機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用探索

邱志新

摘要：機(jī)器人技術(shù)的運(yùn)用，既可以使車(chē)間管理嚴(yán)格化，自動(dòng)化工位得以增加，空間利用率得到了充分的優(yōu)化，又能夠保證生產(chǎn)效率與生產(chǎn)水平的提升。以航空領(lǐng)域?yàn)榱⒆泓c(diǎn)來(lái)講，維修供應(yīng)商需要應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)，在遵循高級(jí)安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，完成相應(yīng)的檢測(cè)、測(cè)試和修理工作，從而確保飛機(jī)安全性和穩(wěn)定性得到滿(mǎn)足。鑒于此，本文主要圍繞機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用予以探索。

Abstract： The application of robot technology can not only make the workshop management strict， the automation station be increased， and the space utilization rate be fully optimized， but also can improve the production efficiency and production level. Based on the aviation field， maintenance suppliers need to apply robot technology and complete the corresponding testing， testing and repair work based on advanced safety standards to ensure the safety and stability of the aircraft are met. In view of this， this paper mainly focuses on the application of robot technology in aviation maintenance.

關(guān)鍵詞：機(jī)器人技術(shù);航空維修;應(yīng)用探索

Key words： robot technology;aviation maintenance;application exploration

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242;V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0257-03

0 ?引言

航空維修簡(jiǎn)單而言就是將達(dá)到特定壽命周期的飛機(jī)作為主體，并在維修基地開(kāi)展系統(tǒng)性維修的一種活動(dòng)。其與航空制造廠飛機(jī)從無(wú)到有這一制造模式有著本質(zhì)性區(qū)別，航空維修客觀來(lái)講是集修和造為一體的綜合性的模式，通過(guò)維修使其零部件性能得以恢復(fù)是其側(cè)重點(diǎn)所在。近年來(lái)，在飛機(jī)數(shù)量持續(xù)增長(zhǎng)的背景下，對(duì)維修質(zhì)量和維修周期都提出了較高的要求，傳統(tǒng)航空維修生產(chǎn)方式也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，為了更好地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，確保自身的可持續(xù)發(fā)展，許多航空維修企業(yè)也加大了探索力度。

1 ?機(jī)器人技術(shù)概述

機(jī)器人可以歸入半自助或全自助的工作機(jī)器領(lǐng)域當(dāng)中，是集現(xiàn)代化制造技術(shù)、材料技術(shù)和信息化技術(shù)為一體的智能制造產(chǎn)品[1]。通常來(lái)講，機(jī)器人可以分為基于制造環(huán)境下所應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人和基于非制造環(huán)境下所應(yīng)用的服務(wù)機(jī)器人兩種。就服務(wù)機(jī)器人而言，又可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同將其細(xì)分為為家庭或?yàn)槿朔?wù)的機(jī)器人和特殊環(huán)境下的專(zhuān)業(yè)服務(wù)機(jī)器人。應(yīng)用在航空領(lǐng)域的機(jī)器人則屬于后者。

雖然人們對(duì)于機(jī)器人保持著極強(qiáng)的好奇心和想象力，但是不可否認(rèn)的是，實(shí)際機(jī)器人與人們期許的機(jī)器人狀態(tài)有很大的差別。第一，機(jī)器人是多學(xué)科體系的整合，不僅需要將硬件和軟件等各學(xué)科知識(shí)融入到其中，而且也需要依賴(lài)較大規(guī)模的研發(fā)隊(duì)伍，并投入大量的時(shí)間與精力。第二，現(xiàn)階段的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境主要以結(jié)構(gòu)化運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境為主，對(duì)于服務(wù)機(jī)器人來(lái)講，只能完成一些不具備難度的任務(wù)，而特種機(jī)器人的特殊項(xiàng)目通常需要依賴(lài)遙控才能得以完成。

2 ?航空維修的特征分析

航空維修與航空制造有很大的區(qū)別，航空維修過(guò)程中的特征主要有以下幾點(diǎn)：第一，航空維修過(guò)程中大部分工作都是圍繞飛機(jī)外觀缺損、表面缺陷和幾何尺寸測(cè)量等方面開(kāi)展的，然而，現(xiàn)下的這些工作主要還是依賴(lài)于人工完成，這也體現(xiàn)出當(dāng)前航空維修自動(dòng)化程度和工作效率低下的客觀事實(shí)，將基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到其中顯得尤為迫切。第二，品種多、小批量是航空維修零件中時(shí)長(zhǎng)存在的問(wèn)題，既不能對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸類(lèi)劃分，也不能在特定方式下對(duì)其進(jìn)行批量化處理，這就使得在維修過(guò)程中需要針對(duì)單一零件進(jìn)行個(gè)性化修理，這給機(jī)器人技術(shù)柔性化程度也提出了更高的要求。第三，飛機(jī)整機(jī)拆除與除漆也是航空維修過(guò)程中遇到的難題，此過(guò)程不僅沒(méi)有囊括在飛機(jī)制造工序內(nèi)，而且其與飛機(jī)制造也有著突出的差別，在機(jī)器人技術(shù)引入過(guò)程中無(wú)法找到可以為其提供參考和借鑒的資源。第四，航空維修行業(yè)間存在利益競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系是不可避免的，然而，就行業(yè)鏈下游的航空維修企業(yè)來(lái)講，其在獲取產(chǎn)品數(shù)模信息等大量原始信息方面相對(duì)困難，相應(yīng)的機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用也會(huì)受到連帶影響。

3 ?機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的應(yīng)用

3.1 工業(yè)機(jī)器人在航空機(jī)械零件特殊修理過(guò)程中的應(yīng)用

就航空維修這一過(guò)程而言，無(wú)論是航空零件缺損部位的低熱輸入焊接等修復(fù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還是恢復(fù)表面尺寸等目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，都可以應(yīng)用激光熔覆技術(shù)和熱噴涂技術(shù)。然而，由于受到零件外形不同且受損部位不同等方面的影響，使得上述方法運(yùn)用時(shí)存在一定的難度。而對(duì)工業(yè)機(jī)器人高度柔性化進(jìn)行充分利用則可以使上述難題得到有效的解決。如圖1、圖2所示。

3.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在零件外觀與尺寸檢測(cè)上的應(yīng)用

在圍繞某型飛機(jī)進(jìn)氣道防護(hù)柵開(kāi)展維修工作時(shí)，需要對(duì)將近十萬(wàn)個(gè)小孔進(jìn)行裂紋檢測(cè)，而檢測(cè)過(guò)程中則需要通過(guò)目視來(lái)完成，如圖3所示。由此可以看出，此類(lèi)工作不僅任務(wù)量巨大，而且在檢測(cè)過(guò)程中也極易受到外界因素的干擾與影響，修理質(zhì)量也無(wú)法得到保障，裂紋漏檢漏修等現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而也會(huì)對(duì)飛機(jī)修理質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。想要使此問(wèn)題得到充分且有效的解決，可以將機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的方式應(yīng)用到檢測(cè)過(guò)程中，在機(jī)器視覺(jué)依托下實(shí)現(xiàn)以往攝取目標(biāo)向圖像信號(hào)的轉(zhuǎn)變，并將轉(zhuǎn)換完成的圖像信號(hào)提交到圖像處理系統(tǒng)中，這樣圖像處理系統(tǒng)就會(huì)依賴(lài)于系統(tǒng)性的圖像處理技術(shù)完成對(duì)防護(hù)柵裂紋的識(shí)別，整個(gè)過(guò)程也都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

在針對(duì)橡膠零件實(shí)施檢測(cè)時(shí)，由于受到橡膠本身具有彈性等影響，所以在對(duì)其幾何尺寸進(jìn)行測(cè)量時(shí)難度較大，實(shí)施效率也相對(duì)較低。對(duì)此，可以將OGP影響測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用到其中。此系統(tǒng)囊括了精密光學(xué)技術(shù)、先進(jìn)電子技術(shù)等多個(gè)技術(shù)在內(nèi)，可以使任何零件的影響得到清晰化、精準(zhǔn)化的展現(xiàn)，為后續(xù)測(cè)量提供精準(zhǔn)的參考依據(jù)，保證測(cè)量效果。此系統(tǒng)主要是在機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)結(jié)合運(yùn)用下對(duì)橡膠零件予以的測(cè)量，且測(cè)量過(guò)程是非接觸式的，將其與單一點(diǎn)接觸系統(tǒng)對(duì)比可知，不僅其零件數(shù)據(jù)更為詳細(xì)，而且以往存在于小型橡膠零件無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題也得到了有效的解決。

3.3 全向移動(dòng)技術(shù)在飛機(jī)大部件運(yùn)輸裝配中的應(yīng)用

飛機(jī)大部件運(yùn)輸裝配是航空維修過(guò)程中難度較大的問(wèn)題，且在運(yùn)輸裝配時(shí)想要更好地與配套工裝實(shí)現(xiàn)調(diào)整與對(duì)接，還需要有充足的時(shí)間保障。對(duì)此，主要以麥克拉姆輪全向移動(dòng)技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)運(yùn)輸裝配全向車(chē)進(jìn)行了研究與開(kāi)發(fā)。就此車(chē)而言，其不僅應(yīng)用了速度伺服技術(shù)，而且也囊括了以多軸運(yùn)動(dòng)精確控制在內(nèi)的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，以此確保車(chē)輛基于平面狀態(tài)下的三自由度任意方向的精確移動(dòng)。這也給航空修理廠發(fā)動(dòng)機(jī)裝備和武器裝備系統(tǒng)運(yùn)輸與裝配提供了重要的技術(shù)支撐，且應(yīng)用效果可觀。

4 ?機(jī)器人技術(shù)在航空維修中應(yīng)用需要突破的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 快速逆向測(cè)量技術(shù)

客觀來(lái)講，大部分工業(yè)機(jī)器人操作時(shí)，想要對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與路徑進(jìn)行計(jì)算，需要在目標(biāo)產(chǎn)品幾何外形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上來(lái)進(jìn)行。然而，在航空維修過(guò)程中，許多上游企業(yè)會(huì)對(duì)技術(shù)進(jìn)行封鎖處理，礙于此方面的影響，不僅會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)品原始圖紙和數(shù)字化幾何模型的缺失，而且獲取幾何外形數(shù)據(jù)信息時(shí)，也只能借助專(zhuān)業(yè)逆向測(cè)量設(shè)備對(duì)外形進(jìn)行逆向測(cè)繪來(lái)獲得[2]。因此，如何以快速逆向數(shù)據(jù)處理和專(zhuān)業(yè)編輯技術(shù)的整合為載體實(shí)現(xiàn)對(duì)合格三維數(shù)模的獲取是當(dāng)下較為關(guān)鍵的技術(shù)。

4.2 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是指將機(jī)器人技術(shù)與照相測(cè)量技術(shù)整合起來(lái)的一種技術(shù)形式。通過(guò)上文闡述可知，航空維修過(guò)程中存在大量的目視檢查工作，這也決定了其對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)需求的迫切性。從理論角度來(lái)講，所有依靠目視方式來(lái)檢查的內(nèi)容，均能借助機(jī)器視覺(jué)技術(shù)來(lái)替代，且無(wú)論是質(zhì)量還是效率方面都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目視模式。尤其對(duì)于效率方面來(lái)講，其較以往傳統(tǒng)目視方式提升是多倍的。就這一過(guò)程中涉及到的圖像處理和后續(xù)軟件開(kāi)發(fā)定制而言，是構(gòu)成該項(xiàng)技術(shù)的核心與關(guān)鍵，對(duì)此，也要將此作為需要突破的核心。

4.3 離線(xiàn)編程與仿真技術(shù)

機(jī)器人執(zhí)行命令主要是靠程序來(lái)控制的，對(duì)傳統(tǒng)示教編程進(jìn)行審視可以得知，精讀不高、效率低下是其最為突出的特征，同時(shí)，在完成與目標(biāo)產(chǎn)品幾何模型數(shù)據(jù)對(duì)接任務(wù)時(shí)也存在較大難度，這都是阻礙航空定制化維修過(guò)程中應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)的重要阻礙[3]。對(duì)此，要確保機(jī)器人始終處于精確性和柔性化控制當(dāng)中，確保其與各種限制條件的契合性并順利應(yīng)用，規(guī)避有可能發(fā)生的碰撞與干涉，著重促進(jìn)編程效率的提升，因此，深入研究和應(yīng)用機(jī)器人離線(xiàn)編程系統(tǒng)尤為迫切。

4.4 高精度測(cè)量定位技術(shù)

整機(jī)除漆、噴漆是航空維修中的特殊過(guò)程，其工作范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主流工業(yè)機(jī)器人的工作半徑，具有作業(yè)區(qū)域大等特征。同時(shí)，其對(duì)于精讀要求也較高，這是現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人不能達(dá)到的。鑒于此，就要借助高精度測(cè)量裝置的輔助作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器的有效引導(dǎo)，以此促進(jìn)運(yùn)動(dòng)軌跡伺服控制的實(shí)現(xiàn)[4]。從現(xiàn)階段來(lái)講，除了可以對(duì)傳統(tǒng)激光跟蹤儀予以運(yùn)用外，還可以將室內(nèi)GPS進(jìn)行充分的應(yīng)用，尤其對(duì)于大尺寸測(cè)量來(lái)講，其適用性更強(qiáng)，一方面能夠以整體作業(yè)空間為范圍建立測(cè)量場(chǎng)，另一方面還能在滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求的基礎(chǔ)上，使機(jī)器人數(shù)量有所增長(zhǎng)的同時(shí)減少其額外測(cè)量費(fèi)用，相應(yīng)的在固定工裝投入的費(fèi)用也能得到有效的控制。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

航空維修與航空制造有著本質(zhì)性區(qū)別，在引進(jìn)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)，要改變以往照搬照抄、盲目求新的態(tài)度，而是應(yīng)該將既有的發(fā)展成熟的機(jī)器人技術(shù)作為探究的著重點(diǎn)和方向，并加大其最佳適用區(qū)域的探索，這也是拓寬機(jī)器人技術(shù)在航空維修中的深度的有效方法。從實(shí)際角度而言，雖然航空維修領(lǐng)域機(jī)器人應(yīng)用還有待發(fā)展與完善，但是近年來(lái)機(jī)器人在航空領(lǐng)域應(yīng)用獲得的良好效果與成功案例都向我們展示了其具有的光明前景。未來(lái)，航空維修市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)逐漸激烈，以先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)，促進(jìn)企業(yè)綜合實(shí)力的提升，是當(dāng)下航空維修行業(yè)的重要發(fā)展方向。

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