七大技術助力工業機器人要進入航空制造領域
http://m.sharifulalam.com 2015-10-22 15:39
近年來，工業機器人因其重復精度高、可靠性好、適用性強等優點，已經在汽車、電子、食品、化工、物流等多個行業廣泛應用并日趨成熟，有效提高了產品質量和生產效率、節約了勞動力和制造成本、增強了生產柔性和企業競爭力。此外，對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、降低材料消耗發揮了十分重要的作用。而目前航空航天產品制造過程仍舊是勞動密集、工序繁復、工況惡劣、輔以大量工裝夾具并以手工制造為主。自動化生產能力不足，已成為制約提高武器裝備可靠性和生產能力的瓶頸。在我國大力發展航空航天的時代背景下，航空航天制造企業應用工業機器人進行自動化生產，對企業生產模式轉型升級、裝備先進制造能力提升具有十分重要的意義和價值。
在航空航天制造領域，工業機器人不僅要完成典型的點膠、焊接、噴涂、熱處理、搬運、裝配以及檢測等作業，還要進行鉆孔、鉚接、密封、修整、復合材料鋪敷、無損探傷等特種作業任務。與傳統制造行業不同，航空航天產品制造具有尺寸大、結構復雜、性能指標精度高、載荷重、環境潔凈度高以及材料特殊等特點，對工業機器人的結構、性能、動作流程和可靠性等都提出了更高的要求。此外，航天產品多品種、小批量的生產特點還要求工業機器人具有良好的作業柔性和可擴展性，通過快速重構可形成適應新環境、新任務的機器人系統。
隨著工業機器人在航空制造領域應用的逐漸深入，一些不足也開始呈現出來，例如作業規劃和干涉碰撞檢測的自動化程度低、定位標定和離線編程等生產準備時間長、對作業柔性和可拓展性考慮不足導致設備利用率不高等，在航空產品單件小批生產模式下有時無法體現出機器人的優勢。
因此，未來航空制造領域的工業機器人需要更好地適應單件、小批生產模式下多變的任務需求、復雜的場地環境，提高定位及運動精度，縮短離線編程和生產準備時間，提高設備利用率等，真正發揮出機器人的優勢和特點。下列技術將成為共性的關鍵使能技術。
（1）高精度測量定位技術。工業機器人的重復定位精度高而絕對定位精度低，無法滿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現運動軌跡的伺服控制。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。可以預見的是，多傳感器信息融合技術必將得到進一步發展。
（2）末端精度補償技術。機器人末端精度受運動學插補、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儀器外，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，需要對機器人的關節剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進行參數辨識，獲得誤差模型或誤差矩陣，進而通過精度補償算法對末端執行器的定位提供伺服修正。
（3）智能規劃技術。機器人是自動化的載體，無論是鉆孔、噴涂、焊接、切割、裝配還是涂膠、點膠，最終都依靠機器人末端嚴格按照預定軌跡運動完成作業，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化程度則直接影響生產準備時間。在對工藝深入了解的基礎上，實現自動路徑規劃、機器人軌跡優化、自動干涉校驗、工藝參數與過程優化是一個重要的研究方向。
為了提高機器人的智能化程度，諸如專家系統、模糊系統、進化計算、群計算、機器學習、神經網絡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也會被廣泛應用于增加、改良人機交互方式。此外，云計算、大數據等技術的快速發展，資源共享、知識共享、數據挖掘等理念為提高機器人的分析、決策和協作能力提供了新的思路。
（4）機器人控制技術。由于工業機器人是一個非線性、多變量的控制對象，結合位置、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用和研究，面對高速度、高精度、重載荷的作業需求，機器人的控制方法仍將是研究重點。
（5）機器人本體結構創新設計。由于航空產品結構的特殊性，傳統的工業機器人有時無法滿足需求，隨著機器人技術在航空制造領域的逐漸深入，對專用、特種、非標機器人的需求越來越多，這意味著需要針對具體任務進行本體結構的創新設計，擴大機器人的應用領域。
（6）可重構柔性加工單元技術。在飛機的制造和裝配中，工裝型架數量多、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計，通過移動各種動態模塊改變工裝格局，適應不同尺寸和類型的產品。空客公司正在研制的“無型架數字化裝配技術中心”就是該理念的產物，該中心是一個軟、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，可大大提高飛機裝配效率。
（7）數字化制造體系支持技術。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規劃和離線編程的依據，因此基于三維數模的作業規劃、基于輕量化模型的裝配過程可視化、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，未來的機器人離線編程和控制系統需要更加開放，包括支持標準三維數據格式、提供標準化的數據訪問接口、與制造信息化系統互聯等。
伴隨著這些關鍵技術的突破和進步，未來的航空制造機器人將向智能化、柔性化、靈巧化、協作化的方向發展，以適應航空制造業日新月異的發展和不斷涌現的新需求：
①智能化?，F有工業機器人需要通過人工示教或離線編程才能執行作業。提高定位標定、作業規劃和碰撞檢測的智能程度，以縮短生產準備時間，是未來工業機器人的一個重要發展方向，人們甚至希望未來的機器人能夠對自身的行為進行實時規劃和控制，獨立自主地完成工作，而不是僅僅局限于動作重復。
②柔性化。傳統工業機器人追求速度和精度，其重量大、體積大、功耗大、剛性大，但在某些特殊場合下，具有關節力反饋能力和關節柔性的輕質機器人因其自重小、低功耗、較高負載/自重比和具備柔順控制能力等特點更具優勢。
③靈巧化。航空制造經常需要在復雜、隱蔽的產品空間內部進行作業，比如飛機壁板內部的監測、標準件緊固及密封，以及進氣道的測量、安裝、噴涂、檢驗等，關節式冗余自由度機器人因其工作空間大、靈活性高等特點而呈現出良好前景。
在行走機構方面，工業機器人大多采用軌道結構，占用工作空間和地面大，廠房投入和維護成本高。在輪式或履帶式移動平臺上安裝工業機器人，從而達到圍繞零件移動制造的目的不失為一種更經濟的辦法。利用真空吸附裝置等實現工件表面攀附的爬行機器人也值得關注。
④協作化。雙臂或多臂機器人越來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展了相關產品的研制，目前已經有利用雙臂協調機器人進行航空復合材料自動鋪放的報道。
另外，盡管機器人技術的發展日新月異，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，將人從簡單枯燥的工作中解放出來，進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“未來工廠”項目的資助下聯合發起VALERI計劃，其目的就是實現機器人先進識別和人機協同操作?？湛鸵苍谄滹w機組裝的未來探索（FUTURASSY）項目中做出了大膽嘗試，將日本川田工業株式會社研制的人型雙臂機器人應用于A380方向舵組裝工作站，與普通人類員工一起進行鉚接工作。
面對航空航天制造領域大尺度、高精度、多品種、小批量的生產特點，提高質量、降低成本、快速反應是航空航天制造企業應對市場競爭和行業發展的重要手段。工業機器人在企業生產模式轉型升級、提升裝備先進制造能力方面將發揮著重要角色。當前新型材料、高精加工、復雜裝配對工業機器人的技術應用、制造理念和管理規劃提出了新的要求，需要制造企業和機器人研發團隊密切合作，針對應用中面臨的各項關鍵技術探索突破，從而實現工業機器人技術在航空航天制造領域不斷創新。
我國航空制造業正處于高速發展階段，新材料、新工藝的不斷出現和高質量、低成本、柔性化制造的需求使得企業迫切需要技術和設備升級改造，因此非常期待工業機器人技術的進一步發展，同時機器人技術與基礎理論研究的進步也為工業機器人在航空制造業得到青睞提供了機遇。可以預見的是，在我國大力發展航空技術的時代背景下，工業機器人必將在航空制造領域發揮更大的作用。
相關新聞
編輯精選
