机器人技术在航空制造业中的应用

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1 机器人自动制孔系统[1-2]

自动制孔是航空制造领域应用最广泛、最成熟的机器人技术，目前已有成熟产品出现。如F-16、F-22、F-2和T-50等飞机的垂尾壁板，C-130飞机的梁腹板，波音F/A-18E/F超级大黄蜂后沿襟翼，F-35飞机机翼上壁板，波音B-747、C-17等飞机的机舱地板，A380机翼壁板等均采用了机器人自动制孔技术。被加工材料涉及钛合金、铝合金、碳纤维复合材料等。

机器人配合多功能钻孔末端执行器及位姿标定系统构成了机器人柔性钻削系统，具体结构形式有3种(不包括数控系统)：(1) 柔性轨道机器人＋制孔末端执行器＋监测及标定系统；(2) 自主爬行机器人＋制孔末端执行器＋监测及标定系统；(3)工业机械臂＋制孔末端执行器＋监测及标定系统。第1、2 类机器人自动制孔系统适合于大型飞机的大型工件或部件的加工，要求工件表面相对平整且曲率变化较小；第3类机器人自动制孔系统适合于复杂表面的工件加工，制孔的位置精度较高。

机器人自动制孔系统的工作分工由机器人完成末端执行器的精确定位和定姿，由末端执行器完成钻头的旋转及进给，由监测及标定系统对加工过程及定位精度进行实时测量，整个系统由中央控制器控制工艺顺序，跟踪数据(如刀具寿命和孔径)。末端执行器与传统的数控机床上的动力头相比，最大优势在于它具有压紧装置和实时力反馈装置；其次在于它的独立性和通用性：独立性表现在它本身就是个小型的制孔装置，利用它可进行一些切削实验；通用性表现在它可以配合不同的移动平台构成钻削系统。

机器人自动制孔系统的关键技术包括：

（1）压紧力的设定。

钻削开始之前，机器人将末端控制器上的钻头移动到预定位置和姿态，由末端执行器的压紧装置与被加工工件接触，并施加一定压紧力。压紧力的主要作用包括：一是补偿重力对末端执行器角度造成的影响；二是消除叠层材料层与层间的间隙，防止层间毛刺的进入；三是使结构紧凑，增加系统的动态刚度。

目前，航空制造业正在应用的机器人自动制孔系统，其压紧力和钻削力是耦合的，这样的设计使得压脚上的力随切削力的增大而减小，而作用在机器人上的力始终是压紧力，这样就使得机器人在钻孔时不用承受动态的力，而只承受一个静态的力，这种设计应保证压紧力大于切削力，以保证系统的稳定性和孔的质量。但这种设计也存在一个缺点，即会造成工件的变形。原因是在钻孔前必须先压紧，而此时作用在工件上的力很大。如何解决这一问题，可以作为未来的一个研究课题。

（2）调整刀具和工件表面的垂直。

被加工件多是大型曲面，在到达指定位置后，需要调整钻头与工件的相对姿态，即保证钻头和工件的垂直。目前一般采用4个线性位移传感器（LVDT）或4个激光位移传感器来调整钻头和工件的垂直。如何利用视觉系统或较少的位移传感器进行钻头的调姿( 目的是降低成本，提高效率) 也是值得深入探讨的关键技术之一。

（3）位置精度补偿。

制孔的位置精度即法线精度受到机器人运动学模型、负载、安装方式、刚度、末端执行器的机械间隙、刀具的磨损、热效应等因素的影响。如何采用检测、标定、补偿的方式，提高机器人自动制孔的位置及姿态精度也是制约制孔质量的关键问题。

2 机器人柔性平台[3]

飞机的壁板、尾翼、垂翼、舵板等均是复杂曲面，对这些工件进行钻孔、铆接、焊接、切割、涂料等加工操作时，必须要求工件表面与加工工具（钻头、焊枪、激光器等）垂直。有2种方法可实现这种相对位姿的调整：一种是将工件固定不动，将加工工具安装在工业机器人上，通过工业机器人的大范围运动调整加工工具的位置与姿态，使之与被加工工件表面垂直；第二种方法是将被加工工件安装在工业机械臂上，由机械臂调整被加工工件的位置及姿态，而加工工具可以采用传统的机床进行。这种加工系统可实现多工艺自动化，被称之为机器人柔性平台。由于机器人配备了测量设备，可实时确定夹具和工件的位姿，夹具几何结构的改变可在生产过程中被实时确定，避免了定期将夹具从生产过程中取出，因此可实现多过程自动化，缩短制品的生产周期。

Airbus、KUKA、Metris和Delmia4家公司联合开发了一种机器人柔性平台，用于完成空客某型号飞机工件的柔性加工。该平台的技术创新在于实现了METRI SK-Series Optical CMM 测量设备和KUKA机器人的在线动态连接，使机器人实现了位置的闭环控制，提高了机器人的定位精度，再通过集成Delmia’s V5和KUKA’s VRC的仿真软件，使得机器人程序的编制更准确更高效。同时还实现了测量设备在虚拟环境的虚拟测量，以使实际环境适应虚拟环境，使得器人可实现自适应控制，这意味着机器人可以准确地补偿动态负载下的机器人变形、温度波动以及机械的无规则运动引发的定位误差。

3 机器人涂覆系统[4]

飞机的表面涂层（雷达吸波材料或防结冰涂料）质量对飞机寿命至关重要，尤其是涂层的厚度。厚度公差、表面光洁度、气孔率、斜度的严格保证对于人工涂覆来说非常困难，而采用用机器人技术则能轻而易举地解决这些问题。目前，世界上最大的机器人涂覆自动化系统是由诺斯罗普·格鲁门公司研制Robotic AircraftFinishing System (RAFS)，它由3个固定在地面的机器人和一个可移动的机器人构成，用于B2轰炸机机体的表面涂覆。

机器人涂覆自动化的优势体现在以下几个方面：

（1）涂覆的一致性。传统的人工涂覆，需要很多人员在不同区域进行操作，虽然使用的是同样的设备，但却难以保证这些人员具有相同的技术水平，这就必须在涂覆完毕后进行打磨处理，而打磨的费用非常高；机器人涂覆可有效解决这一问题，既保证了涂覆的一致性又控制了成本。
（2）产品质量。机器人涂覆有效地消除了涂覆完的再打磨和材料中的气孔。
（3）节省材料。机器人可以实现更为精确的表面涂覆，减少了材料的浪费。
（4）环保和安全。机器人涂覆有效地降低了处理废料的成本，同时也保证了操作者免受材料粉尘的影响。

机器人涂覆系统占地面积大，要求机器人的数量多，属于大型系统集成，需要做好充分的规划；同时对单个机器人的工作空间、负载能力都有一定的要求。整个系统对机器人的离线编程和虚拟仿真技术要求高，因此在喷涂前需要做好一个合理的轨迹规划和姿态检验，以保证喷涂质量和工作效率。

4 机器人复合材料加工系统[5]

飞机上的复合材料主要是指碳纤维复合材料，它可使飞机重量更轻、强度更高、耐疲劳耐腐蚀性更好、制造及飞行成本更低。因此现代大型飞机及各式战斗机已开始广泛使用复合材料，波音787的复合材料用量已占到结构重量的50%以上。碳纤维的编织、缝合、铺放、胶粘剂及密封剂涂层等需要设备具有较大的工作空间、复杂的运动轨迹及高度的灵活性，因此复合材料的加工给传统材料的加工方式提出了新的挑战，同时也为机器人技术的应用提供了契机。