航空制造對工業(yè)機器人提出更高要求
發(fā)布時(shí)間：2018-12-14 11:43:55
隨著(zhù)工業(yè)機器人在航空制造領(lǐng)域應用的逐漸深入，一些不足也開(kāi)始呈現出來(lái)，例如作業(yè)規劃和干涉碰撞檢測的自動(dòng)化程度低、定位標定和離線(xiàn)編程等生產(chǎn)準備時(shí)間長(cháng)、對作業(yè)柔性和可拓展性考慮不足導致設備利用率不高等，在航空產(chǎn)品單件小批生產(chǎn)模式下有時(shí)無(wú)法體現出機器人的優(yōu)勢。
因此，未來(lái)航空制造領(lǐng)域的工業(yè)機器人需要更好地適應單件、小批生產(chǎn)模式下多變的任務(wù)需求、復雜的場(chǎng)地環(huán)境，提高定位及運動(dòng)精度，縮短離線(xiàn)編程和生產(chǎn)準備時(shí)間，提高設備利用率等，真正發(fā)揮出機器人的優(yōu)勢和特點(diǎn)。下列技術(shù)將成為共性的關(guān)鍵使能技術(shù)。
高精度測量定位技術(shù)
工業(yè)機器人的重復定位精度高而絕對定位精度低，無(wú)法滿(mǎn)足飛機數字化裝配中絕對定位精度要求，因此需要高精度測量裝置引導機器人末端執行器實(shí)現運動(dòng)軌跡的伺服控制。目前來(lái)看，大范圍測量主要使用激光跟蹤儀和iGPS 等，局部測量中單目視覺(jué)、雙目視覺(jué)、手眼視覺(jué)、激光測距傳感器等各有所長(cháng)，在某些特殊場(chǎng)合下，聲覺(jué)、力覺(jué)傳感器也有用武之地?？梢灶A見(jiàn)的是，多傳感器信息融合技術(shù)必將得到進(jìn)一步發(fā)展。
末端精度補償技術(shù)
機器人末端精度受運動(dòng)學(xué)插補、機器人負載、剛度、機械間隙、刀具磨損、熱效應等多種因素的影響，因此除了采用高精度的測量?jì)x器外，建立定位誤差模型和補償算法也是提高定位精度的重要手段。為此，需要對機器人的關(guān)節剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進(jìn)行參數辨識，獲得誤差模型或誤差矩陣，進(jìn)而通過(guò)精度補償算法對末端執行器的定位提供伺服修正。
智能規劃技術(shù)
機器人是自動(dòng)化的載體，無(wú)論是鉆孔、噴涂、焊接、切割、裝配還是涂膠、點(diǎn)膠，最終都依靠機器人末端嚴格按照預定軌跡運動(dòng)完成作業(yè)，因此軌跡規劃的結果直接影響機器人的工作效能和效率，而軌跡規劃的效率和自動(dòng)化程度則直接影響生產(chǎn)準備時(shí)間。在對工藝深入了解的基礎上，實(shí)現自動(dòng)路徑規劃、機器人軌跡優(yōu)化、自動(dòng)干涉校驗、工藝參數與過(guò)程優(yōu)化是一個(gè)重要的研究方向。
為了提高機器人的智能化程度，諸如專(zhuān)家系統、模糊系統、進(jìn)化計算、群計算、機器學(xué)習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等人工智能方法將被大量引入，而圖像識別、語(yǔ)音識別、語(yǔ)音合成、自然語(yǔ)言理解等技術(shù)也會(huì )被廣泛應用于增加、改良人機交互方式。此外，云計算、大數據等技術(shù)的快速發(fā)展，資源共享、知識共享、數據挖掘等理念為提高機器人的分析、決策和協(xié)作能力提供了新的思路。
機器人控制技術(shù)
由于工業(yè)機器人是一個(gè)非線(xiàn)性、多變量的控制對象，結合位置、力矩、力、視覺(jué)等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺(jué)伺服控制等方法得到了大量應用和研究，面對高速度、高精度、重載荷的作業(yè)需求，機器人的控制方法仍將是研究重點(diǎn)。
機器人本體結構創(chuàng )新設計
由于航空產(chǎn)品結構的特殊性，傳統的工業(yè)機器人有時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足需求，隨著(zhù)機器人技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的逐漸深入，對專(zhuān)用、特種、非標機器人的需求越來(lái)越多，這意味著(zhù)需要針對具體任務(wù)進(jìn)行本體結構的創(chuàng )新設計，擴大機器人的應用領(lǐng)域。
可重構柔性加工單元技術(shù)
在飛機的制造和裝配中，工裝型架數量多、尺寸大、種類(lèi)多，是一筆很大的開(kāi)銷(xiāo)。未來(lái)的工裝將采用模塊化設計，通過(guò)移動(dòng)各種動(dòng)態(tài)模塊改變工裝格局，適應不同尺寸和類(lèi)型的產(chǎn)品?？湛凸菊谘兄频摹盁o(wú)型架數字化裝配技術(shù)中心”就是該理念的產(chǎn)物，該中心是一個(gè)軟、硬件相結合的裝配工作站，融合了一體化數字工裝和各項裝配、調整、檢測技術(shù)，可大大提高飛機裝配效率。
數字化制造體系支持技術(shù)
在以基于模型定義（Model Based Definition， MBD）為核心的數字化工藝設計和產(chǎn)品制造模式下，由三維設計數模分別派生出的三維工藝數模、工裝數模和檢驗數模成為機器人作業(yè)規劃和離線(xiàn)編程的依據，因此基于三維數模的作業(yè)規劃、基于輕量化模型的裝配過(guò)程可視化、基于MBD 的數字化檢測和基于MBD 的集成數據管理功能不可或缺。此外，未來(lái)的機器人離線(xiàn)編程和控制系統需要更加開(kāi)放，包括支持標準三維數據格式、提供標準化的數據訪(fǎng)問(wèn)接口、與制造信息化系統互聯(lián)等。
伴隨著(zhù)這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和進(jìn)步，未來(lái)的航空制造機器人將向智能化、柔性化、靈巧化、協(xié)作化的方向發(fā)展，以適應航空制造業(yè)日新月異的發(fā)展和不斷涌現的新需求：
（1）智能化?，F有工業(yè)機器人需要通過(guò)人工示教或離線(xiàn)編程才能執行作業(yè)。提高定位標定、作業(yè)規劃和碰撞檢測的智能程度，以縮短生產(chǎn)準備時(shí)間，是未來(lái)工業(yè)機器人的一個(gè)重要發(fā)展方向，人們甚至希望未來(lái)的機器人能夠對自身的行為進(jìn)行實(shí)時(shí)規劃和控制，獨立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動(dòng)作重復。
（2）柔性化。傳統工業(yè)機器人追求速度和精度，其重量大、體積大、功耗大、剛性大，但在某些特殊場(chǎng)合下，具有關(guān)節力反饋能力和關(guān)節柔性的輕質(zhì)機器人因其自重小、低功耗、較高負載／ 自重比和具備柔順控制能力等特點(diǎn)更具優(yōu)勢。
（3）靈巧化。航空制造經(jīng)常需要在復雜、隱蔽的產(chǎn)品空間內部進(jìn)行作業(yè)，比如飛機壁板內部的監測、標準件緊固及密封，以及進(jìn)氣道的測量、安裝、噴涂、檢驗等，關(guān)節式冗余自由度機器人因其工作空間大、靈活性高等特點(diǎn)而呈現出良好前景。
在行走機構方面，工業(yè)機器人大多采用軌道結構，占用工作空間和地面大，廠(chǎng)房投入和維護成本高。在輪式或履帶式移動(dòng)平臺上安裝工業(yè)機器人，從而達到圍繞零件移動(dòng)制造的目的不失為一種更經(jīng)濟的辦法。利用真空吸附裝置等實(shí)現工件表面攀附的爬行機器人也值得關(guān)注。
（4）協(xié)作化。雙臂或多臂機器人越來(lái)越受到國內外眾多科研機構的高度重視，ABB、KUKA、YASKAWA等國際知名機器人制造商紛紛開(kāi)展了相關(guān)產(chǎn)品的研制，目前已經(jīng)有利用雙臂協(xié)調機器人進(jìn)行航空復合材料自動(dòng)鋪放的報道。
另外，盡管機器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，但畢竟不可能完全取代人，將機器人集成到生產(chǎn)中，使機器人與人并肩工作，消除人機之間的防護隔離，將人從簡(jiǎn)單枯燥的工作中解放出來(lái)，進(jìn)而從事更有附加值的工作，一直是人們心目中最理想和最具吸引力的航空制造模式。2012 年底，德國、奧地利、西班牙等國家在歐盟第七框架計劃“未來(lái)工廠(chǎng)”項目的資助下聯(lián)合發(fā)起VALERI 計劃，其目的就是實(shí)現機器人先進(jìn)識別和人機協(xié)同操作?？湛鸵苍谄滹w機組裝的未來(lái)探索（FUTURASSY）項目中做出了大膽嘗試，將日本川田工業(yè)株式會(huì )社研制的人型雙臂機器人應用于A(yíng)380方向舵組裝工作站，與普通人類(lèi)員工一起進(jìn)行鉚接工作。
小結
我國航空制造業(yè)正處于高速發(fā)展階段，新材料、新工藝的不斷出現和高質(zhì)量、低成本、柔性化制造的需求使得企業(yè)迫切需要技術(shù)和設備升級改造，因此非常期待工業(yè)機器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)機器人技術(shù)與基礎理論研究的進(jìn)步也為工業(yè)機器人在航空制造業(yè)得到青睞提供了機遇?？梢灶A見(jiàn)的是，在我國大力發(fā)展航空技術(shù)的時(shí)代背景下，工業(yè)機器人必將在航空制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
