工業(yè)機(jī)器人為航空制造添活力
隨著工業(yè)機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用的逐漸深入，一些不足也開始呈現(xiàn)出來，例如作業(yè)規(guī)劃和干涉碰撞檢測的自動(dòng)化程度低、定位標(biāo)定和離線編程等生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長、對作業(yè)柔性和可拓展性考慮不足導(dǎo)致設(shè)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)無法體現(xiàn)出機(jī)器人的優(yōu)勢。
因此，未來航空制造領(lǐng)域的工業(yè)機(jī)器人需要更好地適應(yīng)單件、小批生產(chǎn)模式下多變的任務(wù)需求、復(fù)雜的場地環(huán)境，提高定位及運(yùn)動(dòng)精度，縮短離線編程和生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高設(shè)備利用率等，真正發(fā)揮出機(jī)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)。
�。�1）高精度測量定位技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度高而絕對定位精度低，無法滿足飛機(jī)數(shù)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(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的伺服控制。目前來看，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、雙目視覺、手眼視覺、激光測距傳感器等各有所長，在某些特殊場合下，聲覺、力覺傳感器也有用武之地�？梢灶A(yù)見的是，多傳感器信息融合技術(shù)必將得到進(jìn)一步發(fā)展。
�。�2）末端精度補(bǔ)償技術(shù)。機(jī)器人末端精度受運(yùn)動(dòng)學(xué)插補(bǔ)、機(jī)器人負(fù)載、剛度、機(jī)械間隙、刀具磨損、熱效應(yīng)等多種因素的影響，因此除了采用高精度的測量儀器外，建立定位誤差模型和補(bǔ)償算法也是提高定位精度的重要手段。為此，需要對機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進(jìn)行參數(shù)辨識，獲得誤差模型或誤差矩陣，進(jìn)而通過精度補(bǔ)償算法對末端執(zhí)行器的定位提供伺服修正。
（3）智能規(guī)劃技術(shù)。機(jī)器人是自動(dòng)化的載體，無論是鉆孔、噴涂、焊接、切割、裝配還是涂膠、點(diǎn)膠，最終都依靠機(jī)器人末端嚴(yán)格按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)完成作業(yè)，因此軌跡規(guī)劃的結(jié)果直接影響機(jī)器人的工作效能和效率，而軌跡規(guī)劃的效率和自動(dòng)化程度則直接影響生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。在對工藝深入了解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、機(jī)器人軌跡優(yōu)化、自動(dòng)干涉校驗(yàn)、工藝參數(shù)與過程優(yōu)化是一個(gè)重要的研究方向。
為了提高機(jī)器人的智能化程度，諸如專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、進(jìn)化計(jì)算、群計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、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、語音識別、語音合成、自然語言理解等技術(shù)也會(huì)被廣泛應(yīng)用于增加、改良人機(jī)交互方式。此外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，資源共享、知識共享、數(shù)據(jù)挖掘等理念為提高機(jī)器人的分析、決策和協(xié)作能力提供了新的思路。
�。�4）機(jī)器人控制技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)非線性、多變量的控制對象，結(jié)合位置、力矩、力、視覺等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺伺服控制等方法得到了大量應(yīng)用和研究，面對高速度、高精度、重載荷的作業(yè)需求，機(jī)器人的控制方法仍將是研究重點(diǎn)。
�。�5）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人有時(shí)無法滿足需求，隨著機(jī)器人技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的逐漸深入，對專用、特種、非標(biāo)機(jī)器人的需求越來越多，這意味著需要針對具體任務(wù)進(jìn)行本體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
�。�6）可重構(gòu)柔性加工單元技術(shù)。在飛機(jī)的制造和裝配中，工裝型架數(shù)量多、尺寸大、種類多，是一筆很大的開銷。未來的工裝將采用模塊化設(shè)計(jì)，通過移動(dòng)各種動(dòng)態(tài)模塊改變工裝格局，適應(yīng)不同尺寸和類型的產(chǎn)品�？湛凸菊谘兄频�“無型架數(shù)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(jié)合的裝配工作站，融合了一體化數(shù)字工裝和各項(xiàng)裝配、調(diào)整、檢測技術(shù)，可大大提高飛機(jī)裝配效率。
（7）數(shù)字化制造體系支持技術(shù)。在以基于模型定義（ModelBasedDefinition，MBD）為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式下，由三維設(shè)計(jì)數(shù)模分別派生出的三維工藝數(shù)模、工裝數(shù)模和檢驗(yàn)數(shù)模成為機(jī)器人作業(yè)規(guī)劃和離線編程的依據(jù)，因此基于三維數(shù)模的作業(yè)規(guī)劃、基于輕量化模型的裝配過程可視化、基于MBD的數(shù)字化檢測和基于MBD的集成數(shù)據(jù)管理功能不可或缺。此外，未來的機(jī)器人離線編程和控制系統(tǒng)需要更加開放，包括支持標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)格式、提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪問接口、與制造信息化系統(tǒng)互聯(lián)等。
伴隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和進(jìn)步，未來的航空制造機(jī)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(yīng)航空制造業(yè)日新月異的發(fā)展和不斷涌現(xiàn)的新需求：
�。�1）智能化。現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人需要通過人工示教或離線編程才能執(zhí)行作業(yè)。提高定位標(biāo)定、作業(yè)規(guī)劃和碰撞檢測的智能程度，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，是未來工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向，人們甚至希望未來的機(jī)器人能夠?qū)ψ陨淼男袨檫M(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃和控制，獨(dú)立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動(dòng)作重復(fù)。
�。�2）柔性化。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人追求速度和精度，其重量大、體積大、功耗大、剛性大，但在某些特殊場合下，具有關(guān)節(jié)力反饋能力和關(guān)節(jié)柔性的輕質(zhì)機(jī)器人因其自重小、低功耗、較高負(fù)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(fù)雜、隱蔽的產(chǎn)品空間內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，比如飛機(jī)壁板內(nèi)部的監(jiān)測、標(biāo)準(zhǔn)件緊固及密封，以及進(jìn)氣道的測量、安裝、噴涂、檢驗(yàn)等，關(guān)節(jié)式冗余自由度機(jī)器人因其工作空間大、靈活性高等特點(diǎn)而呈現(xiàn)出良好前景。
在行走機(jī)構(gòu)方面，工業(yè)機(jī)器人大多采用軌道結(jié)構(gòu)，占用工作空間和地面大，廠房投入和維護(hù)成本高。在輪式或履帶式移動(dòng)平臺(tái)上安裝工業(yè)機(jī)器人，從而達(dá)到圍繞零件移動(dòng)制造的目的不失為一種更經(jīng)濟(jì)的辦法。利用真空吸附裝置等實(shí)現(xiàn)工件表面攀附的爬行機(jī)器人也值得關(guān)注。
（4）協(xié)作化。雙臂或多臂機(jī)器人越來越受到國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的高度重視，ABB、KUKA、YASKAWA等國際知名機(jī)器人制造商紛紛開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制，目前已經(jīng)有利用雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人進(jìn)行航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪放的報(bào)道。
另外，盡管機(jī)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(jī)器人集成到生產(chǎn)中，使機(jī)器人與人并肩工作，消除人機(jī)之間的防護(hù)隔離，將人從簡單枯燥的工作中解放出來，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(jì)劃“未來工廠”項(xiàng)目的資助下聯(lián)合發(fā)起VALERI計(jì)劃，其目的就是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人先進(jìn)識別和人機(jī)協(xié)同操作�？湛鸵苍谄滹w機(jī)組裝的未來探索（FUTURASSY）項(xiàng)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(jī)器人應(yīng)用于A380方向舵組裝工作站，與普通人類員工一起進(jìn)行鉚接工作。
結(jié)束語
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(xiàn)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(shè)備升級改造，因此非常期待工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)機(jī)器人技術(shù)與基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)步也為工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)得到青睞提供了機(jī)遇�？梢灶A(yù)見的是，在我國大力發(fā)展航空技術(shù)的時(shí)代背景下，工業(yè)機(jī)器人必將在航空制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
�。�1）高精度測量定位技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度高而絕對定位精度低，無法滿足飛機(jī)數(shù)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(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的伺服控制。目前來看，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、雙目視覺、手眼視覺、激光測距傳感器等各有所長，在某些特殊場合下，聲覺、力覺傳感器也有用武之地�？梢灶A(yù)見的是，多傳感器信息融合技術(shù)必將得到進(jìn)一步發(fā)展。
�。�2）末端精度補(bǔ)償技術(shù)。機(jī)器人末端精度受運(yùn)動(dòng)學(xué)插補(bǔ)、機(jī)器人負(fù)載、剛度、機(jī)械間隙、刀具磨損、熱效應(yīng)等多種因素的影響，因此除了采用高精度的測量儀器外，建立定位誤差模型和補(bǔ)償算法也是提高定位精度的重要手段。為此，需要對機(jī)器人的關(guān)節(jié)剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進(jìn)行參數(shù)辨識，獲得誤差模型或誤差矩陣，進(jìn)而通過精度補(bǔ)償算法對末端執(zhí)行器的定位提供伺服修正。
（3）智能規(guī)劃技術(shù)。機(jī)器人是自動(dòng)化的載體，無論是鉆孔、噴涂、焊接、切割、裝配還是涂膠、點(diǎn)膠，最終都依靠機(jī)器人末端嚴(yán)格按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)完成作業(yè)，因此軌跡規(guī)劃的結(jié)果直接影響機(jī)器人的工作效能和效率，而軌跡規(guī)劃的效率和自動(dòng)化程度則直接影響生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。在對工藝深入了解的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)路徑規(guī)劃、機(jī)器人軌跡優(yōu)化、自動(dòng)干涉校驗(yàn)、工藝參數(shù)與過程優(yōu)化是一個(gè)重要的研究方向。
為了提高機(jī)器人的智能化程度，諸如專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、進(jìn)化計(jì)算、群計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)、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、語音識別、語音合成、自然語言理解等技術(shù)也會(huì)被廣泛應(yīng)用于增加、改良人機(jī)交互方式。此外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，資源共享、知識共享、數(shù)據(jù)挖掘等理念為提高機(jī)器人的分析、決策和協(xié)作能力提供了新的思路。
�。�4）機(jī)器人控制技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)非線性、多變量的控制對象，結(jié)合位置、力矩、力、視覺等信息反饋，柔順控制、力位混合控制、視覺伺服控制等方法得到了大量應(yīng)用和研究，面對高速度、高精度、重載荷的作業(yè)需求，機(jī)器人的控制方法仍將是研究重點(diǎn)。
�。�5）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。由于航空產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人有時(shí)無法滿足需求，隨著機(jī)器人技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的逐漸深入，對專用、特種、非標(biāo)機(jī)器人的需求越來越多，這意味著需要針對具體任務(wù)進(jìn)行本體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。
�。�6）可重構(gòu)柔性加工單元技術(shù)。在飛機(jī)的制造和裝配中，工裝型架數(shù)量多、尺寸大、種類多，是一筆很大的開銷。未來的工裝將采用模塊化設(shè)計(jì)，通過移動(dòng)各種動(dòng)態(tài)模塊改變工裝格局，適應(yīng)不同尺寸和類型的產(chǎn)品�？湛凸菊谘兄频�“無型架數(shù)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(jié)合的裝配工作站，融合了一體化數(shù)字工裝和各項(xiàng)裝配、調(diào)整、檢測技術(shù)，可大大提高飛機(jī)裝配效率。
（7）數(shù)字化制造體系支持技術(shù)。在以基于模型定義（ModelBasedDefinition，MBD）為核心的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造模式下，由三維設(shè)計(jì)數(shù)模分別派生出的三維工藝數(shù)模、工裝數(shù)模和檢驗(yàn)數(shù)模成為機(jī)器人作業(yè)規(guī)劃和離線編程的依據(jù)，因此基于三維數(shù)模的作業(yè)規(guī)劃、基于輕量化模型的裝配過程可視化、基于MBD的數(shù)字化檢測和基于MBD的集成數(shù)據(jù)管理功能不可或缺。此外，未來的機(jī)器人離線編程和控制系統(tǒng)需要更加開放，包括支持標(biāo)準(zhǔn)三維數(shù)據(jù)格式、提供標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)訪問接口、與制造信息化系統(tǒng)互聯(lián)等。
伴隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和進(jìn)步，未來的航空制造機(jī)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(yīng)航空制造業(yè)日新月異的發(fā)展和不斷涌現(xiàn)的新需求：
�。�1）智能化。現(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人需要通過人工示教或離線編程才能執(zhí)行作業(yè)。提高定位標(biāo)定、作業(yè)規(guī)劃和碰撞檢測的智能程度，以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，是未來工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向，人們甚至希望未來的機(jī)器人能夠?qū)ψ陨淼男袨檫M(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃和控制，獨(dú)立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動(dòng)作重復(fù)。
�。�2）柔性化。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人追求速度和精度，其重量大、體積大、功耗大、剛性大，但在某些特殊場合下，具有關(guān)節(jié)力反饋能力和關(guān)節(jié)柔性的輕質(zhì)機(jī)器人因其自重小、低功耗、較高負(fù)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(fù)雜、隱蔽的產(chǎn)品空間內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，比如飛機(jī)壁板內(nèi)部的監(jiān)測、標(biāo)準(zhǔn)件緊固及密封，以及進(jìn)氣道的測量、安裝、噴涂、檢驗(yàn)等，關(guān)節(jié)式冗余自由度機(jī)器人因其工作空間大、靈活性高等特點(diǎn)而呈現(xiàn)出良好前景。
在行走機(jī)構(gòu)方面，工業(yè)機(jī)器人大多采用軌道結(jié)構(gòu)，占用工作空間和地面大，廠房投入和維護(hù)成本高。在輪式或履帶式移動(dòng)平臺(tái)上安裝工業(yè)機(jī)器人，從而達(dá)到圍繞零件移動(dòng)制造的目的不失為一種更經(jīng)濟(jì)的辦法。利用真空吸附裝置等實(shí)現(xiàn)工件表面攀附的爬行機(jī)器人也值得關(guān)注。
（4）協(xié)作化。雙臂或多臂機(jī)器人越來越受到國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的高度重視，ABB、KUKA、YASKAWA等國際知名機(jī)器人制造商紛紛開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制，目前已經(jīng)有利用雙臂協(xié)調(diào)機(jī)器人進(jìn)行航空復(fù)合材料自動(dòng)鋪放的報(bào)道。
另外，盡管機(jī)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(jī)器人集成到生產(chǎn)中，使機(jī)器人與人并肩工作，消除人機(jī)之間的防護(hù)隔離，將人從簡單枯燥的工作中解放出來，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(jì)劃“未來工廠”項(xiàng)目的資助下聯(lián)合發(fā)起VALERI計(jì)劃，其目的就是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人先進(jìn)識別和人機(jī)協(xié)同操作�？湛鸵苍谄滹w機(jī)組裝的未來探索（FUTURASSY）項(xiàng)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(jī)器人應(yīng)用于A380方向舵組裝工作站，與普通人類員工一起進(jìn)行鉚接工作。
結(jié)束語
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(xiàn)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(shè)備升級改造，因此非常期待工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)機(jī)器人技術(shù)與基礎(chǔ)理論研究的進(jìn)步也為工業(yè)機(jī)器人在航空制造業(yè)得到青睞提供了機(jī)遇�？梢灶A(yù)見的是，在我國大力發(fā)展航空技術(shù)的時(shí)代背景下，工業(yè)機(jī)器人必將在航空制造領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。
（來源：中國航空新聞網(wǎng)）
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