大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人制孔技術(shù)研究進(jìn)展

董松，鄭侃，孟丹，廖文和，孫連軍

南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094

近年來(lái)，隨著新一代航空裝備的井噴式發(fā)展，飛行器的空間構(gòu)型日趨復(fù)雜化與多樣化，其大尺度、構(gòu)型復(fù)雜、制造周期短等特點(diǎn)對(duì)中國(guó)航空航天先進(jìn)制造水平提出了新的挑戰(zhàn)。在大型復(fù)雜構(gòu)件的機(jī)械連接中，連接孔是應(yīng)力集中部位，連接孔的質(zhì)量極大地影響連接件的疲勞壽命。連接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是造成飛機(jī)失事的主要因素，據(jù)統(tǒng)計(jì)超過(guò)70%的飛機(jī)機(jī)體疲勞失效事故發(fā)生在結(jié)構(gòu)連接部位，其中超過(guò)80%的疲勞裂紋產(chǎn)生于連接孔處。同時(shí)，一架大型飛行器需要在主體結(jié)構(gòu)材料上鉆出上百萬(wàn)個(gè)鉚接孔或螺栓孔。所以提高制孔效率和加工質(zhì)量是保證飛行器使用性能和可靠性的關(guān)鍵。

相比采用傳統(tǒng)剛性型架的人工制孔方式，搭載末端執(zhí)行器的機(jī)器人制孔系統(tǒng)具有柔性化程度高、工作空間大、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。采用工業(yè)機(jī)器人取代人工對(duì)飛機(jī)部件進(jìn)行鉆孔逐漸成為研究熱點(diǎn)。2015年中國(guó)發(fā)布了《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃，將機(jī)器人制造特別是面向航空航天裝備或大部件裝配技術(shù)提升到戰(zhàn)略層面。然而，機(jī)器人的弱剛度特性導(dǎo)致其在疊層結(jié)構(gòu)的制孔中極易受鉆削阻力的影響產(chǎn)生明顯的顫振，不穩(wěn)定的鉆削狀態(tài)加劇了CFRP孔壁撕裂、分層及鋁合金毛刺等加工損傷，嚴(yán)重制約了機(jī)器人加工技術(shù)在航空制造企業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣。因此，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人在大型復(fù)雜構(gòu)件加工領(lǐng)域的高精、高效、高質(zhì)量加工必須解決機(jī)器人加工顫振和鉆削質(zhì)量控制等問(wèn)題。

從機(jī)器人制孔末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)器人制孔定位精度控制技術(shù)、機(jī)器人制孔工藝過(guò)程控制技術(shù)以及機(jī)器人制孔裝備研制方面對(duì)機(jī)器人制孔技術(shù)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行歸納和總結(jié)，并提出了大型復(fù)雜構(gòu)件機(jī)器人制孔技術(shù)的研究展望。

1 末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)

隨著集成技術(shù)的快速發(fā)展和機(jī)器人仿真技術(shù)的逐漸成熟，工業(yè)機(jī)器人位置精度、負(fù)載能力和可控性能得到了較大提升。其中，機(jī)器人制孔系統(tǒng)是一種典型的機(jī)器人自動(dòng)化加工設(shè)備，因其具有柔性好、集成化程度高、空間利用充分等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)翼、尾翼等構(gòu)件中空間狹小部位的制孔，主要包括鉆孔、鏜孔、锪孔、銑孔等，并取得了一系列的研究成果。國(guó)內(nèi)外典型的工業(yè)機(jī)器人包括ABB公司的IRB系列機(jī)器人；KUKA公司的KR系列機(jī)器人；FANUC公司的ARC、R、M系列機(jī)器人；YSKAWA公司的MC、MPL、SIA系列機(jī)器人；埃斯頓公司的ER系列機(jī)器人；新松公司的SR、T系列機(jī)器人；埃夫特公司的ER系列機(jī)器人；新時(shí)達(dá)公司的SR系列機(jī)器人等。末端執(zhí)行器的研制是機(jī)器人加工系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首要任務(wù)。因此本節(jié)將對(duì)制孔末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理。末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)主要包括多功能模塊集成技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)及基于在線監(jiān)測(cè)的反饋調(diào)節(jié)技術(shù)。

美國(guó)Electroimpact公司與空客公司聯(lián)合設(shè)計(jì)的ONCE機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)的末端執(zhí)行器，如圖1所示，其功能模塊布局緊湊，包括主軸進(jìn)給單元、外框架單元、壓緊單元、以及各類(lèi)連接件等。同時(shí)，該設(shè)備集成了多種傳感器以及壓力角等輔助模塊，采用同步相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備基準(zhǔn)的檢測(cè)，利用光電傳感器對(duì)多深度復(fù)合孔進(jìn)行分析，利用壓力腳對(duì)工件施加壓緊力避免加工過(guò)程的末端振動(dòng)。該系統(tǒng)搭載于KUKA350-2工業(yè)機(jī)器人，完成了波音F/A-18E/F翼面類(lèi)部件的緊固孔加工任務(wù)，對(duì)鋁、鈦和復(fù)合材料板料上直徑1～6 mm的孔進(jìn)行鉆锪加工，基于該設(shè)備波音公司的襟翼月產(chǎn)量高達(dá)8個(gè)。Novator公司在其軌道鉆削專(zhuān)利技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)了Orbital E-D100自動(dòng)鉆削系統(tǒng)，如圖2所示，該設(shè)備功能全面，集成了壓緊、鉆削、真空吸屑等功能模塊，重量為130 kg，經(jīng)使用證明，具備較高的加工可靠性。加工復(fù)合材料和鈦合金時(shí)具有較高的加工效率，入口和出口處的毛刺、分層等缺陷也得到有效控制，該裝置方便安裝至多自由度機(jī)器人對(duì)飛機(jī)上大型構(gòu)件連接孔進(jìn)行加工。可以發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)外末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)技術(shù)已較為成熟，基本掌握了多功能模塊集成設(shè)計(jì)、多傳感器融合信息處理以及基于在線監(jiān)測(cè)的反饋調(diào)節(jié)等關(guān)鍵技術(shù)，可在航空制造企業(yè)中落地使用。

圖1 ONCE末端執(zhí)行器[16]Fig.1 ONCE end-effector[16]

圖2 Novator公司螺旋銑孔系統(tǒng)[18]Fig.2 Spiral hole-milling system of Novator[18]

目前，面對(duì)國(guó)外末端執(zhí)行器等機(jī)器人加工核心部件的技術(shù)封鎖，各大高校開(kāi)展了自主研發(fā)的探索。浙江大學(xué)柯映林教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)了自動(dòng)鉆鉚末端執(zhí)行器，基于多傳感器在線檢測(cè)技術(shù)可智能識(shí)別并檢測(cè)定位特征、快速更換鉆頭和鉚釘。同時(shí)，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了多功能模塊的集成，可以完成制孔、锪窩、除塵、插釘?shù)炔僮?，是目前?guó)內(nèi)較為完備的自動(dòng)鉆鉚解決方案。在在線檢測(cè)的反饋調(diào)節(jié)技術(shù)方面，采用了一種基于激光跟蹤儀的閉環(huán)反饋控制方法，補(bǔ)償了由于機(jī)器人的動(dòng)、靜態(tài)誤差以及坐標(biāo)系標(biāo)定和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換過(guò)程中的累計(jì)誤差，為提高制孔和鉚接的定位精度提供了技術(shù)支撐。此外，該團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了一種螺旋銑孔末端執(zhí)行器用于制孔，利用齒輪圓弧齒條傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)主軸的左右擺動(dòng)并結(jié)合自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)完成锪橢圓窩的加工方式，設(shè)計(jì)了帶有閉環(huán)反饋的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)5 mm以?xún)?nèi)偏心量的精確自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖3所示。

圖3 浙江大學(xué)螺旋銑孔末端執(zhí)行器[21]Fig.3 End-effector of spiral hole-milling of Zhejiang University[21]

試驗(yàn)結(jié)果表明，孔的位置精度達(dá)到±0.5 mm，法向偏差優(yōu)于0.5°，锪窩深度精度達(dá)到0.02 mm。南京航空航天大學(xué)廖文和教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的特點(diǎn)和實(shí)際需求，研究開(kāi)發(fā)了一套搭載在線檢測(cè)功能的機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鉆鉚過(guò)程加工質(zhì)量的在線檢測(cè)，保證了航空零部件鉆鉚加工的質(zhì)量要求，實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)核心技術(shù)的突破。

針對(duì)末端執(zhí)行器的多功能模塊集成設(shè)計(jì)技術(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展了大量研究。大連交通大學(xué)設(shè)計(jì)了一種新型可用于機(jī)器人制孔系統(tǒng)的螺旋銑孔末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器通過(guò)直線調(diào)偏方式調(diào)整偏心量，并采用雙螺母結(jié)構(gòu)消隙保證了調(diào)節(jié)精度。包絡(luò)直徑與孔理論直徑誤差值不超過(guò)1 μm 低于直徑10～20 mm孔的 IT8等級(jí)公差。自轉(zhuǎn)速度與公轉(zhuǎn)速度對(duì)包絡(luò)直徑影響非常小，滿(mǎn)足孔的尺寸精度要求。沈陽(yáng)航空航天大學(xué)楊浩然設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)器人鉆鉚末端執(zhí)行器并使用五自由度運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和柔性壓緊機(jī)構(gòu)分別提高位置精度和法向精度。在、方向上使用雙直線電機(jī)布局，并對(duì)雙直線電機(jī)采用同步控制，提升了位置精度。金潔等設(shè)計(jì)了用于自動(dòng)鉆鉚復(fù)合加工系統(tǒng)的末端執(zhí)行器，如圖4所示，搭建加工試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試了末端執(zhí)行器關(guān)鍵零部件的性能，提出了減重優(yōu)化方法，并進(jìn)行了一系列的制孔鉚接試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該末端執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆鉚加工功能，保證制孔鉚接加工質(zhì)量，滿(mǎn)足自動(dòng)鉆鉚加工要求。

圖4 自動(dòng)鉆鉚末端執(zhí)行器[25]Fig.4 Automatic drilling and riveting end effector[25]

綜上所述，國(guó)外對(duì)于機(jī)器人制孔技術(shù)及末端執(zhí)行器的研究較早，有關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，可以投入實(shí)際生產(chǎn)使用，關(guān)鍵技術(shù)目前處于封鎖狀態(tài)。

而國(guó)內(nèi)的研究起步較晚，目前還沒(méi)有形成成熟的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)，雖然進(jìn)展較快，但大多仍處于理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試階段，相比國(guó)外還是存在很大的不足。末端執(zhí)行器的研究和應(yīng)用仍是一項(xiàng)長(zhǎng)期且艱巨的任務(wù)。

2 定位精度控制

近年來(lái)，機(jī)器人以其高度柔性化和低成本等優(yōu)勢(shì)在飛機(jī)數(shù)字化裝配領(lǐng)域引起了大量關(guān)注。機(jī)器人制孔取代傳統(tǒng)手工操作將極大地提高制孔質(zhì)量、效率，并能將工人從單調(diào)、惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)。但是機(jī)器人自身的結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致它的加工精度不高，機(jī)器人制孔的精度一方面受到機(jī)械加工精度、裝配誤差、傳動(dòng)誤差、磨損、構(gòu)型等幾何誤差因素的影響，另一方面也受到機(jī)械臂的柔性、負(fù)載變化、振動(dòng)等非幾何因素的影響。因此，諸多學(xué)者提出了提高機(jī)器人制孔系統(tǒng)精度的方法。重復(fù)定位精度和絕對(duì)定位精度是機(jī)器人的重要指標(biāo)。機(jī)器人的重復(fù)精度普遍較高可滿(mǎn)足制孔需求，如KUKA-KR210工業(yè)機(jī)器人重復(fù)精度可達(dá)±0.06 mm。機(jī)器人絕對(duì)定位精度較低，一般只有1～3 mm，而加工過(guò)程對(duì)于絕對(duì)定位精度的要求較高，尤其在航空航天領(lǐng)域，要求達(dá)到±0.5 mm 以?xún)?nèi)。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于機(jī)器人制孔的研究較早，基于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)鉆鉚技術(shù)已經(jīng)在飛機(jī)零部件上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。美國(guó)的EI公司和德國(guó)的寶捷公司是工業(yè)機(jī)器人制造的代表公司，他們的產(chǎn)品實(shí)用性較高。美國(guó)的EI公司于2002年已經(jīng)研發(fā)出了一款帶有多功能末端執(zhí)行器的自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)。其在2014年設(shè)計(jì)出了如圖5所示的自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)，通過(guò)安裝在機(jī)器人外部六個(gè)軸上的光柵尺，采用二級(jí)反饋的精度補(bǔ)償方法，使得機(jī)器人最終的絕對(duì)定位精度達(dá)到±0.25 mm。德國(guó)寶捷公司針對(duì)單通道飛機(jī)貨艙門(mén)高精度制孔需求，設(shè)計(jì)了一款集制孔和鉆鉚于一體的全自動(dòng)新型智能系統(tǒng)RACE自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)，末端執(zhí)行系統(tǒng)通過(guò)PLC控制，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)集成了精度補(bǔ)償算法，絕對(duì)定位精度達(dá)±0. 3 mm。

圖5 EI高精度自動(dòng)鉆孔系統(tǒng)[28]Fig.5 High precision automatic drilling system of EI[28]

美國(guó)克里斯托弗新港大學(xué)Wang等提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和攝像機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)器人機(jī)械手標(biāo)定方法。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法來(lái)估計(jì)機(jī)器人機(jī)械手標(biāo)定過(guò)程中的位置誤差，首先通過(guò)安裝在待校準(zhǔn)機(jī)器人末端執(zhí)行器上的攝像機(jī)獲取校準(zhǔn)空間內(nèi)各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的位置誤差，然后通過(guò)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到的位置誤差對(duì)目標(biāo)姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的雙線性分析法相比，精度大大提高。Pervaiz等針對(duì)機(jī)器人鉆孔的位置精度問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)械鉆削參考校準(zhǔn)和正交校準(zhǔn)的多傳感器測(cè)量系統(tǒng)。它使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確測(cè)量工件的位置和姿態(tài)，并建立鉆孔的參考框架。由于標(biāo)定精度和測(cè)量分辨率，多傳感器測(cè)量系統(tǒng)引入的誤差可以忽略不計(jì)，鉆孔過(guò)程的精度僅由機(jī)器人的6D位姿精度決定。提高了機(jī)器人6D位姿精度，避免了鉗口滑移，可以實(shí)現(xiàn)位置偏差小于0.1 mm，垂直偏差小于 0.2°，可以大大提高鉆削過(guò)程中的機(jī)器人位置精度，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人鉆孔過(guò)程的最高精度提供了條件。Ochoa和Cortes?o利用優(yōu)化鉆孔的過(guò)程穩(wěn)定性提高鉆孔的精度，設(shè)計(jì)了一種阻抗控制結(jié)構(gòu)。使用直徑為0.6、0.5、0.4 mm的鉆頭已成功地在垂直和非垂直插入的多個(gè)模具上開(kāi)孔，利用計(jì)算轉(zhuǎn)矩技術(shù)對(duì)刀架進(jìn)行了位姿優(yōu)化和阻抗控制設(shè)計(jì)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚系統(tǒng)的研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)大部分的研究主要依靠具有航空航天類(lèi)背景的部分高校和制造企業(yè)。其中北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校研究比較深入，有些成果已經(jīng)投入了實(shí)際加工使用。南京航空航天大學(xué)田威教授團(tuán)隊(duì)為航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司研發(fā)的一款機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)較為成熟，已經(jīng)能夠在實(shí)際生產(chǎn)加工中應(yīng)用，如圖6所示。該系統(tǒng)采用倍福(Beckoff)公司EtherCAT通信協(xié)議，通過(guò)軟PLC將硬件與工控系統(tǒng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。以KUKA機(jī)器人為載體，通過(guò)在機(jī)器人末端集成執(zhí)行器，使用精度補(bǔ)償算法提高機(jī)器人的絕對(duì)定位精度，利用激光位移傳感器進(jìn)行機(jī)器人法向位姿的調(diào)整。該系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度為±0.3 mm，法向偏差為0.3°，制孔效率可達(dá)到3～4個(gè)/min。此外他們又提出一種工業(yè)機(jī)器人作業(yè)誤差分級(jí)補(bǔ)償策略，將工業(yè)機(jī)器人分為空載狀態(tài)與負(fù)載狀態(tài)，通過(guò)分析不同的誤差來(lái)源提出相應(yīng)的誤差補(bǔ)償方法，試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)載狀態(tài)下的機(jī)器人定位誤差從0.959 mm 降低到0.217 mm。

圖6 南京航空航天大學(xué)自動(dòng)制孔系統(tǒng)[36]Fig.6 Automatic drilling system of NUAA [36]

浙江大學(xué)基于KUKA機(jī)器人使用多功能末端執(zhí)行器來(lái)執(zhí)行制孔、鉚接等裝配任務(wù)，如圖7所示。采用激光跟蹤儀作為跟蹤和反饋設(shè)備，使用VC++編寫(xiě)了一套控制軟件，對(duì)中央處理器、機(jī)器人、末端執(zhí)行器和激光跟蹤儀組成的全閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使得末端的定位精度更高。但是激光跟蹤儀必須時(shí)刻配備在現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致整套系統(tǒng)更加復(fù)雜，造價(jià)更高。此外，他們研發(fā)了一種螺旋銑孔末端執(zhí)行器用于制孔，試驗(yàn)結(jié)果表明，孔的位置精度達(dá)到±0.5 mm，法相偏差優(yōu)于0.5°，锪窩深度精度達(dá)到0.02 mm。而北京航空航天大學(xué)所研究的集成控制系統(tǒng)主要完成制孔鉚接功能，集成控制系統(tǒng)基于主從架構(gòu)，利用RS232的通信方式實(shí)現(xiàn)功能，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。

圖7 浙江大學(xué)研制的自動(dòng)鉆鉚設(shè)備[39]Fig.7 Automatic drilling and riveting equipment developed by Zhejiang University[39]

上海大學(xué)Shen等則是采用加工前機(jī)器人鉆削系統(tǒng)剛度優(yōu)化和加工過(guò)程中孔位誤差補(bǔ)償相結(jié)合的方法。首先，通過(guò)優(yōu)化電機(jī)主軸與機(jī)器人端面法蘭的安裝角度，獲得機(jī)器人鉆孔系統(tǒng)在某一加工任務(wù)中的最大工作剛度，為孔位的高精度加工奠定了基礎(chǔ)。然后，根據(jù)待鉆孔的位置，考慮機(jī)器人末端受力變形和機(jī)器人絕對(duì)定位誤差進(jìn)行誤差補(bǔ)償。結(jié)果表明，在所有機(jī)器人鉆孔試驗(yàn)中，孔位誤差均顯著降低，平均降幅達(dá)84.45%，證明該方法是提高機(jī)器人鉆孔定位精度的一種實(shí)用有效的方法。

3 工藝過(guò)程控制技術(shù)

3.1 穩(wěn)定性

機(jī)器人制孔穩(wěn)定性研究主要包括穩(wěn)定性線下預(yù)測(cè)與參數(shù)優(yōu)化、局部剛度強(qiáng)化及顫振在線監(jiān)測(cè)與反饋調(diào)節(jié)3個(gè)方面。在機(jī)器人制孔穩(wěn)定性預(yù)測(cè)方面，南京航空航天大學(xué)沈孝棟針對(duì)普通麻花鉆結(jié)構(gòu)，給定幾組機(jī)器人姿態(tài)，在保持鉆頭高度位置和進(jìn)給方向一致的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，結(jié)果顯示在不同參數(shù)組合情況下，主軸轉(zhuǎn)速越高，穩(wěn)定性越好。在 Matlab/Simulink 中建立積分反饋模型，并編制相應(yīng)的運(yùn)行程序，分析鉆孔過(guò)程中的機(jī)器人系統(tǒng)的各種變化，如關(guān)節(jié)變形、末端顫動(dòng)等，這些變化影響了制孔的軸線精度、引起鉆削力的波動(dòng)，鉆削力波動(dòng)同樣又作用于機(jī)器人末端，如此形成閉環(huán)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并計(jì)算機(jī)器人鉆削系統(tǒng)的振動(dòng)頻率。南京理工大學(xué)廖文和教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)在機(jī)器人鉆削過(guò)程中施加超聲場(chǎng)能實(shí)現(xiàn)了橫向顫振的抑制和鋁板出口毛刺的降低，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明超聲場(chǎng)能攝入后機(jī)器人鉆削穩(wěn)定性提高了67%，鋁板出口毛刺降幅超過(guò)40%。

圖8 不同參數(shù)組合時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性狀態(tài)[43]Fig.8 Stability state of system for different parameters combination[43]

圖9 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)超聲鉆削CFRP/Al疊層構(gòu)件[44]Fig.9 Robotic rotary ultrasonic drilling of CFRP/Al laminated components[44]

通過(guò)局部剛度強(qiáng)化提升鉆削系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究方面，浙江大學(xué)方強(qiáng)等針對(duì)壓腳對(duì)鏜孔穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，分別繪制了壓腳壓力處于0.3、0.1、0 MPa 三種情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性葉瓣圖，結(jié)果如圖10所示。機(jī)器人鏜孔系統(tǒng)的穩(wěn)定鏜削深度隨著氣動(dòng)壓腳的引入和壓腳壓力的增大而進(jìn)一步拓展，系統(tǒng)的加工穩(wěn)定性增強(qiáng)。在實(shí)際機(jī)器人鏜孔應(yīng)用中，考慮到過(guò)大的壓腳壓力使機(jī)器人產(chǎn)生過(guò)大的靜態(tài)變形對(duì)機(jī)器人鏜孔精度的影響，實(shí)際加工過(guò)程中一般設(shè)定壓腳壓力為0.3 MPa，可滿(mǎn)足加工穩(wěn)定要求。von Drigalski等設(shè)計(jì)了一款如圖11所示的具有高摩擦減振腳的末端執(zhí)行器，在鉆削過(guò)程中減震腳壓在工件上，以增加穩(wěn)定性，單獨(dú)的線性執(zhí)行器，用以推進(jìn)鉆頭。此結(jié)構(gòu)減輕了機(jī)器人手臂推進(jìn)和穩(wěn)定鉆頭的任務(wù)，機(jī)器人的任務(wù)僅是定位和握住末端執(zhí)行器。但由于減振裝置過(guò)于復(fù)雜，容易限制末端的自由度、增加額外負(fù)載，且成本過(guò)高。浙江大學(xué)柯映林教授團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)在機(jī)器人鏜孔加工過(guò)程中，產(chǎn)生的振動(dòng)是來(lái)自機(jī)器人本身的帶位移反饋的受迫振動(dòng)，而不是傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床中鏜桿的振動(dòng)。據(jù)此提出了一種利用壓力角抑制機(jī)器人在鏜孔過(guò)程中的振動(dòng)的方法。機(jī)器人剛度模型為橢圓，如圖12所示，在和方向上，剛度的最大值為，最小值為。以和為坐標(biāo)軸時(shí)，機(jī)器人剛度矩陣為對(duì)角線，可以消除耦合問(wèn)題。利用壓力腳抑制機(jī)器人在鏜孔過(guò)程中的振動(dòng)。結(jié)果表明，當(dāng)壓腳與工件之間的摩擦力足夠大時(shí)，可以完全抑制機(jī)器人的振動(dòng)。

圖10 壓腳作用下機(jī)器人鏜孔穩(wěn)定性分析[45]Fig.10 Stability analysis of robotic boring under presser foot action[45]

圖11 具有高摩擦減振腳的末端執(zhí)行器[46]Fig.11 End-effector with high-friction vibration-damping feet[46]

圖12 機(jī)器人鏜孔剛度分析[20]Fig.12 Stiffness analysis of robotic Boring[20]

在機(jī)器人制孔顫振監(jiān)測(cè)與反饋調(diào)節(jié)方面，上海交通大學(xué)劉成良教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于同步提取變換的早期顫振識(shí)別方法，首先通過(guò)同步提取變換(SET)獲得振動(dòng)信號(hào)的高分辨率時(shí)頻表示。然后，將振動(dòng)信號(hào)分成有限個(gè)頻帶，保留SET的最大系數(shù)，得到相應(yīng)的子信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)能量熵捕獲顫振躍遷過(guò)程中能量分布的不均勻變化，能夠有效地檢測(cè)出顫振的早期狀態(tài)。同時(shí)，如圖13所示，在= 0.205 s左右出現(xiàn)了較為明顯的顫振頻率，基于同步擠壓的方法檢測(cè)到= 0.183 s時(shí)刻的顫振。浙江大學(xué)董輝躍等針對(duì)機(jī)器人精鏜飛機(jī)交點(diǎn)孔時(shí)容易出現(xiàn)顫振，影響加工表面質(zhì)量的問(wèn)題，通過(guò)分析顫振發(fā)生時(shí)的壓腳位移信號(hào)，提出了一種經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分模態(tài)分解和HHT方法的識(shí)別和預(yù)測(cè)機(jī)器人鏜孔系統(tǒng)顫振的新方法，通過(guò)兩次正交實(shí)驗(yàn)比較各IMF的Hilbert-Huang譜發(fā)現(xiàn)：當(dāng)出現(xiàn)顫振時(shí)第一個(gè)IMF的變化最明顯。從能量的角度來(lái)看，這種變化是由刀具與工件之間的自激振動(dòng)產(chǎn)生的。因此，可以將第一個(gè)IMF作為識(shí)別能量最大的機(jī)器人鏜削顫振的主體。穩(wěn)定鏜孔過(guò)程中，瞬時(shí)頻率基本隨時(shí)間保持不變，而在顫振發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)頻率由低到高變化。隨著時(shí)間推移，顫振頻率主要集中在500 Hz，系統(tǒng)逐漸達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。基于該方法可實(shí)現(xiàn)最多0.6 s的顫振信號(hào)提前獲取。此外，機(jī)器人位姿的變化對(duì)機(jī)器人工作空間及刀尖處動(dòng)力學(xué)特性有重要的影響，從而加劇了穩(wěn)定性解析的復(fù)雜程度，在線調(diào)整機(jī)器人切削參數(shù)時(shí)應(yīng)同時(shí)改變機(jī)器人位姿參數(shù)以避免加工顫振。

圖13 振動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果及相應(yīng)的譜圖[48]Fig.13 Detection results of vibration signals and the corresponding spectra[48]

3.2 鉆削質(zhì)量控制

目前，針對(duì)機(jī)器人鉆削定位精度的研究已相對(duì)成熟，但航空制造企業(yè)更關(guān)注的目標(biāo)為機(jī)器人鉆削的孔精度及加工質(zhì)量，如孔徑偏差、圓度、表面粗糙度及出口毛刺高度等技術(shù)指標(biāo)。部分學(xué)者從提高機(jī)器人制孔系統(tǒng)剛度從而保證鉆削質(zhì)量的角度進(jìn)行了研究。Tian等從機(jī)器人的弱剛度特性出發(fā)建立了預(yù)壓力作用下的等效剛度模型，基于剛度提升系數(shù)定量評(píng)價(jià)了預(yù)壓力作用下的等效剛度。提出了機(jī)器人鉆削姿態(tài)與鉆削力的匹配準(zhǔn)則，并在穩(wěn)定加工條件下預(yù)測(cè)了壓力的最優(yōu)值。Dong等針對(duì)機(jī)器人鉆削疊層構(gòu)件的出口毛刺問(wèn)題，提出采用超聲振動(dòng)加工與機(jī)器人鉆削相結(jié)合的方法來(lái)提升鉆削穩(wěn)定性并抑制毛刺尺寸。同時(shí)，結(jié)合毛刺形成理論、薄板變形理論及能量守恒定律，構(gòu)建了包含機(jī)器人鉆削參數(shù)、超聲加工參數(shù)及材料屬性等因素的毛刺高度理論預(yù)測(cè)模型，揭示了超聲振動(dòng)對(duì)疊層結(jié)構(gòu)出口毛刺的抑制作用。出口毛刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，超聲振動(dòng)加工的引入有效降低了毛刺高度，毛刺高度最大降幅達(dá)到了41.2%，如圖14所示。費(fèi)少華等針對(duì)解決機(jī)器人自動(dòng)制孔過(guò)程中由于飛機(jī)壁板變形和振動(dòng)引起的锪孔深度控制問(wèn)題，提出將末端執(zhí)行器壓腳位移作為實(shí)時(shí)補(bǔ)償信號(hào)的制孔進(jìn)給量全閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)可將加工孔的锪孔深度誤差控制在0.02 mm以?xún)?nèi)，表面粗糙度達(dá)到0.8 μm。

圖14 機(jī)器人超聲鉆削毛刺高度研究[52]Fig.14 Burr height study of robotic ultrasonic drilling[52]

4 裝備研制

4.1 工業(yè)機(jī)器人制孔裝備

美國(guó)Electroimpact公司與空客公司合作研制了一套機(jī)器人自動(dòng)鉆削系統(tǒng)(ONCE)，用于波音超級(jí)大黃蜂機(jī)翼后緣襟翼的鉆孔及锪窩工作，在厚度為25.4 mm的鈦合金飛機(jī)部件上加工直徑為9.5 mm孔時(shí)，將锪窩深度誤差控制在0.064 mm以?xún)?nèi)。ONCE系統(tǒng)以KUKA機(jī)器人為基礎(chǔ)，由機(jī)械臂末端攜帶多功能末端執(zhí)行器組成加工主體，并配合視覺(jué)檢測(cè)單元提升制孔精度，如圖15所示，在其可達(dá)空間內(nèi)能完成鉆孔、锪孔等工作，其對(duì)鈦合金、鋁合金和CFRP等航空材料進(jìn)行制孔的精度能夠達(dá)到H8，加工孔徑范圍為3.73 mm至9.525 mm，孔的位置偏差小于±1.5 mm。

圖15 ONCE系統(tǒng)[54]Fig.15 ONCE system[54]

德國(guó)寶捷為歐洲直升機(jī)公司研發(fā)了RACE系統(tǒng)，如圖16所示。該系統(tǒng)由機(jī)器人攜帶多功能末端執(zhí)行器構(gòu)成，其定位精度比ONCE更高，定位誤差小于±0.3 mm，并將其用于應(yīng)用于B737內(nèi)側(cè)襟翼2150多個(gè)孔的加工，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)制孔、循環(huán)鉚接以及涂膠密封等功能。瑞典N(xiāo)ovator公司最早開(kāi)始螺旋銑孔專(zhuān)用加工設(shè)備的設(shè)計(jì)，針對(duì)飛機(jī)裝配中疊層結(jié)構(gòu)的制孔需求，開(kāi)發(fā)了一款E-D100型螺旋銑孔末端執(zhí)行器，以工業(yè)機(jī)器人為搭載平臺(tái)，并通過(guò)HSK32刀柄裝夾刀具，偏心調(diào)節(jié)范圍0～5 mm，最大制孔直徑25 mm，重量約130 kg。Novator公司將其使用于鈦合金和復(fù)合材料上進(jìn)行制孔測(cè)試。巴西航空理工學(xué)院的Eguti和Trabasso在工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上研制了一種螺旋銑孔多功能末端執(zhí)行器，如圖17所示。該機(jī)器人銑孔系統(tǒng)搭配了壓腳、視覺(jué)相機(jī)和法向檢測(cè)裝置，用啟動(dòng)馬達(dá)來(lái)作為主軸驅(qū)動(dòng)力。制孔直徑由銑刀直徑和偏心量決定，偏心量則通過(guò)固定螺釘調(diào)整襯墊位置調(diào)節(jié)。機(jī)器人螺旋銑孔驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在進(jìn)給速度為50 mm/min時(shí)孔徑偏差最小，孔徑精度能夠達(dá)到±13 μm。Frommknecht等將多傳感器測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人，如圖18所示。傳感器系統(tǒng)可以測(cè)量出機(jī)器人相對(duì)于工件的六維姿態(tài)并建立起機(jī)器人的參考坐標(biāo)系。利用多傳感器輔助測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)使機(jī)器人接近鉆孔點(diǎn)并與工件進(jìn)行正交對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端較高的定位精度和較小的垂直度偏差，機(jī)器人鉆孔精度得到較大程度地提高。國(guó)外的機(jī)器人制孔設(shè)備主要形式為以KUKA等專(zhuān)業(yè)機(jī)器人為載體，并搭載專(zhuān)用執(zhí)行末端和算法來(lái)搭建。多數(shù)的主控系統(tǒng)能將孔的定位誤差控制在±0.3 mm，且制孔效率較高。

圖16 RACE系統(tǒng)[56]Fig.16 RACE system[56]

圖17 Eguti和Trabasso研制的螺旋銑孔系統(tǒng)[58]Fig.17 Spiral hole-milling system developed by Eguti and Trabasso[58]

圖18 Frommknecht研制的鉆鉚系統(tǒng)[59]Fig.18 Drilling and riveting system developed by Frommknecht[59]

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的各大飛機(jī)制造廠商紛紛與研究院所和高校合作研發(fā)機(jī)器人制孔系統(tǒng)。北京航空航天大學(xué)與航空工業(yè)沈飛股份有限公司共同研制了一套制孔末端執(zhí)行器用于飛機(jī)部件的加工，初步具備了各項(xiàng)基本功能，搭建機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)，并研究了末端執(zhí)行器的安裝方式對(duì)機(jī)器人可達(dá)性、操作性和關(guān)節(jié)使用度等性能的影響，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6 mm孔時(shí)，可將孔徑誤差控制在0.04 mm以?xún)?nèi)，孔定位精度達(dá)0.3 mm，并且每分鐘制孔數(shù)量能達(dá)到4個(gè)每分鐘。南京航空航天大學(xué)田威教授團(tuán)隊(duì)與航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司合作研發(fā)了機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)。該系統(tǒng)以KUKA機(jī)器人為載體，在機(jī)器人末端集成鉆削執(zhí)行器。該系統(tǒng)的絕對(duì)定位精度為±0.3 mm，法向偏差為0.3°，制孔效率可達(dá)到3～4個(gè)/min。浙江大學(xué)在交點(diǎn)孔的精鏜加工方式上，設(shè)計(jì)了一種配合安裝在工業(yè)機(jī)器人上的專(zhuān)用制孔執(zhí)行器，如圖19和圖20所示，并且對(duì)機(jī)器人的弱剛性、定位差、鏜孔顫振等問(wèn)題進(jìn)行了研究；應(yīng)用了位姿優(yōu)化、顫振抑制和誤差補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)機(jī)器人加工的問(wèn)題。

圖19 浙江大學(xué)機(jī)器人鏜孔系統(tǒng)[63]Fig.19 Robot boring system of Zhejiang University[63]

圖20 鏜孔執(zhí)行器[63]Fig.20 Boring end-effector[63]

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，如圖21 所示。東北大學(xué)設(shè)計(jì)制造了五自由度機(jī)器人，如圖22所示，機(jī)器人手腕由俯仰和傾斜兩個(gè)自由度組成。機(jī)器人手臂采用平行四邊形框架，由直線電動(dòng)氣缸沿對(duì)角線方向驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠采用帶預(yù)緊力的雙絲杠螺母，以消除反向側(cè)隙。此外，腰部和手腕各自由度采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用抗側(cè)隙控制方法消除齒輪側(cè)隙。鉆削加工實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人可以提供比工業(yè)機(jī)器人更好的剛度，有利于提高機(jī)器人鉆孔質(zhì)量。湖北工業(yè)大學(xué)夏自祥等將機(jī)器人激光制孔與視覺(jué)技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于視覺(jué)引導(dǎo)的機(jī)器人激光制孔控制系統(tǒng)，相對(duì)傳統(tǒng)制孔系統(tǒng)，此系統(tǒng)不需要夾具，且精度滿(mǎn)足要求。

圖21 北京航空制造工程研究所研制的機(jī)器人鉆鉚系統(tǒng)[64]Fig.21 Robot drilling and riveting system developed by AVIC Manufacturing Institute[64]

圖22 五自由度機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人剛度對(duì)比[65]Fig.22 Stiffness comparison between 5-DOF robot and industrial robot[65]

目前國(guó)內(nèi)的機(jī)器人制孔設(shè)備大多是高等院校研制的，受制于工業(yè)機(jī)器人的來(lái)源，廣泛使用了國(guó)外的工業(yè)機(jī)器人平臺(tái)。形成了國(guó)內(nèi)僅研究末端執(zhí)行器和控制算法的局面，幾乎無(wú)法從機(jī)器人載體和關(guān)鍵核心部件(如減速器、伺服系統(tǒng)和控制器)上進(jìn)行新方法和新技術(shù)的突破，且制孔精度較國(guó)外先進(jìn)水平仍有差距。另外，整體制孔設(shè)備的自動(dòng)化程度也相對(duì)較低，通常需要伴隨著人員的跟隨操作，高自動(dòng)化制孔設(shè)備亟待深入開(kāi)發(fā)和研究。

4.2 柔性導(dǎo)軌及爬行機(jī)器人制孔裝備

柔性導(dǎo)軌自動(dòng)鉆孔設(shè)備主要在飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大型零件的裝配中使用。柔性導(dǎo)軌利用真空吸盤(pán)附著于機(jī)身、機(jī)翼等平緩大曲面上并進(jìn)行自動(dòng)鉆鉚，制孔執(zhí)行器相對(duì)于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)并完成制孔作業(yè)，具有效率高、方便靈活等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)導(dǎo)軌完成固定后，需要借助定位手段來(lái)保證制孔的精度，且在完成一次導(dǎo)軌的鋪設(shè)之后就完成覆蓋范圍內(nèi)的所有制孔任務(wù)；重新鋪設(shè)導(dǎo)軌和完成精度定位后，就可進(jìn)行下一工作區(qū)域的制孔任務(wù)。

美國(guó)的AIT(Advanced Integration Technology)和EI為國(guó)外較為領(lǐng)先的柔性導(dǎo)軌設(shè)備的主要生產(chǎn)公司。AIT公司開(kāi)發(fā)的柔性軌鉆鉚設(shè)備，在波音F/A-18E/F機(jī)翼及空客A340平尾壁板的鉆鉚作業(yè)中被大量使用，其包含3個(gè)移動(dòng)軸和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，如圖23所示。EI公司和波音聯(lián)合開(kāi)發(fā)的柔性軌道制孔系統(tǒng)，如圖24所示，用于機(jī)身段對(duì)接孔位的制孔，能進(jìn)行法向檢測(cè)及校準(zhǔn)和壓力腳壓緊，具有真空吸附組合式柔性導(dǎo)軌以及五軸制孔執(zhí)行器。國(guó)內(nèi)的北京航空制造工程研究所研發(fā)了一臺(tái)型號(hào)為BAA300的柔性導(dǎo)軌制孔設(shè)備，如圖25所示，在經(jīng)過(guò)設(shè)備的調(diào)試后制孔合格率為97.7%，且制孔精度為H9，能應(yīng)用于ARJ21和C919機(jī)身段對(duì)接區(qū)的自動(dòng)制孔。上海交通大學(xué)研制了一臺(tái)柔性導(dǎo)軌制孔機(jī)器人，如圖26所示，研究了柔性導(dǎo)軌變形而帶來(lái)的間隙誤差。并開(kāi)展了工藝試驗(yàn)，分析了疊層板鉆孔時(shí)鉆削參數(shù)對(duì)毛刺的影響，為切削工藝優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。湖北工業(yè)大學(xué)馮康瑞針對(duì)大曲率、表面情況復(fù)雜的汽車(chē)車(chē)身覆蓋件機(jī)器人激光切割運(yùn)動(dòng)控制難度高、生產(chǎn)效率低以及機(jī)器人激光切割不能滿(mǎn)足小孔加工精度要求的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了高精度運(yùn)動(dòng)控制器和十字滑臺(tái)組成數(shù)控切割微系統(tǒng)，可切割直徑為0.5 mm的小圓，精度達(dá)到0.03 mm，運(yùn)行速度可達(dá)18 m/min，極大提高了生產(chǎn)效率。

圖23 AIT公司柔性導(dǎo)軌系統(tǒng)[67]Fig.23 Flexible rail system of AIT[67]

圖24 EI公司柔性導(dǎo)軌系統(tǒng)[67]Fig.24 Flexible rail system of EI[67]

圖25 BAA300柔性導(dǎo)軌自動(dòng)制孔設(shè)備[68]Fig.25 BAA300 flexible track automatic drilling equipment[68]

圖26 上海交通大學(xué)柔性導(dǎo)軌系統(tǒng)[69]Fig.26 Flexible rail system of Shanghai Jiao Tong University[69]

爬行機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)類(lèi)似于柔性導(dǎo)軌制孔系統(tǒng)的自動(dòng)化裝配設(shè)備。制孔執(zhí)行器被安裝于一臺(tái)爬行機(jī)器人上，這類(lèi)爬行機(jī)器人具有多組真空吸盤(pán)，可以吸附并固定于待加工工件表面。爬行機(jī)器人自身具有一定的位置尋找和校準(zhǔn)的功能，對(duì)于小范圍的加工速度要快于導(dǎo)軌制孔，在進(jìn)行局部區(qū)域和鋪設(shè)軌道不方便等的零件表面鉆鉚作業(yè)時(shí)，爬行機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)具有靈活性強(qiáng)、便攜度高的優(yōu)點(diǎn)。法國(guó)的Alema Automation公司的爬行機(jī)器人約150 kg，其進(jìn)行爬行和定位制孔依靠多組小吸盤(pán)吸于零件表面，如圖27 所示。由于爬行機(jī)器人經(jīng)過(guò)爬行之后產(chǎn)生的定位誤差較大，因此在鉆孔之前進(jìn)行了第二次視覺(jué)檢測(cè)、方向的誤差，在離線編程軟件中進(jìn)行誤差補(bǔ)償，計(jì)算出待加工孔在當(dāng)前設(shè)備坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，從而提高制孔的精度。西班牙的M.Torres公司的爬行機(jī)器人制孔系統(tǒng)，如圖28 所示，采用八個(gè)真空吸盤(pán)的內(nèi)外組合方式吸附于飛機(jī)表面，移動(dòng)時(shí)交替移動(dòng)，且移動(dòng)的時(shí)候至少有四個(gè)吸盤(pán)處于吸附狀態(tài)，提高了整體的可靠性，同時(shí)，其編程系統(tǒng)可以自動(dòng)獲取加工基準(zhǔn)和定位到代加工區(qū)域進(jìn)行制孔作業(yè)。國(guó)內(nèi)南京航空航天大學(xué)廖文和教授團(tuán)隊(duì)與中航商飛上海飛機(jī)制造有限公司合作研制了一臺(tái)爬行自動(dòng)制孔機(jī)器人系統(tǒng)，如圖29所示，該系統(tǒng)由內(nèi)外兩個(gè)框架固定八個(gè)真空吸盤(pán)吸附行走?？刂葡到y(tǒng)采用的是軟數(shù)控系統(tǒng)，利用PC平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)緊湊、組件簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，且系統(tǒng)響應(yīng)速度快，計(jì)算精度高，便于維護(hù)和軟硬件升級(jí)。

圖27 Alema Automation爬行制孔機(jī)器人[73]Fig.27 Crawling hole-making robot of Alema Automation[73]

圖28 M.Torres爬行機(jī)器人系統(tǒng)[74]Fig.28 Crawling robot system of M.Torres[74]

圖29 南京航空航天大學(xué)爬行機(jī)器人系統(tǒng)[75]Fig.29 Crawling robot system of NUAA[75]

相比于國(guó)外先進(jìn)的飛機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)大多仍以傳統(tǒng)的人工加工為主，設(shè)備較為落后，且加工效率不高、精度低，難以滿(mǎn)足當(dāng)下新飛機(jī)的加工需求，所以研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量自動(dòng)化裝配設(shè)備刻不容緩。在自主移動(dòng)機(jī)器人制孔系統(tǒng)方面，國(guó)內(nèi)的研究成果還不具備在大飛機(jī)表面環(huán)向與航向任意位置穩(wěn)定吸附行走和精確加工的能力，大多仍處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段，在任意斜面穩(wěn)定吸附行走技術(shù)、基準(zhǔn)檢測(cè)與法向找正技術(shù)、模塊化集成控制技術(shù)等方面還有待深入研究，還有大量的技術(shù)瓶頸和工程難題需要被打破與攻克。

5 總結(jié)與展望

對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)器人制孔技術(shù)的研究工作進(jìn)行了總結(jié)，主要包括機(jī)器人制孔末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)技術(shù)、機(jī)器人制孔定位精度控制技術(shù)、機(jī)器人制孔工藝過(guò)程控制技術(shù)以及機(jī)器人制孔裝備研制4個(gè)方面。隨著航空航天裝備的快速發(fā)展，大型復(fù)雜構(gòu)件制孔需求逐步增加，機(jī)器人鉆削技術(shù)研究成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。與數(shù)控機(jī)床相比，機(jī)器人加工環(huán)境更加復(fù)雜多變，盡管機(jī)器人制孔裝備以及機(jī)器人靜態(tài)定位精度的研究工作取得了很多成果，但對(duì)機(jī)器人加工過(guò)程受動(dòng)態(tài)載荷的加工穩(wěn)定性及鉆削質(zhì)量控制技術(shù)仍有較大的研究空間。針對(duì)航空航天領(lǐng)域制孔工藝高精、高質(zhì)、高效加工需求，提出了未來(lái)機(jī)器人制孔技術(shù)的研究包括以下4個(gè)方面：

1) 多能場(chǎng)復(fù)合機(jī)器人制孔技術(shù)研究。多能場(chǎng)(如超聲振動(dòng)、激光等)復(fù)合機(jī)器人加工工藝在材料去除機(jī)理、制孔效率及質(zhì)量改善等方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。然而，多能場(chǎng)耦合作用對(duì)弱剛度機(jī)器人鉆削穩(wěn)定性、材料去除機(jī)理、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律仍需深入研究。同時(shí)，多能場(chǎng)引入對(duì)機(jī)器人鉆削大型復(fù)雜構(gòu)件服役性能的影響值得進(jìn)一步探討。

2) 大孔徑多疊層構(gòu)件的機(jī)器人制孔技術(shù)研究。大孔徑多疊層構(gòu)件制孔存在鉆削軸向力大、鉆削力突變等嚴(yán)重問(wèn)題，對(duì)機(jī)器人鉆削系統(tǒng)的承載能力及系統(tǒng)靜態(tài)剛性提出了更高的要求。同時(shí)，鉆削力的多次突變也對(duì)機(jī)器人鉆削過(guò)程穩(wěn)定性解析提出了巨大挑戰(zhàn)。因此，多疊層臨界面的動(dòng)力學(xué)表征與穩(wěn)定域的時(shí)變特性是研究大孔徑多疊層構(gòu)件機(jī)器人制孔的難點(diǎn)。

3) 大型復(fù)雜構(gòu)件多機(jī)器人協(xié)同鉆削研究。大型復(fù)雜構(gòu)件的加工與裝配過(guò)程中，采用多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)可以進(jìn)一步提高加工效率。然而多機(jī)器人同時(shí)對(duì)構(gòu)件開(kāi)展鉆削，必然在加工動(dòng)力學(xué)模型中引入多個(gè)動(dòng)態(tài)載荷。因此，多激勵(lì)源的振動(dòng)能量場(chǎng)傳遞模式與機(jī)理、多激勵(lì)源的振動(dòng)耦合影響機(jī)制是多機(jī)器人協(xié)同鉆削研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

4) 基于深度學(xué)習(xí)算法的機(jī)器人鉆削自適應(yīng)技術(shù)研究。采用人工智能算法開(kāi)展多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合研究，實(shí)現(xiàn)鉆削顫振的精準(zhǔn)識(shí)別。同時(shí)，基于機(jī)器人鉆削動(dòng)力學(xué)分析與穩(wěn)定域范圍實(shí)現(xiàn)切削參數(shù)的智能調(diào)節(jié)，有效避免持續(xù)顫振造成的制孔損傷。該研究方向中多傳感器信息感知融合、基于人工智能技術(shù)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與反饋等問(wèn)題必將成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。