機(jī)器人型裝備在航空裝配中的應(yīng)用現(xiàn)狀與研究展望

王皓，陳根良

1.上海交通大學(xué) 上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

航空工業(yè)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)、工業(yè)發(fā)展和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。航空產(chǎn)品裝配具有結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，組成零件種類多、數(shù)量大以及作業(yè)任務(wù)繁復(fù)等特點(diǎn)，以大型客機(jī)為例，其部件裝配工作量占整個(gè)產(chǎn)品制造周期50%以上。因此，裝配技術(shù)的先進(jìn)性很大程度上決定了航空產(chǎn)品的制造成本、生產(chǎn)周期和最終質(zhì)量，是一個(gè)國(guó)家航空工業(yè)發(fā)展水平的核心指標(biāo)。

由于零件形狀復(fù)雜、大小各異，裝配作業(yè)任務(wù)需求迥異且工作空間狹小(特別是機(jī)身內(nèi)部封閉環(huán)境)，難以采用通用工裝設(shè)備對(duì)不同類型零件實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化裝配。因此，航空產(chǎn)品零部件裝配目前仍以工人手動(dòng)作業(yè)為主，導(dǎo)致裝配精度低、生產(chǎn)效率慢以及質(zhì)量一致性差等諸多問(wèn)題，成為制約航空工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。

機(jī)器人型裝備具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)動(dòng)靈活性好、定位精度高以及生產(chǎn)布置柔性可重構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且可以與大行程龍門(mén)行車(chē)、移動(dòng)AGV(Automated Guided Vehicle)作業(yè)平臺(tái)等相互配合，實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度、高柔性和自適應(yīng)裝配作業(yè)。因此，機(jī)器人型裝備成為提高航空工業(yè)零部件裝配自動(dòng)化水平和柔性化程度的重要途徑，也是當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文從大部件自動(dòng)化對(duì)接、人機(jī)協(xié)作裝配與人工智能輔助作業(yè)等方面，綜述了機(jī)器人型裝備應(yīng)用于航空裝配的研究現(xiàn)狀，分析了裝備構(gòu)型的演進(jìn)歷程，發(fā)展趨勢(shì)和國(guó)內(nèi)外航空工業(yè)在零部件自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的技術(shù)差距，系統(tǒng)概括了機(jī)器人型裝備開(kāi)發(fā)和研制的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及與工業(yè)4.0、智能制造等新興技術(shù)相融合的發(fā)展機(jī)遇。

1 大部件自動(dòng)對(duì)接裝備

1.1 國(guó)外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代開(kāi)始，為了提高大型客機(jī)的生產(chǎn)效率，國(guó)外航空工業(yè)大力發(fā)展飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大型部件的自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)。發(fā)展至今，在波音公司和空中客車(chē)公司等國(guó)外主流航空制造企業(yè)中，基于柔性調(diào)姿裝備的大型部件自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)已完全取代傳統(tǒng)的利用專用剛性工裝進(jìn)行定位的對(duì)接方式，集成了高精度激光測(cè)量、自動(dòng)化調(diào)姿匹配和柔性化伺服定位等先進(jìn)技術(shù)，大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)大大提高了航空產(chǎn)品制造的對(duì)接精度和裝配效率。

自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)發(fā)展初期，以空中客車(chē)公司和波音公司為代表的國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)著力推動(dòng)了數(shù)字化裝配技術(shù)，發(fā)展了一套由激光測(cè)量單元、伺服定位機(jī)構(gòu)、最優(yōu)匹配算法以及自動(dòng)控制軟件等組成的大部件自動(dòng)對(duì)接裝配系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于大型客機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等大型部段的對(duì)接裝配。20世紀(jì)80年代末，美國(guó)先進(jìn)集成技術(shù)公司(Advanced Integration Technology，AIT)研制了一套用于飛機(jī)大部段裝配的自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)，其定位機(jī)構(gòu)為由機(jī)械傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)組成的一套自動(dòng)化千斤頂。其中，每臺(tái)定位器可實(shí)現(xiàn)沿、、3個(gè)方向的精確伺服運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)多臺(tái)定位器之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即可按預(yù)定規(guī)劃方式實(shí)現(xiàn)飛機(jī)大部段的整體調(diào)姿定位。此套自動(dòng)化對(duì)接裝配系統(tǒng)已被波音公司所采納，并成功應(yīng)用于787機(jī)型的總段對(duì)接裝配中，如圖1所示。

圖1 波音787機(jī)身總段自動(dòng)對(duì)接[3]Fig.1 Fuselage assembly of Boeing 787[3]

此后，波音公司將數(shù)字化大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)作為其降低飛機(jī)制造成本、提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要戰(zhàn)略措施。利用此項(xiàng)技術(shù)對(duì)波音737-800等一系列機(jī)型的裝配流程進(jìn)行了大幅度改進(jìn)，并利用室內(nèi)iGPS、激光跟蹤儀等大場(chǎng)景、高精度數(shù)字化測(cè)量技術(shù)輔助完成了飛機(jī)部件直接對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了大型客機(jī)機(jī)身、機(jī)翼全數(shù)字化對(duì)接裝配的驗(yàn)證。

同時(shí)，歐洲空中客車(chē)公司在大型客機(jī)自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)研究方面緊隨其后。如圖2所示，空中客車(chē)公司首先在其A340機(jī)型上采用柔性自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)取代了大型專用對(duì)接工裝，此套柔性對(duì)接系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同尺寸的機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了定位工裝的通用性，從而大幅減少了用于飛機(jī)大部段對(duì)接裝配的工裝類型和數(shù)目，也縮減了工裝準(zhǔn)備時(shí)間。

圖2 空中客車(chē)公司A340機(jī)身段自動(dòng)對(duì)接[10]Fig.2 Automatic assembly of Airbus A340[10]

上述大型客機(jī)的大部段自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)采用多個(gè)定位器共同支撐的整體托架形式，此類托架結(jié)構(gòu)往往采用具備保形功能的剛性固定托架與機(jī)體相連，從而增加了定位器與飛機(jī)部件之間的接觸面積，減小了對(duì)接部位的接觸壓強(qiáng)，避免大部件由于集中受力而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。因此，此類托架式對(duì)接系統(tǒng)特別適用于結(jié)構(gòu)尺寸大、部件質(zhì)量重的大型寬體客機(jī)的大部段自動(dòng)化對(duì)接裝配。然而，由于采用整體式托架與機(jī)體相連，此類自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)存在占地面積大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，且通用性較差等問(wèn)題。

針對(duì)上述不足，德國(guó)道尼爾公司在其小型支線客機(jī)728機(jī)型的翼身裝配中，采用了如圖3所示的分布式定位工裝，采用多個(gè)定位器分布放置、獨(dú)立相連的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)身、機(jī)翼等部段的柔性調(diào)姿定位。分布式定位器采用向上支撐的柱式結(jié)構(gòu)，每臺(tái)定位器可實(shí)現(xiàn)、、3個(gè)方向上精確伺服運(yùn)動(dòng)，通過(guò)多臺(tái)定位器之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)大部件姿態(tài)的精確調(diào)整。

圖3 道尼爾728翼身對(duì)接裝配[11]Fig.3 Wing-body assembly of Donier 728[11]

此類分布式自動(dòng)對(duì)接工裝直接與機(jī)體相連，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占地面積小以及布置靈活等諸多優(yōu)勢(shì)。然而，每個(gè)定位器獨(dú)立支撐機(jī)體部件也導(dǎo)致接觸面積小，在對(duì)接裝配過(guò)程中往往需要考慮定位器對(duì)部件的作用力，以免造成部件的接觸變形與損傷。因此，此類分布式系統(tǒng)往往適用于中小型客機(jī)型號(hào)的機(jī)身、機(jī)翼部件的柔性自動(dòng)化對(duì)接裝配。

隨著數(shù)字化對(duì)接技術(shù)在航空工業(yè)成熟應(yīng)用，大部件自動(dòng)對(duì)接裝備與系統(tǒng)在航天領(lǐng)域也逐漸得到應(yīng)用。美國(guó)太空探索公司(SpaceX)采用托架式調(diào)姿架車(chē)輔助獵鷹運(yùn)載火箭燃料貯箱的自動(dòng)化對(duì)接裝配。圖4展示了獵鷹9號(hào)運(yùn)載火箭的筒段對(duì)接裝配現(xiàn)場(chǎng)，各子級(jí)均置于托架式調(diào)姿架車(chē)上，由多臺(tái)激光跟蹤儀測(cè)量各個(gè)部段相對(duì)位姿，利用調(diào)姿架車(chē)的全向位姿調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)筒段姿態(tài)的伺服閉環(huán)控制和精確調(diào)整，并通過(guò)測(cè)量-匹配-調(diào)姿的過(guò)程反復(fù)迭代，直至對(duì)接精度符合裝配工藝要求。采用上述柔性自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)極大地提高了運(yùn)載火箭的裝配效率和各子級(jí)之間的對(duì)接精度，也為可回收利用火箭的高效檢修與重復(fù)裝配提供了裝備支撐。

圖4 SpaceX公司箭體對(duì)接裝配[17]Fig.4 Automatic assembly of SpaceX’s carrier rocket[17]

1.2 國(guó)內(nèi)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

中國(guó)航空工業(yè)對(duì)于大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)研究起步較晚，由于前期技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱以及投入資金不足，導(dǎo)致在大部件自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)方面與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比仍然存在較大差距。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)裝配仍然以傳統(tǒng)專用剛性工裝為主，且缺乏精密測(cè)量設(shè)備，調(diào)姿匹配主要依賴工人經(jīng)驗(yàn)，從而導(dǎo)致裝配精度低，調(diào)姿周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了裝配質(zhì)量和效率，導(dǎo)致航空產(chǎn)品制造質(zhì)量不穩(wěn)定、一致性差等諸多問(wèn)題。

近年來(lái)，中國(guó)航空工業(yè)相關(guān)企業(yè)在引進(jìn)、消化和吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)與國(guó)內(nèi)知名高校和科研院所深入合作，在航空大部件自動(dòng)對(duì)接裝配領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，研制了適用于不同應(yīng)用場(chǎng)景的自動(dòng)化調(diào)姿裝備和對(duì)接控制系統(tǒng)。

浙江大學(xué)郭志敏團(tuán)隊(duì)深入研究了基于三坐標(biāo)POGO柱的航空部件對(duì)接調(diào)姿技術(shù)與系統(tǒng)。如圖5所示，單臺(tái)POGO柱具備3個(gè)方向上的精密伺服運(yùn)動(dòng)，通過(guò)多個(gè)POGO柱之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與同步控制，可實(shí)現(xiàn)航空大部件位置和姿態(tài)的精密調(diào)整，同時(shí)配合激光跟蹤儀對(duì)部段靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和運(yùn)動(dòng)反饋控制，實(shí)現(xiàn)了航空大部段的自動(dòng)化對(duì)接裝配。此套自動(dòng)對(duì)接裝備與控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國(guó)多型軍機(jī)的關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)。

圖5 POGO柱結(jié)構(gòu)[18]Fig.5 Structure of POGO[18]

與此同時(shí)，沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)等中國(guó)重點(diǎn)航空企業(yè)在與高校和科研院所的通力合作下，也已建成或正在建設(shè)航空大部件柔性自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)，顯著提升了中國(guó)航空工業(yè)的裝備自動(dòng)化水平。

沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)與北京航空航天大學(xué)合作，設(shè)計(jì)了飛機(jī)機(jī)身部段的柔性自動(dòng)化裝配工裝，并建立了基于激光跟蹤儀測(cè)量反饋的數(shù)字化定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身部件的數(shù)字化柔性裝配。在此基礎(chǔ)上，沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)與大連四達(dá)公司聯(lián)合研制了相應(yīng)的航空大部件柔性自動(dòng)對(duì)接裝配平臺(tái)系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)也采用三坐標(biāo)POGO柱實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部段的調(diào)姿定位，整個(gè)裝配工位分為頭段、中段、尾段3部分，平行布置于航向?qū)к壣?，可?shí)現(xiàn)沿方向的大范圍移動(dòng)與、方向的小范圍調(diào)整。通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)軌間距和托架形式，可適應(yīng)不同機(jī)型的裝配要求。通過(guò)結(jié)合iGPS定位系統(tǒng)和激光跟蹤儀，該對(duì)接平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的六自由度精確調(diào)姿，與傳統(tǒng)剛性工裝相比，裝配效率提高50%以上。

圖6 沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)大部件自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)[22]Fig.6 Automatic assembly platform in SAC[22]

上海交通大學(xué)在傳統(tǒng)塔式定位器的基礎(chǔ)上，借助并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高以及運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了圖7所示的新型六自由度并聯(lián)構(gòu)型的自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了高效并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度標(biāo)定方法，研制了集測(cè)量-標(biāo)定-匹配-調(diào)姿于一體的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航空大部件的六自由度高效、精確定位，拓展了大部件自動(dòng)化對(duì)接裝備開(kāi)發(fā)的新思路。

圖7 上海交通大學(xué)飛機(jī)自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)[23]Fig.7 Automatic assembly platform of SJTU[23]

此外，上海交通大學(xué)與天津長(zhǎng)征火箭制造公司合作，在航空大部件自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)基礎(chǔ)上，聯(lián)合研制了大型運(yùn)載火箭貯箱部段的自動(dòng)化對(duì)接裝備與成套控制系統(tǒng)，如圖8所示。與飛機(jī)部件裝配有所不同，該套系統(tǒng)采用具有冗余驅(qū)動(dòng)能力的定位架車(chē)實(shí)現(xiàn)火箭部段的姿態(tài)調(diào)節(jié)，具備更好的載荷承載能力、運(yùn)動(dòng)靈活性和剛度、精度性能。通過(guò)主、被動(dòng)架車(chē)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)火箭部段空間六自由度位置和姿態(tài)的高精度調(diào)節(jié)。上述系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭的部段級(jí)自動(dòng)化對(duì)接裝配，大幅提升了中國(guó)運(yùn)載火箭總裝環(huán)節(jié)的對(duì)接精度和裝配效率。

圖8 大型運(yùn)載火箭柔性自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)[24]Fig.8 Automatic assembly of launcher in SJTU[24]

近年來(lái)，在固定式大部段自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)研制基礎(chǔ)上，一些學(xué)者提出采用移載平臺(tái)與對(duì)接工裝相結(jié)合的新型對(duì)接裝配系統(tǒng)。如圖9所示，上海交通大學(xué)李錦程開(kāi)發(fā)了基于多定位工裝協(xié)同的移載-對(duì)接一體化裝配系統(tǒng)。通過(guò)力-位混合控制與編隊(duì)協(xié)調(diào)算法，并借助室內(nèi)iGPS導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型客機(jī)模擬機(jī)翼部件的自主搬運(yùn)與自動(dòng)化的調(diào)姿定位，為航空大部件高效對(duì)接裝配提供了全新的解決方案。

圖9 多移載工裝機(jī)翼模擬件協(xié)同搬運(yùn)示意圖[25]Fig.9 Cooperative transportation by mobile tools[25]

從國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，航空大部件對(duì)接裝配技術(shù)已邁入自動(dòng)化時(shí)代，逐漸形成了集“測(cè)量-匹配-調(diào)姿”于一體的自動(dòng)化對(duì)接裝備與成套控制系統(tǒng)。其中，整體托架式和分布支撐式工裝分別適用于大型和中小型飛機(jī)的自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)。雖然在對(duì)接裝配系統(tǒng)的成熟度和系列化方面國(guó)內(nèi)航空工業(yè)與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)還存在一定的技術(shù)差距，特別是在測(cè)量設(shè)備、伺服控制系統(tǒng)等核心單元技術(shù)方面，但是在自動(dòng)對(duì)接技術(shù)的應(yīng)用程度和系統(tǒng)迭代改進(jìn)速度等方面正在穩(wěn)步發(fā)展，逐漸縮小與國(guó)外的差距。

2 機(jī)器人裝配理論研究現(xiàn)狀

隨著中國(guó)航空事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的可靠性、耐用性的要求不斷提高。航空零部件的制造質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的壽命和性具有重要影響。飛機(jī)裝配是制造過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，具有精度要求高，工序復(fù)雜度高等特點(diǎn)。在現(xiàn)有航空零部件設(shè)計(jì)和零件加工情況下，精度高，可靠性強(qiáng)，一致性好的裝配對(duì)飛機(jī)的性能質(zhì)量有顯著提升。以工業(yè)機(jī)器人為載體進(jìn)行自動(dòng)化裝配是航空制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 柔性裝配理論

為了滿足現(xiàn)代化航空產(chǎn)業(yè)的需求，自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，柔性裝配技術(shù)在航空裝配領(lǐng)域得到廣發(fā)應(yīng)用。柔性裝配技術(shù)是一種能夠適應(yīng)快速研制和生產(chǎn)及低成本制造要求、設(shè)備和工裝模塊化可重組的先進(jìn)裝配技術(shù)，具有模塊化，自動(dòng)化、集成化等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)的航空產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式和產(chǎn)品特征尚未充分考慮柔性裝配技術(shù)的應(yīng)用需求，隨著柔性裝配技術(shù)越來(lái)越受重視，國(guó)內(nèi)眾多科研院所在柔性裝配理論領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。

沈陽(yáng)航空航天大學(xué)的梁濤分析了飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)中的數(shù)字量化協(xié)調(diào)技術(shù)、裝配基準(zhǔn)等因素對(duì)產(chǎn)品誤差累積的影響。通過(guò)搜索與提取相關(guān)裝配特征約束關(guān)系和容差信息建立裝配尺寸鏈的方法原理，提高了利用三維建模工具進(jìn)行容差信息建模的效率。

華南理工大學(xué)的李銹峰等，基于尺寸公差的計(jì)算方法，以螺紋的主要幾何參數(shù)及其配合公差為切入點(diǎn)，分析了普通螺紋裝配初始旋合狀態(tài)的幾何過(guò)程，進(jìn)而得出決定機(jī)器人夾持器轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置偏差范圍內(nèi)、外螺紋配合零件間允許位置和角度偏差的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而對(duì)裝配機(jī)器人夾持器柔順度的設(shè)計(jì)和柔性裝配主動(dòng)位置調(diào)整和控制技術(shù)的研究提供了理論依據(jù)。

上海交通大學(xué)的林嘉研究出了一種適用于飛機(jī)機(jī)體薄壁件的柔性裝配精度分析的方法，利用縮減靈活、信息完整和修正方便的子結(jié)構(gòu)技術(shù)，克服了當(dāng)前柔性裝配精度分析方法中建模復(fù)雜、未考慮同時(shí)產(chǎn)生的裝配殘余應(yīng)力和裝配過(guò)程未考慮結(jié)構(gòu)剛度變化等問(wèn)題，滿足了飛機(jī)機(jī)體柔性薄壁件裝配精度的分析需求。如圖10所示，經(jīng)建模、分析和模型修正后，從零件結(jié)構(gòu)、工裝布局、裝配工藝和測(cè)量方法四個(gè)角度入手，分別在一組特征組件和一組機(jī)身側(cè)壁板組件上開(kāi)展了機(jī)體薄壁件裝配實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證了方法的精確性。

圖10 側(cè)壁板組件[30]Fig.10 Side fuselage panel subassembly[30]

2.2 力反饋理論

人機(jī)交互技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)對(duì)話的技術(shù)。力反饋是指在人機(jī)交互過(guò)程中，計(jì)算機(jī)對(duì)操作者的輸入做出響應(yīng)，并通過(guò)力反饋設(shè)備作用于操作者的過(guò)程。隨著飛機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)的發(fā)展，人機(jī)交互技術(shù)的在飛機(jī)自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景逐漸擴(kuò)大，為了提高工作效率和適應(yīng)性，力反饋人機(jī)交互技術(shù)得到了高校和科研院所的重視。

北京郵電大學(xué)的鄒鵬以飛機(jī)裝配領(lǐng)域常見(jiàn)的軸孔裝配為研究對(duì)象，搭建了一個(gè)基于力反饋的柔順孔軸裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。如圖11所示，考慮了傳感器和末端模塊的多個(gè)參數(shù)，優(yōu)化了力覺(jué)傳感器標(biāo)定算法，獲取了機(jī)械臂末端模塊準(zhǔn)確受力信息，進(jìn)而對(duì)機(jī)器人表面搜孔策略和插孔策略進(jìn)行研究。提出了一種基于多層感知器和力位混合控制相結(jié)合的搜孔方法提高了搜孔效率，隨后研究了一種基于模糊強(qiáng)化學(xué)習(xí)的軸孔裝配優(yōu)化算法提高了插孔任務(wù)的自適應(yīng)性和效率。

圖11 柔順孔軸裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[32]Fig.11 Compliance peg-in-hole experiment platform[32]

東南大學(xué)的朱澄澄針對(duì)現(xiàn)有虛擬視覺(jué)技術(shù)在安全性和可靠性上的不足之處，對(duì)力反饋人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了混聯(lián)型多自由度力反饋手控器和并聯(lián)型三自由度手控器，后者如圖12所示，是一種Delta手控器的簡(jiǎn)化并聯(lián)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性低、摩擦小、剛度大、背隙低等優(yōu)點(diǎn)。作為基座一部分的六邊形框架的六條邊等間隔的三邊上安裝了直線導(dǎo)軌滑塊模組，萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器安裝在滑塊和手控器末端活動(dòng)平面上，通過(guò)一對(duì)空心鋁管將兩處的兩組萬(wàn)向聯(lián)軸器聯(lián)接成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，從而保證了抗形變能力和靈活性。隨后設(shè)計(jì)了位移標(biāo)定平臺(tái)和標(biāo)定直流電機(jī)扭矩常數(shù)標(biāo)定平臺(tái)來(lái)標(biāo)定力反饋手控器的位移跟蹤誤差和力反饋輸出精度。此外，推導(dǎo)出力觸覺(jué)交互設(shè)備等效模型以對(duì)手控器性能進(jìn)行定量評(píng)估，最后通過(guò)力反饋操作盲測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了力反饋手控器的有效性。

圖12 并聯(lián)型三自由度力反饋手控器[31]Fig.12 Parallel type three-degree-of-freedom force feedback hand controller[31]

蘇州大學(xué)的周彬提出了一種基于一維力感知和柔性?shī)A持作業(yè)手的復(fù)合柔順軸孔裝配方法，以滿足航天特種高精度電磁閥閥芯自動(dòng)裝配需求，研究了基于一維力感知的主動(dòng)尋孔策略和控制算法，解決了微米間隙無(wú)倒角軸孔裝配的尋孔問(wèn)題。通過(guò)分析超短軸孔裝配的插裝過(guò)程建立了插裝過(guò)程各狀態(tài)的力學(xué)模型，從而研究出基于柔性作業(yè)手的被動(dòng)柔順插裝策略。此外，如圖13所示，通過(guò)搭建裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能夠?qū)崿F(xiàn)直徑20 mm、半徑3 μm的航天特種閥閥芯自動(dòng)裝配。

圖13 裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[33]Fig.13 Assembly experiment system[33]

燕山大學(xué)的吳遙研究了一套柔順裝配控制系統(tǒng)。采用了6-PUS/UPS并聯(lián)機(jī)器人作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，選取整體預(yù)緊式并聯(lián)六維力傳感器作為力覺(jué)感知機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)自身力覺(jué)感知能力對(duì)裝配力進(jìn)行檢測(cè)，并依據(jù)反饋控制算法來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整位置偏差。并針對(duì)柔順裝配中常見(jiàn)的軸孔裝配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有較好的力反饋控制能力，可以將裝配力控制在一個(gè)較小的變化范圍從而保證了作業(yè)環(huán)境的安全性。

圖14 柔順裝配實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[34]Fig.14 Flexible assembly experiment platform[34]

就目前而言，國(guó)內(nèi)航空產(chǎn)品自動(dòng)化和數(shù)字化裝配程度尚未滿足高效生產(chǎn)高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要，仍需進(jìn)一步提高。隨著國(guó)內(nèi)的科研院所在柔性裝配、力感知交互控制等領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，中國(guó)的自動(dòng)化裝配能力不斷提高，對(duì)中國(guó)航空生產(chǎn)制造具有重要意義。

3 人機(jī)協(xié)作技術(shù)應(yīng)用于航空裝配

人機(jī)協(xié)作是指人與機(jī)器人在共享工作空間中協(xié)同作業(yè)，共同完成操作任務(wù)，從而達(dá)到減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率的目的。不同于傳統(tǒng)操作人員單向控制機(jī)器人，人機(jī)協(xié)作過(guò)程中機(jī)器設(shè)備會(huì)反饋載荷、位置和力覺(jué)等相關(guān)信息，再根據(jù)操作人員的判斷決策指導(dǎo)機(jī)器人操作，從而實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的交互作業(yè)。人機(jī)協(xié)作技術(shù)充分發(fā)揮了機(jī)器人與操作人員各自優(yōu)勢(shì)，在保證作業(yè)精度和效率的前提下，可以進(jìn)一步提升操作安全性，避免意外事故發(fā)生，因此在航空零部件裝配作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早期航空裝配作業(yè)主要依靠工人手工完成，存在操作空間小，勞動(dòng)強(qiáng)度大以及工作環(huán)境惡劣等諸多問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，自工業(yè)4.0和智能制造等相關(guān)概念提出后，國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)制造企業(yè)首先開(kāi)展了人機(jī)協(xié)作技術(shù)在航空零部件裝配領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

早在2012年，歐盟就通過(guò)ECHORD(European Clearing House for Open Robotics Development) 項(xiàng)目資助了人機(jī)協(xié)作技術(shù)在小型客機(jī)關(guān)鍵部件裝配中的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。如圖15所示，通過(guò)在重載機(jī)器人末端加裝高精度力傳感器，完成了操作人員手動(dòng)引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行工件抓取和搬運(yùn)定位的操作，并在小批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)零部件無(wú)夾具組裝的人機(jī)協(xié)同作業(yè)。

圖15 操作人員手動(dòng)定位飛機(jī)部件[36]Fig.15 Manual positioning of aircraft part by worker[36]

通過(guò)人機(jī)協(xié)同抓取、搬運(yùn)、定位和裝配大尺寸重型工件這一作業(yè)方式，能夠大幅減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高作業(yè)過(guò)程的安全性和可靠性。如圖16所示，操作人員在外部高精度測(cè)量系統(tǒng)的輔助下，精確獲取工件實(shí)際位置，機(jī)器人則可以根據(jù)工件位置自主規(guī)劃運(yùn)動(dòng)路徑，并在操作人員的協(xié)同控制下完成最終位置的移動(dòng)定位，最終實(shí)現(xiàn)工件的高精度裝配。

圖16 測(cè)量系統(tǒng)精確測(cè)量工件位置[36]Fig.16 Measurement for precise positioning[36]

利用類似技術(shù)，德國(guó)ZeMA公司的Mueller等針對(duì)空客A320飛機(jī)尾部筒壁結(jié)構(gòu)需要兩名工人協(xié)同裝配這一問(wèn)題，提出了使用一臺(tái)UR10機(jī)器人代替其中一名工人，與另一人通過(guò)人機(jī)協(xié)同完成鉚釘安裝工作的方案，從而大幅提高了裝配效率。荷蘭Fokker公司在KUKA LBR iiwa協(xié)作機(jī)器人基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了機(jī)器人自動(dòng)進(jìn)給鉆鉚系統(tǒng)。該機(jī)器人系統(tǒng)在飛機(jī)蒙皮與骨架的連接制孔作業(yè)中發(fā)揮了巨大優(yōu)勢(shì)。相較傳統(tǒng)人工制孔，可減輕工人需攜帶沉重的設(shè)備進(jìn)行高強(qiáng)度勞動(dòng)作業(yè)的問(wèn)題；另一方面，相較完全機(jī)器自動(dòng)制孔，又可以避免出現(xiàn)因通道占用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致工作效率降低的問(wèn)題。因此，人機(jī)協(xié)作技術(shù)在完全自動(dòng)化和傳統(tǒng)手動(dòng)作業(yè)之間找到平衡，不僅可以減輕操作人員勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，還提高了工作效率和制孔精度。

Mei?ner等針對(duì)機(jī)身自沖鉚接工藝，開(kāi)發(fā)了一套基于UR10的人機(jī)協(xié)作自沖鉚接裝備。如圖17所示，鉚接槍安裝于UR機(jī)械臂末端，并通過(guò)末端力傳感器進(jìn)行載荷數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)了鉚接工具位置的手動(dòng)引導(dǎo)。同時(shí)，機(jī)械臂承擔(dān)自沖鉚接過(guò)程所產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，對(duì)操作人員起到保護(hù)作用。另外，該套裝備將工藝數(shù)據(jù)信息通過(guò)移動(dòng)設(shè)備反饋給操作人員，增強(qiáng)了操作人員對(duì)裝配情況和裝配質(zhì)量的掌握。

圖17 機(jī)器人裝備在飛機(jī)機(jī)身中的實(shí)際使用情況[39]Fig.17 Robot system in aircraft fuselage[39]

空中客車(chē)公司在其A320系列客機(jī)生產(chǎn)中開(kāi)發(fā)了輕量級(jí)人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)Flextrack。如圖18所示，該系統(tǒng)可沿安裝于機(jī)身上導(dǎo)軌移動(dòng)作業(yè)，且操作人員可隨時(shí)干預(yù)啟停操作。通過(guò)8臺(tái)Flextrack系統(tǒng)便可對(duì)機(jī)身縱向接頭處千余個(gè)連接孔進(jìn)行鉆孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)更快、更高效制造。

圖18 操作人員使用Flextrack進(jìn)行鉆孔作業(yè)[40]Fig.18 Drilling operation with Flextrack[40]

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域，人機(jī)協(xié)作技術(shù)在零件裝配環(huán)節(jié)的應(yīng)用仍處于起步階段，相關(guān)行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)通過(guò)與高等院校和科研院所合作，嘗試在某些關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)開(kāi)展人機(jī)協(xié)作技術(shù)的應(yīng)用研究。航空航天產(chǎn)品在裝配過(guò)程中需要避免由于碰撞而導(dǎo)致零部件損壞，因此對(duì)操作機(jī)器人提出了末端順應(yīng)性要求。在零部件裝配應(yīng)用場(chǎng)景，目前主要采用主動(dòng)順應(yīng)方式對(duì)操作機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，包括阻抗控制和力/位混合控制兩種模式。其中，阻抗控制模式需要準(zhǔn)確獲取機(jī)器人末端執(zhí)行器的操作軌跡和環(huán)境的交互作用，而力/位混合控制模式則需要事先確定環(huán)境對(duì)于機(jī)器人的操作約束。然而，航空航天產(chǎn)品的待裝配零部件屬于單件小批量，具有尺寸大、載荷重且工況環(huán)境變化多樣等特點(diǎn)，無(wú)法滿足阻抗控制和力/位混合控制對(duì)于操作環(huán)境的預(yù)先感知的要求。因此，僅僅依靠機(jī)器人的主動(dòng)順應(yīng)控制難以精確、高效地完成航空航天零部件的裝配任務(wù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者提出了利用力覺(jué)交互控制來(lái)輔助航空零部件裝配的人機(jī)協(xié)作新應(yīng)用。在此類人機(jī)交互操作中，機(jī)器人與待裝配零部件之間安裝有高精度的六維力傳感器，可以感知零部件本身自重載荷及其與外界環(huán)境交互作用力。因此，通過(guò)順應(yīng)控制算法便可以識(shí)別得到待裝配零部件的慣量信息、工人對(duì)工件的引導(dǎo)操作以及零件與裝配體之間的相互作用。從而，可以通過(guò)工人直接拖拽工件的方式，實(shí)現(xiàn)航空航天零部件的人機(jī)協(xié)作引導(dǎo)裝配，在保障安全性的前提下，極大地提高了裝配操作的便利性。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的布仁等針對(duì)航天器大型部組件的安全、高效精確裝配需求，提出了一種重載工業(yè)機(jī)械臂配合六維力傳感器的航天大部件柔性力輔助裝配方法，如圖19所示。通過(guò)在多個(gè)不同位姿下測(cè)量工件對(duì)機(jī)器人末端窗前的不同載荷，可以精確標(biāo)定得到工件的重量、和質(zhì)心位置等慣量信息?；谏鲜隽换ロ槕?yīng)操作硬件，便可根據(jù)不同裝配場(chǎng)景，靈活定義運(yùn)動(dòng)控制模式。如大范圍快速移動(dòng)時(shí)，可設(shè)定機(jī)械臂移動(dòng)距離正比于載荷；而在小范圍精密裝配時(shí)，則可以通過(guò)設(shè)定操作力閾值來(lái)精確控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，從而避免由于誤操作而導(dǎo)致裝配失敗，甚至損壞產(chǎn)品或工件等問(wèn)題。且多種控制模式之間可以靈活切換，更好地服務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)，顯著提高了航天器大型重載零組件的裝配效率。

圖19 機(jī)械臂柔性力控輔助裝配方法驗(yàn)證試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)[41]Fig.19 Assembly experiment of flexible force control on robot arm[41]

上海交通大學(xué)的王杰鵬等針對(duì)人造衛(wèi)星裝配過(guò)程中關(guān)鍵重載大尺寸零組件不易安裝，且傳統(tǒng)繩索吊裝方式運(yùn)動(dòng)靈活性差、定位精度低以及操作過(guò)程繁瑣等問(wèn)題，提出了基于力覺(jué)感知反饋的機(jī)械臂精密交互裝配技術(shù)。如圖20所示，該遙操作裝配驗(yàn)證系統(tǒng)由庫(kù)卡KR機(jī)械臂、ATI六維力傳感器、F/D力反饋操作儀等組成，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)EtherCat協(xié)議實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)備之間的實(shí)時(shí)雙向通訊，從而可以通過(guò)力反饋裝置遠(yuǎn)程遙操作完成衛(wèi)星零部件的力反饋交互式裝配。

圖20 機(jī)械臂輔助衛(wèi)星結(jié)構(gòu)艙板裝配的應(yīng)用[42]Fig.20 Assisted assembly of satellite structure cabin[42]

類似地，上海飛機(jī)制造有限公司的湯海洋和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的紀(jì)柱等針對(duì)大型客機(jī)總裝過(guò)程中存在人工操作的局限性，提出了一種基于力覺(jué)反饋導(dǎo)引的機(jī)器人輔助裝配技術(shù)。該系統(tǒng)建立了一套六維力傳感器載荷標(biāo)定與待裝配重力補(bǔ)償計(jì)算方法，可以精確地分離得到沿各個(gè)方向的引導(dǎo)載荷，從而實(shí)現(xiàn)末端待裝配零件按操作人員引導(dǎo)的精確運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：借助他們開(kāi)發(fā)的輔助裝配軟件對(duì)交互操作系統(tǒng)進(jìn)行載荷標(biāo)定與重力補(bǔ)償，可以有效地消除由于工件重力對(duì)機(jī)器人末端載荷的擾動(dòng)，使得人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)能夠更加平穩(wěn)、高效地按照操作人員的操作意圖完成裝配作業(yè)。

上海衛(wèi)星裝備研究所的劉仁偉等針對(duì)人造衛(wèi)星自動(dòng)化裝配需求，將機(jī)械臂輔助裝配技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際衛(wèi)星裝配過(guò)程中，提出了一種基于力傳感交互控制的重載機(jī)械臂輔助柔順裝配技術(shù)。如圖21所示，他們采用庫(kù)卡KR300型機(jī)械臂配合大量程六維力傳感器，實(shí)現(xiàn)了操作工人在待裝配工件直接加載來(lái)控制工件末端運(yùn)動(dòng)的交互操作。上述系統(tǒng)已應(yīng)用于某型人造衛(wèi)星艙板、主機(jī)等核心部件的人機(jī)協(xié)作裝配，在不改變工藝習(xí)慣基礎(chǔ)上，大幅提升了重載工件裝配精度和效率，取得了良好的應(yīng)用效果。

圖21 機(jī)械臂輔助衛(wèi)星結(jié)構(gòu)艙板裝配的應(yīng)用[44]Fig.21 Robot-assisted assembly of satellite cabin[44]

對(duì)比國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀可以看到，國(guó)外的人機(jī)協(xié)作技術(shù)在航空航天裝配領(lǐng)域的研究起步較早，而且已廣泛應(yīng)用于航空航天產(chǎn)品的實(shí)際裝配工藝工程之中。相比而言，國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究還停留在原型技術(shù)開(kāi)發(fā)和初步工程驗(yàn)證階段，相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用成熟度與國(guó)外先進(jìn)航空航天企業(yè)相比還存在較大的差距，特別是在重載機(jī)器人、大量程傳感器和力反饋操作系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)方面仍依賴國(guó)外器件。

4 人工智能輔助技術(shù)航空裝配

4.1 人工智能輔助裝配技術(shù)簡(jiǎn)介

大型客機(jī)等航空產(chǎn)品在裝配過(guò)程中各類零部件的裝配位置和連接形式復(fù)雜多樣，手工操作仍是其零部件裝配的主要形式。然而，由于航空裝配的工作環(huán)境緊湊和操作要求精密，手工裝配往往受到各種限制。為了提高手工裝配的效率，基于人工智能的輔助裝配技術(shù)在航空裝配中發(fā)揮了重要作用。智能輔助裝配技術(shù)采用自動(dòng)化、程序化硬件系統(tǒng)，借助虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等手段，以可視化方式協(xié)助完成復(fù)雜多樣裝配工藝。根據(jù)系統(tǒng)組成、操作方式和適用環(huán)境的不同，人工智能輔助裝配技術(shù)大體上可分為以下兩類：

1) 現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的輔助裝配系統(tǒng)

在此類輔助裝配系統(tǒng)中，裝配過(guò)程在真實(shí)作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行，操作人員可以借助測(cè)量設(shè)備和智能系統(tǒng)的分析結(jié)果直接或者操作設(shè)備來(lái)完成零部件的人工裝配。該類智能輔助系統(tǒng)需要借助激光、視覺(jué)等傳感器來(lái)實(shí)時(shí)獲取裝配現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用圖像識(shí)別等人工智能算法對(duì)裝配信息進(jìn)行分析判斷，通過(guò)參考后臺(tái)工藝規(guī)范數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)后續(xù)裝配作業(yè)過(guò)程進(jìn)行輔助決策，并利用終端面板、輔助投影以及AR眼鏡等手段以圖形化界面方式與操作人員進(jìn)行交互，有效地提高了裝配準(zhǔn)確程度和作業(yè)效率。

2) 虛擬場(chǎng)景中的輔助裝配系統(tǒng)

與現(xiàn)實(shí)環(huán)境操作不同，此類輔助裝配系統(tǒng)中，操作人員在虛擬/增強(qiáng)/混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中操作虛擬設(shè)備，與裝配對(duì)象不直接交互。按照限制條件，虛擬場(chǎng)景輔助裝配技術(shù)可進(jìn)一步細(xì)分為基于操作約束和基于物理特性兩類?；诓僮骷s束的裝配根據(jù)零件的最終安裝位置和零件幾何特征約束來(lái)確定最終裝配位置和規(guī)劃方向，適用于精確零件定位。而基于物理特性的虛擬裝配則主要考慮現(xiàn)實(shí)世界的物理特性、摩擦力和接觸力，適用于在干涉和碰撞等情況下進(jìn)行軌跡的模擬仿真。

除了在作業(yè)過(guò)程中直接進(jìn)行裝配工藝指導(dǎo)，人工智能輔助裝配系統(tǒng)通常還備有作業(yè)記錄、質(zhì)量評(píng)估以及工藝優(yōu)化等功能，為后續(xù)的功能擴(kuò)展和推廣應(yīng)用提供了巨大空間。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能輔助裝配系統(tǒng)也被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在飛機(jī)等航空產(chǎn)品的裝配過(guò)程中。

4.2 人工智能輔助裝配技術(shù)研究現(xiàn)狀

4.2.1 國(guó)外航空工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外在人工智能輔助裝配技術(shù)方面的相關(guān)研究工作起步較早。早在20世紀(jì)80年代，隨著三維CAD/CAM等計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于飛機(jī)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造，國(guó)外先進(jìn)航空制造企業(yè)便開(kāi)始嘗試采用智能算法來(lái)輔助裝配。21世紀(jì)初期，很多國(guó)家已全面采用數(shù)字化裝配技術(shù)和基于模型定義的虛擬裝配技術(shù)。基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境和虛擬場(chǎng)景的智能輔助裝配方式均有著廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的智能輔助裝配技術(shù)在20世紀(jì)末便已實(shí)際應(yīng)用于大型客機(jī)等航空產(chǎn)品的裝配中。例如空中客車(chē)公司在其飛機(jī)裝配線上大量采用輔助測(cè)量技術(shù)，通過(guò)仿真分析軟件計(jì)算結(jié)果，為操作人員精確高效地完成機(jī)身、機(jī)翼等大型部件的對(duì)接操作提供數(shù)據(jù)輔助支撐。AIT公司與波音公司合作，開(kāi)發(fā)了智能化輔助對(duì)接裝配系統(tǒng)，通過(guò)激光追蹤設(shè)備和圖形界面來(lái)協(xié)助完成波音747機(jī)身對(duì)接。德國(guó)Br?tje公司也開(kāi)發(fā)了基于激光測(cè)量的對(duì)齊匹配系統(tǒng)輔助完成飛機(jī)機(jī)身對(duì)接。

基于虛擬場(chǎng)景的輔助裝配也有著廣泛應(yīng)用。例如波音公司將Dassault和IBM開(kāi)發(fā)的虛擬裝配軟件應(yīng)用于波音777和F/A-18EFF的裝配過(guò)程。同時(shí)，波音公司自行開(kāi)發(fā)的VPS虛擬技術(shù)也廣泛應(yīng)用于飛機(jī)裝配過(guò)程，并可以完成虛擬碰撞檢測(cè)?？罩锌蛙?chē)公司也開(kāi)發(fā)了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬裝配技術(shù)：MOON項(xiàng)目。如圖22所示，該系統(tǒng)使用iDMU的3D信息，自動(dòng)識(shí)別判斷裝配工藝，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手段生成虛擬指令，解決了紙質(zhì)文檔不易保管的問(wèn)題，將裝配指令周期縮短了90%以上。

圖22 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的空中客車(chē)公司MOON項(xiàng)目[51]Fig.22 AR-based MOON project of airbus[51]

此外，空中客車(chē)公司在其最先進(jìn)的A350和A380機(jī)型生產(chǎn)線上，廣泛地采用人工智能輔助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具包MiRA/SART。MiRA/SART系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器上的飛機(jī)3D模型，并比對(duì)實(shí)際安裝結(jié)果與理論模型，以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前裝配是否存在零件缺失、定位錯(cuò)誤以及損壞等情況。MiRA/SART系統(tǒng)非常適合于零件種類和數(shù)目都非常繁多的裝配場(chǎng)景，比如飛機(jī)線纜托架的安裝，如圖23所示，識(shí)別與檢測(cè)時(shí)間相較傳統(tǒng)人工作業(yè)減少80%以上，同時(shí)可以也有效避免裝配缺陷的存在。

圖23 MiRA/SART工具對(duì)零件安裝結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)[53]Fig.23 MiRA/SART tool detects the result of part installation[53]

如圖24所示，空中客車(chē)公司與徠卡公司進(jìn)行合作，在A380的裝配站建立了首個(gè)基于激光測(cè)量的完整工業(yè)裝配流程，該裝配站布置了四臺(tái)Leica Geosystems激光跟蹤器，兩臺(tái)用于機(jī)身，兩臺(tái)用于機(jī)翼。四個(gè)激光跟蹤器都通過(guò)一個(gè)公共坐標(biāo)系相互交織和連接。這種布置保證了激光跟蹤器的一致性和互換性,簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面降低了組裝工人的操作難度，提高了裝配的效率和可靠性。

圖24 裝有徠卡激光追蹤器的A380裝配站[54]Fig.24 A380 assembly station with Leica laser trackers[54]

利用激光測(cè)量設(shè)備取代夾具以實(shí)現(xiàn)無(wú)型架裝配逐漸得到重視，激光測(cè)量設(shè)備能夠在出現(xiàn)錯(cuò)誤之前識(shí)別出超出公差的情況。與傳統(tǒng)的難以加工的夾具相比，激光測(cè)量設(shè)備更具備靈活性，能夠提高生產(chǎn)效率并降低成本。如圖25所示，AIT公司在波音787的最終組裝過(guò)程中將14個(gè)自動(dòng)定位系統(tǒng)組件被移動(dòng)到靠近運(yùn)載小車(chē)的各自位置，然后接合以提升和移動(dòng)飛機(jī)組件。一旦系統(tǒng)剛性連接在一起，測(cè)量系統(tǒng)就會(huì)定位飛機(jī)部分，測(cè)量信息會(huì)被輸入到AIT公司的系統(tǒng)軟件應(yīng)用程序中。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)頭、尾翼、左翼和右翼需要移動(dòng)多少，以確保與相鄰部分精確貼合。這種精確的對(duì)齊過(guò)程確保了平滑的構(gòu)建。

圖25 波音787的AIT總裝系統(tǒng)[55]Fig.25 AIF assembly system for Boeing 787[55]

4.2.2 國(guó)內(nèi)航空工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)航空工業(yè)在人工智能輔助裝配技術(shù)的應(yīng)用研究起步相對(duì)較晚。但近年來(lái)，隨著中國(guó)在各類飛機(jī)重大型號(hào)研制與投產(chǎn)的基礎(chǔ)上，特別是國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)項(xiàng)目的順利實(shí)施，中國(guó)航空工業(yè)在飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)方面都得到了快速發(fā)展。在人工智能輔助裝配技術(shù)在航空裝配中的應(yīng)用也開(kāi)展了諸多研究，并取得了顯著成效。

上海交通大學(xué)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)智能制造項(xiàng)目中心在前期人機(jī)互動(dòng)裝配的基礎(chǔ)上，針對(duì)大型客機(jī)應(yīng)急艙門(mén)裝配場(chǎng)景中零件數(shù)目繁多、裝配工藝復(fù)雜以及裝配質(zhì)量要求嚴(yán)苛等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了結(jié)合視覺(jué)檢測(cè)和智能判別的飛機(jī)應(yīng)急門(mén)人機(jī)輔助互動(dòng)裝配系統(tǒng)。如圖26所示，該系統(tǒng)由工作臺(tái)、機(jī)器視覺(jué)、智能算法、工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬投影引導(dǎo)等子系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)采用機(jī)器視覺(jué)與人工智能相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了裝配狀態(tài)的實(shí)時(shí)精確判別，并通過(guò)與理論三維數(shù)模和實(shí)際訓(xùn)練模型對(duì)照，實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前裝配工序和零件裝配質(zhì)量的智能化檢查以及后續(xù)工序的自動(dòng)化生成。該系統(tǒng)涵蓋了飛機(jī)應(yīng)急門(mén)百余個(gè)零件的裝配工序和工藝參數(shù)，同時(shí)采用投影方式展示虛擬裝配動(dòng)畫(huà)，使得操作人員擺脫了紙質(zhì)工藝手冊(cè)束縛，極大地簡(jiǎn)化了裝配人員的培訓(xùn)任務(wù)。同時(shí)，該系統(tǒng)所具備的智能識(shí)別功能也可以顯著減少裝配缺陷和安裝錯(cuò)誤，減輕整個(gè)裝配過(guò)程的校驗(yàn)工作，有效避免由于裝配缺陷而導(dǎo)致的安全隱患。另外，該智能輔助交互裝配系統(tǒng)具有較高可擴(kuò)展性，通過(guò)智能算法訓(xùn)練學(xué)習(xí)可以方便地?cái)U(kuò)展應(yīng)用到其他類似的裝配工藝環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了智能輔助裝配技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖26 應(yīng)急艙門(mén)智能裝配系統(tǒng)Fig.26 Emergency door intelligent assembly system

浙江大學(xué)致力于飛機(jī)裝配過(guò)程中部件位姿的智能輔助檢測(cè)技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人輔助飛機(jī)裝配制孔位姿精度補(bǔ)償技術(shù)。該技術(shù)采用激光跟蹤儀閉環(huán)反饋補(bǔ)償，提高機(jī)器人制孔系統(tǒng)絕對(duì)定位精度性能，有效輔助了人工裝配。他們開(kāi)發(fā)的基于溫度補(bǔ)償和關(guān)鍵點(diǎn)的三維容差姿勢(shì)評(píng)估方法也已成功應(yīng)用于多種機(jī)型裝配作業(yè)，為人工裝配提供智能輔助。

借助在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)領(lǐng)域的積累，國(guó)內(nèi)一些科技公司在人工智能輔助裝配方面也開(kāi)展了相關(guān)研究工作。聯(lián)想集團(tuán)與中國(guó)商飛開(kāi)展合作，聯(lián)合研制了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的晨星AR大飛機(jī)智能輔助裝配系統(tǒng)。如圖27所示，該系統(tǒng)通過(guò)佩戴AR眼鏡，可以實(shí)現(xiàn)線纜自動(dòng)識(shí)別和對(duì)應(yīng)連接器與孔位的自動(dòng)查找等功能，并使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)方式引導(dǎo)操作人員正確完成裝配工藝。同時(shí)，該系統(tǒng)全程記錄整個(gè)裝配過(guò)程，以便于對(duì)裝配質(zhì)量進(jìn)行追溯。借助該系統(tǒng)，可以大幅提高線纜端接效率，典型裝配環(huán)節(jié)中傳統(tǒng)工人作業(yè)3人6 h的工作量由1人20 min便可完成。

圖27 晨星AR大飛機(jī)輔助裝配系統(tǒng)[60]Fig.27 Large aircraft auxiliary assembly system by DaystAR[61]

上海交通大學(xué)與上海航天精密機(jī)械研究所開(kāi)發(fā)了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的精密航天產(chǎn)品裝配工藝訓(xùn)練系統(tǒng)。如圖28所示，該系統(tǒng)利用頭戴式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡獲取裝配工藝參數(shù)和操作導(dǎo)引信息，并利用三維約束下圖像特征點(diǎn)匹配算法來(lái)檢測(cè)人員操作是否符合工藝規(guī)范，從而大幅簡(jiǎn)化了裝配訓(xùn)練流程，提高了人員培訓(xùn)效率。

圖28 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配引導(dǎo)系統(tǒng)[62]Fig.28 AR assembly guidance system[62]

成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司聯(lián)合西北大學(xué)開(kāi)發(fā)了飛機(jī)管路裝配的AR智能輔助引導(dǎo)技術(shù)，并在液壓導(dǎo)管部件的裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行了原理驗(yàn)證。該系統(tǒng)將零件、工裝和裝配場(chǎng)景編制為AR指令，并配置相應(yīng)的動(dòng)態(tài)引導(dǎo)資源。通過(guò)將指令和資源導(dǎo)入AR眼鏡，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)引導(dǎo)和檢測(cè)裝配結(jié)果。如圖29所示，利用該系統(tǒng)可以在液壓導(dǎo)管裝配過(guò)程中通過(guò)圖形界面對(duì)零件裝配操作進(jìn)行智能引導(dǎo)，提高裝配便捷性與效率。

圖29 AR智能引導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)助液壓導(dǎo)管裝配[63]Fig.29 AR guidance systemfor hydraulic pipe assembly[63]

隨著人工智能本身發(fā)展和算力的穩(wěn)步提升，智能輔助裝配技術(shù)整體上呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)并在航空裝配領(lǐng)域應(yīng)用逐步拓展。中國(guó)在該項(xiàng)技術(shù)上起步較晚，與國(guó)外仍存在一定差距，主要體現(xiàn)在成果轉(zhuǎn)化率較低，且受航空工業(yè)發(fā)展所限，應(yīng)用場(chǎng)景較為單一。雖然很多高等院校和科研院所已開(kāi)展了不少智能輔助裝配相關(guān)的研究工作，但是仍以理論研究和原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為主，在實(shí)際航空裝配過(guò)程中的應(yīng)用仍然較少。

隨著大量科研機(jī)構(gòu)與航空工業(yè)重點(diǎn)企業(yè)持續(xù)深入合作，中國(guó)在智能輔助裝配技術(shù)應(yīng)用方面也取得了一定成效，并呈現(xiàn)加速發(fā)展的良好趨勢(shì)。在應(yīng)用場(chǎng)景方面得到了廣泛拓展，不僅僅局限于精密測(cè)量和工藝培訓(xùn)等簡(jiǎn)單作業(yè)，較好地體現(xiàn)了人工智能在圖像識(shí)別、質(zhì)量檢測(cè)等復(fù)雜工藝環(huán)節(jié)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)?？傮w而言，在人工智能輔助裝配技術(shù)方面，中國(guó)航空工業(yè)與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)的差距正在逐步縮小。另外，隨著不少互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)在該領(lǐng)域的不斷涉足，中國(guó)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，加速推動(dòng)了智能裝配技術(shù)在航空工業(yè)的發(fā)展。

5 航空裝配領(lǐng)域裝備機(jī)構(gòu)構(gòu)型發(fā)展趨勢(shì)

5.1 工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人由于其出色的定位精度、結(jié)構(gòu)剛度和操作靈巧性，在航空部件自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。目前國(guó)際工業(yè)機(jī)器人行業(yè)4大主流品牌，包括ABB、發(fā)那科、庫(kù)卡和安川等都已經(jīng)在航空裝配領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。

美國(guó)Electroimpact公司采用發(fā)那科機(jī)器人為波音公司研制了一套戰(zhàn)斗機(jī)自動(dòng)制孔系統(tǒng)，定位精度可達(dá)±0.5 mm。Premium公司在空客A350機(jī)型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造過(guò)程中，采用兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)完成18 m長(zhǎng)桁的粘貼任務(wù)，周向公差滿足±0.3 mm的裝配工藝要求。發(fā)那科公司采用iRVision視覺(jué)引導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建了一套高精度自動(dòng)裝配系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)修正降低了末端執(zhí)行器的振動(dòng)，提高了該套系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的適用性。特別地，庫(kù)卡大載荷工業(yè)機(jī)器人臂在大型零部件裝備中得到了廣泛應(yīng)用。

5.2 協(xié)作機(jī)器人

傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人未考慮人機(jī)交互的安全性，在其作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都需要通過(guò)圍欄將機(jī)器人與工作人員相隔離，從而大幅降低了機(jī)器人的工作效率。因此，具備末端順應(yīng)特性的協(xié)作機(jī)器人可以在保證安全性前提下，更好地與工作人員相互協(xié)作，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，在航空裝配領(lǐng)域具有更為廣泛的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外主流協(xié)作機(jī)器人品牌均已在航空工業(yè)開(kāi)展初步應(yīng)用，包括優(yōu)傲機(jī)器人、德國(guó)庫(kù)卡LBR、ABB雙臂協(xié)作機(jī)器人、FANUC機(jī)器人CR系列以及Rethink的Baxter等。

荷蘭Fokker公司自2016年開(kāi)始采用庫(kù)卡LBR iiwa七自由度協(xié)作機(jī)器人開(kāi)發(fā)了一套人機(jī)協(xié)作飛機(jī)制孔系統(tǒng)，如圖30所示，借助機(jī)器人高精度定位性能和工作人員的靈巧操作特性，大幅提高了空客A350機(jī)型外襟翼組件和起落架的裝配效率。此外，F(xiàn)okker公司也應(yīng)用優(yōu)傲協(xié)作機(jī)器人進(jìn)一步擴(kuò)展其人機(jī)協(xié)作應(yīng)用場(chǎng)景，完成了飛機(jī)襯套的涂膠操作。

圖30 A350外襟翼裝配制孔[35]Fig.30 Drilling operations in A350 outboard flap assembly[35]

德國(guó)勞恩霍夫研究所與空中客車(chē)公司合作，采用優(yōu)傲UR10機(jī)器人搭建了一套智能作業(yè)系統(tǒng)，與工人協(xié)作完成機(jī)身內(nèi)部的自沖鉚接操作。類似地，德國(guó)ZeMA公司也通過(guò)集成UR10機(jī)器人，開(kāi)發(fā)了一套的智能輔助裝配作業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了A320機(jī)身關(guān)鍵部件的人機(jī)協(xié)同裝配。

為了保證操作安全性，協(xié)作機(jī)器人在航空裝配時(shí)需要嚴(yán)格遵循以下4種協(xié)作方式：

1)安全級(jí)監(jiān)控停止：協(xié)作機(jī)器人根據(jù)操作人員是否進(jìn)入工作區(qū)域決定機(jī)器人的工作狀態(tài)，以犧牲工作效率來(lái)保證安全的協(xié)作。

2)手動(dòng)引導(dǎo)：操作人員通過(guò)一個(gè)安裝在機(jī)器人末端的手動(dòng)操作裝置來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，只要工作人員在協(xié)作區(qū)離開(kāi)引導(dǎo)裝置，機(jī)器人就會(huì)處于安全監(jiān)控停止?fàn)顟B(tài)。

3)速度和距離監(jiān)控：通過(guò)監(jiān)控協(xié)作機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度以及與人員之間的距離來(lái)保證人機(jī)協(xié)作的安全性。此種協(xié)作方式嚴(yán)重依賴于外部傳感器的精度與響應(yīng)速度。

4)功率與力限制：允許協(xié)作機(jī)器人與人之間發(fā)生有意或無(wú)意的物理接觸，在手動(dòng)引導(dǎo)方式牽引示教時(shí)，通過(guò)限制機(jī)器人輸出功率，保證人與機(jī)器人之間的安全、高效工作。

5.3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)

由于在結(jié)構(gòu)剛度、定位精度和動(dòng)態(tài)特性等方面的優(yōu)勢(shì)，并聯(lián)構(gòu)型操作裝備在航空大部件加工和裝配等領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。以Tricept、Exechon和Trivaiant等構(gòu)型為代表的混聯(lián)加工裝備更是充分發(fā)揮了并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)靈活、剛度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，在飛機(jī)零部件加工、自動(dòng)鉆鉚、機(jī)身與機(jī)翼對(duì)接面現(xiàn)場(chǎng)加工等得到實(shí)際應(yīng)用。此外，Eco Positioner、Flexible Section Assembly Cell以及Affordable Reconfigurable Tooling等借助并聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)姿定位適應(yīng)性好的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)壁板裝配、機(jī)翼對(duì)接等工藝過(guò)程。

美國(guó)Spirit航空推出的Tricept T9000目前已應(yīng)用于多型波音科技的機(jī)身框架制孔。印度斯坦航空與法國(guó)空中客車(chē)公司采用Tricept 805實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)機(jī)翼制孔，水平/垂直尾翼、龍骨梁鉚接等。上海飛機(jī)制造廠與沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)采用Tricept T9000和805協(xié)作方式，完成了中國(guó)C919大型客機(jī)的機(jī)翼制孔與壁板銑削。

德國(guó)Durr AG公司和Brojte公司分別將Eco Positioner和Flexible Section Assembly Cell并聯(lián)機(jī)構(gòu)用于波音公司和空中客車(chē)公司兩大客機(jī)制造商的機(jī)身大型部件對(duì)接裝配過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)機(jī)身的精確調(diào)姿。如圖31所示，上海飛機(jī)制造廠也采用Durr AG公司的Eco Positioner并聯(lián)機(jī)構(gòu)，用于中國(guó)C919大型客機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等大型部件裝配中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身部件的高效精確自動(dòng)化裝配。

圖31 中機(jī)身裝配Eco Positioner系統(tǒng)[73]Fig.31 Eco Positioner for middle fuselage assembly[73]

隨著應(yīng)用場(chǎng)景和工作需求的不斷提升，一些新型的機(jī)器人機(jī)構(gòu)形式也開(kāi)始在航空制造與裝配領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。英國(guó)OC機(jī)器人公司專門(mén)為空中客車(chē)公司開(kāi)發(fā)了一款適用于狹小空間探測(cè)的超冗余連續(xù)體機(jī)器臂。如圖32所示，該類機(jī)械臂具有非常緊湊的結(jié)構(gòu)形式和靈活的運(yùn)動(dòng)特性，可深度伸入飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、油箱等內(nèi)部狹小空間，完成多余物、緊固件和密封等重要部位的檢測(cè)，取得了良好的應(yīng)用效果。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于該類新型機(jī)器人形式也開(kāi)始開(kāi)展研究，新松機(jī)器人近期展示了一款具有類似功能的探測(cè)機(jī)器臂產(chǎn)品。

圖32 OC機(jī)器人的超冗余連續(xù)體機(jī)械臂[74]Fig.32 Hyper-redundant continuum robot by OC Robotics[74]

6 航空裝配中的特殊工裝夾具

在航空產(chǎn)品制造過(guò)程中，裝配工藝環(huán)節(jié)工作量巨大，約占總體制造過(guò)程時(shí)間一半。航空大部件裝配，如機(jī)身部段、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼等，具有載荷重、體積大、種類多以及精度要求高等特點(diǎn)。因此，這些零部件的拼裝對(duì)接需要使用特殊專用工裝夾具來(lái)支撐和固定，以保證在不發(fā)生變形或損壞的前提下達(dá)到裝配精度要求。傳統(tǒng)工裝夾具只針對(duì)單一產(chǎn)品，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng)、成本高，而且自動(dòng)化程度較低，因此亟需針對(duì)地開(kāi)發(fā)適用于航空裝配的特殊專用工裝。

6.1 自適應(yīng)柔性曲面夾具

自適應(yīng)柔性曲面工裝夾具這一概念是基于產(chǎn)品數(shù)字尺寸協(xié)調(diào)體系的模塊化、可重組自動(dòng)裝配工裝技術(shù)。其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種用于零部裝配的專用固定夾具，可降低工裝制造成本、縮短工裝準(zhǔn)備時(shí)間、減少生產(chǎn)占用空間，并且能夠大幅度提高裝配生產(chǎn)率。目前應(yīng)用較為廣泛的主要是多點(diǎn)陣吸盤(pán)柔性工裝夾具。

西班牙TORRES公司開(kāi)發(fā)了用于飛機(jī)薄板蒙皮加工的柔性工裝系統(tǒng)Torresmill，如圖33所示。該工裝系統(tǒng)采用多點(diǎn)陣列吸盤(pán)方式夾持和支撐壁板類零件，具有較好地生產(chǎn)柔性和定位精度，能夠適應(yīng)不同外形壁板曲面要求。類似地，美國(guó)CNA公司研制了基于POGO單元曲面自適應(yīng)柔性支撐工裝，該工裝能夠夾持金屬或者復(fù)合材料薄板零件，在薄板類零件的生產(chǎn)加工中，降低了工裝夾具的成本和制造周期。

圖33 曲面自適應(yīng)柔性?shī)A具[75]Fig.33 Multi-flexible universal holding fixture[75]

在國(guó)內(nèi)，沈陽(yáng)航空大學(xué)屈力剛等針對(duì)飛機(jī)壁板類零件型面復(fù)雜易變形的特點(diǎn)，將吸盤(pán)式柔性工裝應(yīng)用到裝配過(guò)程中，通過(guò)控制吸盤(pán)位置使之附著于工件表面，實(shí)現(xiàn)了夾具形態(tài)的重構(gòu)。真空吸盤(pán)鉸接于支柱末端，可通過(guò)連接關(guān)節(jié)進(jìn)行自適應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，支柱的升降則可以控制真空吸盤(pán)的豎直位置。將吸盤(pán)內(nèi)抽至接近真空，依靠其與外界產(chǎn)生的壓力差附著在壁板上，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)壁板的牢固裝夾。真空吸盤(pán)式夾具的優(yōu)點(diǎn)在于可以適應(yīng)不同形狀的飛機(jī)壁板曲面，且柔性吸盤(pán)不會(huì)對(duì)壁板的表面造成嚴(yán)重變形損壞。南京航空航天大學(xué)的朱明華針對(duì)國(guó)內(nèi)在柔性支撐系統(tǒng)發(fā)展較為落后的現(xiàn)狀，研究開(kāi)發(fā)了用于飛機(jī)部件裝夾的柔性多點(diǎn)自適應(yīng)曲面支撐系統(tǒng)，并詳細(xì)分析了控制方法。

6.2 特殊壁板支撐工裝

在某些大型航空航天薄壁結(jié)構(gòu)的加工制造過(guò)程中，需要使用焊接工藝進(jìn)行連接。而火箭貯箱大型機(jī)身等薄壁零件，整體尺寸大、結(jié)構(gòu)剛性弱、易發(fā)生變形。因此，在焊接裝配過(guò)程中需要使用剛性?shī)A具進(jìn)行固定，使其保持特定形狀再進(jìn)行焊接，以避免發(fā)生變形。

上海交通大學(xué)的陳正濤針對(duì)運(yùn)載火箭貯箱封閉環(huán)縫焊接過(guò)程研制了一種具有自動(dòng)折展功能的內(nèi)撐夾具。如圖34所示，該夾具通過(guò)機(jī)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)，滿足了特定的支撐運(yùn)動(dòng)能力，并通過(guò)3個(gè)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在展開(kāi)狀態(tài)和收縮狀態(tài)之間切換。該工裝夾具解決了傳統(tǒng)內(nèi)撐夾具為手工裝卸、操作不變、存在隱患等問(wèn)題，為未來(lái)重載火箭的立式專攻配工藝改進(jìn)提供了參考。

圖34 內(nèi)撐折展夾具[79]Fig.34 Inner supporting fixture[79]

在薄壁筒段裝配中，需要通過(guò)“內(nèi)撐外壓”方式進(jìn)行校形和夾緊零件。上海交通大學(xué)的葛世玉研制了立式裝焊折展式內(nèi)撐機(jī)構(gòu)，如圖35所示，該內(nèi)撐夾具在收縮狀態(tài)下進(jìn)入筒段內(nèi)部，外壓夾具則在筒段外側(cè)。整套夾具在兩筒段連接區(qū)域使用，內(nèi)撐夾具向外展開(kāi)撐起筒段，外壓夾具向內(nèi)壓緊筒段，實(shí)現(xiàn)對(duì)筒段的固定和校形。

圖35 薄壁筒段的“內(nèi)撐外壓”校形夾緊[80]Fig.35 Special fixture for fuselage assembly[80]

7 AGV在航空裝配領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)是一種按照預(yù)先設(shè)定路徑或者根據(jù)任務(wù)命令實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)行駛的搬運(yùn)設(shè)備，具有運(yùn)動(dòng)靈活性好、工作效率高以及安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。航空裝配部件具有尺寸大、精度高、種類多和工序復(fù)雜等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)機(jī)器人需要安裝于固定位置，難以滿足飛機(jī)裝配要求，因此AGV正成為提高航空裝配自動(dòng)化水平的重要技術(shù)。

1) 自動(dòng)制孔設(shè)備

航空薄壁構(gòu)件主要采用機(jī)械方式進(jìn)行連接，連接孔加工對(duì)于提升最終航空產(chǎn)品制造質(zhì)量至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)外航空裝配仍以手動(dòng)制孔為主，導(dǎo)致精度低、一致性差以及生產(chǎn)效率不高等一系列問(wèn)題。通過(guò)AGV與機(jī)器人協(xié)同作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)航空裝配連接孔的高效、精確制造，成為近年來(lái)航空企業(yè)、高校和科研院所重點(diǎn)研究的技術(shù)。

AGV由于制造裝配和電機(jī)控制等技術(shù)方面的問(wèn)題，重復(fù)入位精度較低。波音公司在其“機(jī)身自動(dòng)直立建造(FAUB)”工藝中，采用了庫(kù)卡機(jī)器人公司所開(kāi)發(fā)的AGV系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)身鉆孔及其緊固件的自動(dòng)安裝。如圖36所示，該系統(tǒng)將AGV作為平臺(tái)主體，并配有工作臺(tái)、大行程機(jī)械臂以及用于制孔和插入緊固件的特殊末端執(zhí)行器。借助上述自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)，可充分利用AGV的運(yùn)動(dòng)靈活性，減少作業(yè)人員的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，然而該系統(tǒng)存在出錯(cuò)率較高，容易導(dǎo)致機(jī)身受損，部分組裝不完整，仍需人工完成等問(wèn)題。波音公司于2019年開(kāi)始采用柔性軌道技術(shù)代替FAUB工藝進(jìn)行鉆孔，通過(guò)人機(jī)協(xié)作鉆孔保證鉆孔效率和精度。

圖36 波音公司所采用的鉆孔AGV[83]Fig.36 Boeing’s drilling AGV[83]

為了提高機(jī)器人和AGV的精度以滿足航空制孔的需要。浙江大學(xué)的陳東東針對(duì)AGV制孔設(shè)備存在定位誤差的問(wèn)題，對(duì)AGV重復(fù)入位誤差的修整和補(bǔ)償進(jìn)行了研究，將AGV重復(fù)入位誤差等效為由機(jī)器人基坐標(biāo)系發(fā)生變化而引起的誤差，并以此為基礎(chǔ)建立了機(jī)器人基坐標(biāo)系位姿誤差模型，通過(guò)進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)二次制孔實(shí)驗(yàn)，使二次制孔孔徑精度達(dá)到0.01 mm。

2)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備通過(guò)對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行檢測(cè)以保證裝配質(zhì)量，是航空裝配過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。合肥工業(yè)大學(xué)的王鑫利用AGV和協(xié)作機(jī)器人設(shè)計(jì)了一套無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)。如圖37所示，該套系統(tǒng)由搭載平臺(tái)、UR10機(jī)械臂和末端超聲相控陣檢測(cè)設(shè)備等組成，可通過(guò)AGV與機(jī)械臂的配合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)快速、高效、無(wú)損檢測(cè)，目前已成功應(yīng)用于飛機(jī)大型翼面蒙皮的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)。

圖37 無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)搭載平臺(tái)[85]Fig.37 The nondestructive testing system carrying platform[85]

3) 航空大部件搬運(yùn)設(shè)備

航空裝配領(lǐng)域存在較多大型部件，AGV作為自動(dòng)導(dǎo)引搬運(yùn)機(jī)器人，在長(zhǎng)距離航空大部件運(yùn)輸方面具有廣泛作用。國(guó)外的EGEMIN、AXTER、KUKA、FORI自動(dòng)化等公司均已開(kāi)發(fā)利用AGV來(lái)解決大部件運(yùn)輸相關(guān)技術(shù)，如圖38所示。中國(guó)航天科工三院等單位也已成功研發(fā)用于航空裝配生產(chǎn)線的AGV系統(tǒng)，大幅提高了航空裝配大部件的搬運(yùn)效率和生產(chǎn)靈活性。

圖38 航空大部件裝配AGV[87]Fig.38 Aerospace AGVs for component assembly[87]

4) 表面涂裝設(shè)備

涂裝作業(yè)容易產(chǎn)生爆炸，且對(duì)人體具有較大危害。因此，采用AGV配合機(jī)械臂方式進(jìn)行航空部件表面噴涂，可以提高工作效率，同時(shí)也能解決涂料危害問(wèn)題。如圖39所示，國(guó)外的SAFARI、CASPER、RAFS系統(tǒng)都將噴涂設(shè)備集成到移動(dòng)平臺(tái)上，取得了較好應(yīng)用效果。國(guó)內(nèi)對(duì)表面噴涂AGV的研究相對(duì)較少，目前仍然以定點(diǎn)噴涂和自動(dòng)化噴涂方面的相關(guān)研究工作為主。

圖39 RAFS系統(tǒng)[89]Fig.39 RAFS System[89]

在航空裝配的大多數(shù)領(lǐng)域，AGV能夠大幅提高航空裝配的生產(chǎn)效率和制造靈活性，同時(shí)采用無(wú)人化方式也有利于在有毒環(huán)境進(jìn)行作業(yè)。對(duì)比國(guó)內(nèi)外AGV技術(shù)在航空裝配領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀，國(guó)外已有廣泛應(yīng)用案例。由于設(shè)備復(fù)雜度高，國(guó)內(nèi)對(duì)于AGV發(fā)展進(jìn)度仍難以滿足航空裝配需求，仍停留在技術(shù)研發(fā)階段。相較國(guó)外，很多方面仍存在較大差距。隨著企業(yè)、研究院和高校的不斷研究探索，人工智能和數(shù)字孿生等技術(shù)的不斷發(fā)展，AGV將在飛機(jī)制造裝配領(lǐng)域迸發(fā)出更多的活力。

8 結(jié) 論

在航空裝配中，自動(dòng)化技術(shù)取代傳統(tǒng)人工作業(yè)模式已成為趨勢(shì)，因此機(jī)器人型裝備在航空自動(dòng)化裝配中展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢(shì)。從航空裝配中的大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)、機(jī)器人裝配理論、人機(jī)協(xié)作裝配以及人工智能輔助裝配等方面回顧了國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。雖然中國(guó)在航空自動(dòng)化裝配技術(shù)方面起步較晚，但近年來(lái)，隨著國(guó)家戰(zhàn)略層面重視和相關(guān)行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)與科研院所等深入合作，在某些領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)的完全自主可控，很多方面雖然仍存在差距，但正逐步縮小。并以自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)、柔性自適應(yīng)工裝以及AGV等關(guān)鍵技術(shù)為對(duì)象，探討了機(jī)器人型裝備于推動(dòng)航空裝配領(lǐng)域發(fā)展的重要作用以及廣闊應(yīng)用前景。因此，在未來(lái)航空裝配領(lǐng)域，機(jī)器人型裝備自主創(chuàng)新是提高中國(guó)航空自動(dòng)化裝配的必經(jīng)之路。