jī)器人)的形式存在，是作業(yè)任務(wù)的具體執(zhí)行者；控制系統(tǒng)接收調(diào)度與制造信息管理系統(tǒng)的信息，控制移動機(jī)器人進(jìn)行加工；導(dǎo)航與定位系統(tǒng)承擔(dān)聯(lián)絡(luò)整個制造系統(tǒng)與外部制造環(huán)境的工作；調(diào)度與制造信息管理系統(tǒng)作為整個制造系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)移動機(jī)器人的任務(wù)調(diào)度和智能控制。該系統(tǒng)改變了機(jī)器人固定工位加工的單一應(yīng)用模式，同時改變機(jī)器人單點控制方式，實現(xiàn)多臺移動機(jī)器人協(xié)同控制和集群作業(yè)，有利于大型裝備在固定工位的情況下實現(xiàn)并行工作，能夠大大提高大型、超大型產(chǎn)品的制造效率，如圖12所示。

圖12 智能化柔性制造系統(tǒng)

2.5 移動機(jī)器人離線編程與仿真

鑒于航天器制造特點，傳統(tǒng)在線示教式機(jī)器人路徑規(guī)劃方式越發(fā)具有局限性，尤其是復(fù)雜路徑的編程。因此，針對高精度、復(fù)雜軌跡的路徑規(guī)劃(如鉆銑、焊接等)，采用離線編程與仿真軟件為機(jī)器人提供CAD/CAM高精度復(fù)雜路徑離線編程；針對多臂/多機(jī)器人協(xié)同工作，采用多機(jī)器人編程軟件實現(xiàn)從單一的運動機(jī)構(gòu)到生產(chǎn)線布局整體仿真。該過程用來完成航天器制造過程中來自不同公司、不同類型的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃，并編譯所規(guī)劃型號的機(jī)器人加工程序。通過建模與圖形仿真，直觀地完成加工現(xiàn)場布局、機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃、干涉與碰撞檢測等。仿真能夠在前期進(jìn)行對規(guī)劃路徑進(jìn)行論證和評估，包括對各種方案的運動學(xué)及動力學(xué)特性進(jìn)行評估，并為機(jī)器人控制提供參考依據(jù)，對最終產(chǎn)品性能進(jìn)行跟蹤、故障預(yù)測、診斷等。機(jī)器人系統(tǒng)離線編程如圖13所示。

圖13 機(jī)器人系統(tǒng)離線編程

3 亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)

與大規(guī)模使用機(jī)器人的汽車行業(yè)不同，航天產(chǎn)品的特點決定了大規(guī)模的自動化生產(chǎn)線不具備可行性，不需要很多的機(jī)器人，而是需要具備柔性和智能性的機(jī)器人去完成一件件獨立且不會完全重復(fù)的任務(wù)。同時，為了保證航天器的高可靠性，需要柔性制造系統(tǒng)具備更高的精度和更大的靈活性，并且具備對外界的感知功能，甚至是自主學(xué)習(xí)并處理“類似任務(wù)”的功能，因此對機(jī)器人柔性、智能性和精度提出了較高的要求。

3.1 機(jī)器人精度補(bǔ)償技術(shù)

在航天器精密制孔、鉆鉚、對接、裝配等應(yīng)用場合，對加工精度的要求普遍較高，而工業(yè)機(jī)器人容易受零件制造、安裝誤差以及溫度梯度變化的影響，其絕對定位精度通常在毫米級，顯然不能滿足這些場合的應(yīng)用需求，因此需要辨識機(jī)器人關(guān)節(jié)剛度、位置、溫度等因素造成的誤差，并建立誤差標(biāo)定模型，結(jié)合機(jī)器人定位誤差測量設(shè)備，如激光跟蹤儀、激光測距儀或拉線傳感器等，對機(jī)器人各軸和末端執(zhí)行器進(jìn)行標(biāo)定，來補(bǔ)償機(jī)器人的位置誤差。此外還可以通過在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處增加光柵反饋，來實現(xiàn)機(jī)器人的高精度閉環(huán)控制。在作業(yè)過程中，尤其是切削、攪拌摩擦焊接等機(jī)器人承受復(fù)雜交變力矩的場合，關(guān)節(jié)與連桿剛度特性對末端定位精度產(chǎn)生較大影響，因此需要對剛度特性與模態(tài)特征進(jìn)行重新辨識和優(yōu)化，并且在線檢測末端位姿和受力狀態(tài)，實時補(bǔ)償機(jī)器人的位姿。

3.2 基于實時通信總線的閉環(huán)控制技術(shù)

為了提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的實時通信能力，需要在市場現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用模塊化結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)，用來突破外圍設(shè)備與現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的兼容性，從而提高系統(tǒng)的實時通訊能力。例如，采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中自帶的工業(yè)機(jī)器人運動學(xué)模塊，對串聯(lián)式關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)DH模型自定義，并將機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角外部監(jiān)測裝置集成到數(shù)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的閉環(huán)反饋。

3.3 機(jī)器人傳感與感知技術(shù)

隨著未來機(jī)器人對柔性化、智能化的要求越來越高，機(jī)器人傳感與感知顯得日益重要。機(jī)器人的傳感器包括各種物理量、化學(xué)量或者生物量傳感器，如視覺、力和觸覺傳感器，慣性傳感器，聲納傳感器，距離傳感器等，這些傳感器的功能與品質(zhì)是構(gòu)造高品質(zhì)機(jī)器人傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵，因此需要攻克高精度傳感器的制造以及圖像解析算法，并結(jié)合實際應(yīng)用場景，建立環(huán)境感知模型和決策控制模型，以減少機(jī)器人作業(yè)過程中的不確定性[7-8]。同時，由于現(xiàn)有的單一傳感器普遍存在著探測范圍有限、數(shù)據(jù)可靠性低等缺點，多傳感器及先進(jìn)的感知算法將是在現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)具有高度靈活性及高魯棒性移動機(jī)器人的關(guān)鍵。

3.4 自主學(xué)習(xí)技術(shù)

為了讓機(jī)器人擁有更加智能的大腦，近年來機(jī)器人自主學(xué)習(xí)成為機(jī)器人發(fā)展的一個新興領(lǐng)域，它用來模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)，從而不斷地改善自身性能。未來，在高端裝備制造過程中移動機(jī)器人動態(tài)路徑規(guī)劃、機(jī)器人作業(yè)中適應(yīng)性學(xué)習(xí)建模、視覺引導(dǎo)大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將成為高端裝備應(yīng)用的重點方向。

4 結(jié)束語

針對航天器制造領(lǐng)域多品種、小批量、結(jié)構(gòu)尺寸大、精度要求高等特點，移動機(jī)器人為推進(jìn)制造模式轉(zhuǎn)型、提升高端裝備制造能力奠定了重要基礎(chǔ)，但移動機(jī)器人在應(yīng)用過程中依舊存在很多技術(shù)難題，因此需要深入挖掘移動機(jī)器人潛在應(yīng)用需求，突破各項關(guān)鍵技術(shù)，從而推進(jìn)移動機(jī)器人技術(shù)不斷創(chuàng)新。

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