航空制造機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).pdf

26航空制造技術(shù)2015 年第 10 期 專 稿 FEATURE 近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)紛紛通過(guò)成品采購(gòu)、 自主 研制、 與科研院所聯(lián)合研制等手段在航空產(chǎn)品制造中引入 工業(yè)機(jī)器人， 并已經(jīng)取得了較為豐碩的成果和長(zhǎng)足的進(jìn)步。 本文在總結(jié)這些應(yīng)用和成果的基礎(chǔ)上， 通過(guò)分析和梳理航 空制造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)， 對(duì)未 來(lái)航空制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討， 旨在拋 磚引玉， 引發(fā)業(yè)內(nèi)人士對(duì)該問(wèn)題的廣泛思考。 清華大學(xué)機(jī)械工程系 王國(guó)磊 吳 丹 陳 懇 航空制造機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)* Current Status and Development Trend of Aviation Manufacturing Robot 王國(guó)磊 博士， 清華大學(xué)機(jī)器人及自動(dòng)化 實(shí)驗(yàn)室助理研究員， 研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)器 人技術(shù)、 智能制造技術(shù)與裝備， 近年來(lái) 一直圍繞航空制造領(lǐng)域開(kāi)展特種機(jī)器 人與先進(jìn)制造裝備的研究。參與、 承 擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等相關(guān)課題 10 余項(xiàng)， 在國(guó)內(nèi)外重要期刊及學(xué)術(shù)會(huì) 議上發(fā)表論文 10 余篇。 利用工業(yè)機(jī)器人提高產(chǎn)品質(zhì)量、 節(jié)約勞動(dòng)力、 降低制造成本、 升級(jí)企 業(yè)生產(chǎn)模式、 提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力已經(jīng)在 制造企業(yè)成為共識(shí)。然而， 航空產(chǎn)品 制造與傳統(tǒng)制造業(yè)有很大不同， 其產(chǎn) 品尺寸大、 載荷重、 材料特殊、 結(jié)構(gòu)復(fù) 雜、 性能指標(biāo)精度高， 其生產(chǎn)專用裝 備多、 工裝復(fù)雜、 工藝流程多變、 制造 環(huán)境要求高， 且具有多品種、 小批量、 設(shè)計(jì)制造并行等特點(diǎn)。因此， 航空制 造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、 可靠性、 開(kāi) 放性、 運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)態(tài)特性等核心性 能提出了更高的要求。 近年來(lái)， 國(guó)內(nèi)航空制造企業(yè)紛紛 通過(guò)成品采購(gòu)、 自主研制、 與科研院所 聯(lián)合研制等手段在航空產(chǎn)品制造中引 入工業(yè)機(jī)器人， 并已經(jīng)取得了較為豐 碩的成果和長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文在總 結(jié)這些應(yīng)用和成果的基礎(chǔ)上， 通過(guò)分 析和梳理航空制造對(duì)工業(yè)機(jī)器人的 需求和亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)， 對(duì)未來(lái) 航空制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨 勢(shì)進(jìn)行探討， 旨在拋磚引玉， 引發(fā)業(yè) 內(nèi)人士對(duì)該問(wèn)題的廣泛思考。 應(yīng)用現(xiàn)狀 1 自動(dòng)化制孔與連接 傳統(tǒng)手工制孔以風(fēng)鉆鉆孔為主， 存在孔位精度低、 加工工序長(zhǎng)、 加工 質(zhì)量控制困難等缺點(diǎn)， 因此制孔成為 航空制造領(lǐng)域最早應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù) 的環(huán)節(jié)， 制孔機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 波音、 空客的生產(chǎn)線， 從效果上來(lái)看， 制孔效率可以達(dá)到人工的 610 倍。 目前， 國(guó)外已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品和專業(yè) 制造商出現(xiàn)， 例如美國(guó) Gemcor 公司、 EI 公司、 德國(guó) Broetje 公司、 西班牙的 M. Torres 公司等。 國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化制孔應(yīng)用還多限 于零部件級(jí)別， 在大部件、 機(jī)身的自 動(dòng)化制孔方面相對(duì)滯后， 因此目前各 大航空制造企業(yè)都在積極推動(dòng)大型 數(shù)字化制孔設(shè)備的研發(fā)和工程應(yīng)用。 機(jī)器人自動(dòng)化制孔的關(guān)鍵技術(shù) 包括 1-4： （1）制孔精度保證?，F(xiàn)代飛機(jī) 更加強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)壽命、 隱身性和互 * 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （61403226） 和摩 擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目 （SKLT09A03） 資助。 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2015.10.026 2015 年第 10 期航空制造技術(shù)27 專 稿 FEATURE 換性要求， 對(duì)孔位精度、 孔徑精度和 锪窩深度等要求越來(lái)越高， 而傳統(tǒng) 的工業(yè)機(jī)器人定位精度最高能達(dá)到 0.3mm 左右， 無(wú)法滿足高孔位精度 的制孔要求。借助高精度測(cè)量設(shè)備 引導(dǎo)末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)精確位置伺服、 光視力覺(jué)多傳感器的在線融合反饋 控制、 顫振抑制、 動(dòng)態(tài)誤差補(bǔ)償?shù)榷?是提高制孔精度的關(guān)鍵技術(shù)。 （2）多功能末端執(zhí)行器。為了 滿足制孔精度和表面質(zhì)量要求， 保證 加工穩(wěn)定性， 并滿足自動(dòng)化制孔對(duì)刀 具冷卻潤(rùn)滑、 切屑吸排、 刀具磨損破 損監(jiān)控的要求， 自動(dòng)制孔系統(tǒng)的末端 執(zhí)行器需要具有高精度進(jìn)給、 壓緊、 法矢測(cè)量、 锪窩深度控制、 鉆削軸向 力檢測(cè)、 刀具微量潤(rùn)滑、 吸排屑以及 加工過(guò)程監(jiān)控等功能。 （3） 難加工材料制孔工藝技術(shù)。 現(xiàn)代飛機(jī)大量采用的碳纖維復(fù)合材 料和鈦合金都屬于典型的難加工材 料， 如何降低制孔時(shí)的顫振現(xiàn)象、 消 除疊層間隙、 防止層間毛刺的進(jìn)入、 避免復(fù)合材料分層等是提高制孔質(zhì) 量的關(guān)鍵。 2 表面噴涂與精整 表面噴涂是現(xiàn)代飛機(jī)制造過(guò)程 中最耗時(shí)的環(huán)節(jié)之一， 例如一架空客 A380 飛機(jī)的待噴涂面積達(dá) 3150m2， 機(jī)身表面僅白色涂層的重量就接近 500kg， 需要約 30 名涂裝人員工作 超過(guò) 10 天才能完成一個(gè)架次的噴 涂。另外， 人工噴涂作業(yè)不但質(zhì)量不 穩(wěn)定， 還會(huì)對(duì)從業(yè)人員身體健康造成 巨大傷害。相比之下， 采用機(jī)器人進(jìn) 行自動(dòng)化噴涂則在噴涂效率、 噴涂一 致性、 安全環(huán)保等方面具有獨(dú)到的優(yōu) 勢(shì)。然而， 由于航空產(chǎn)品大多尺寸龐 大， 遠(yuǎn)超常見(jiàn)工業(yè)機(jī)器人的工作空 間， 故需要經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)、 改造或集 成的噴涂機(jī)器人， 其技術(shù)復(fù)雜度較 高， 因此應(yīng)用還不廣泛， 具有廣闊的 市場(chǎng)空間和發(fā)展前景。 目前國(guó)外最具代表性的成果是 洛克希德馬丁公司為 F-35 戰(zhàn)機(jī)研 制的機(jī)器人飛機(jī)精整系統(tǒng) （Robotic Aircraft Finishing System， RAFS） 5， 該系統(tǒng)由飛機(jī)定位系統(tǒng)、 涂料輸送系 統(tǒng)、 三坐標(biāo)導(dǎo)軌、 3 個(gè)六軸噴涂機(jī)器 人以及離線編程系統(tǒng)等組成， 可完 成 F-35 整個(gè)機(jī)身外表的自動(dòng)化噴涂 （圖 1） 。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在自動(dòng)化噴涂 設(shè)備研制方面進(jìn)展迅速。如清華大 學(xué)機(jī)器人與自動(dòng)化技術(shù)及裝備研究 室先后研制了一系列具有自主知識(shí) 產(chǎn)權(quán)的超長(zhǎng)特種噴涂機(jī)器人和大型 多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)， 在噴涂機(jī)器人結(jié) 構(gòu)、 控制、 測(cè)量、 軟件、 工藝和系統(tǒng)集 成方面形成了一定的研究特色和技 術(shù)優(yōu)勢(shì) （圖 2 和圖 3） ， 并已經(jīng)取得了 工程應(yīng)用 6-8。 機(jī)器人噴涂與精整的關(guān)鍵技術(shù) 包括 9-11： （1） 大型、 復(fù)雜曲面噴涂作業(yè)規(guī) 劃技術(shù)。對(duì)于大尺寸航空產(chǎn)品， 通常 以成熟噴涂機(jī)器人作為基本噴涂單 元， 借助變位機(jī)構(gòu)擴(kuò)大機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 范圍， 并對(duì)大型曲面進(jìn)行分塊， 利用 機(jī)器人逐一地進(jìn)行噴涂。因此， 需要 對(duì)機(jī)器人工作空間分析、 曲面最優(yōu)分 割、 面塊間噴涂軌跡搭接、 機(jī)器人站 位優(yōu)化等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。 （2）快速離線編程和運(yùn)動(dòng)仿真 技術(shù)。航空產(chǎn)品單件、 小批的生產(chǎn)模 式使得噴涂機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象經(jīng)常發(fā) 生變化， 因此機(jī)器人離線編程的效率 變得十分重要?；跀?shù)模的噴槍軌跡 自動(dòng)規(guī)劃、 自動(dòng)干涉校驗(yàn)等技術(shù)是減 圖1 應(yīng)用于F-35戰(zhàn)機(jī)的RAFS系統(tǒng) 圖2 清華大學(xué)研制的大型多機(jī)器人噴涂系統(tǒng)THPT-3 圖3 清華大學(xué)研制的超長(zhǎng)特種噴涂機(jī)器人THPT-1 28航空制造技術(shù)2015 年第 10 期 專 稿 FEATURE 少機(jī)器人生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間的重要手段。 （3） 涂層厚度精確預(yù)測(cè)和控制。 為獲得良好的涂層均勻性， 需事先進(jìn) 行大量、 反復(fù)的噴涂試驗(yàn)， 以確定噴 涂軌跡和工藝參數(shù)。對(duì)涂層厚度分 布影響因素的深入研究、 建立更準(zhǔn)確 的噴槍模型、 實(shí)現(xiàn)噴涂過(guò)程的數(shù)值模 擬， 對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和控制涂層厚度、 提 高噴涂作業(yè)質(zhì)量、 減少產(chǎn)品的補(bǔ)噴 / 打磨次數(shù)具有非常重要的指導(dǎo)意義。 3 柔性裝配 柔性裝配的概念已經(jīng)融入航空 制造業(yè)， 其中工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是柔性 裝配中的主要設(shè)備之一。 目前， 國(guó)外各大飛機(jī)制造公司均 大量采用自動(dòng)化對(duì)接裝配系統(tǒng)來(lái)代 替大型的固定裝配型架， 系統(tǒng)由計(jì)算 機(jī)集成控制的自動(dòng)化定位器、 激光測(cè) 量裝置和電氣硬件組成， 同時(shí)還集成 了多臺(tái)工業(yè)機(jī)器人， 負(fù)責(zé)在對(duì)接裝配 中輔助進(jìn)行精確定位、 裝夾、 連接、 固 定、 檢驗(yàn)等多種工作。例如， EI 公司 采用機(jī)器人在艙門(mén)裝配中完成輔助 定位工作 （圖 4） 。 這種集成了機(jī)器人、 智能集成控 制技術(shù)的對(duì)接平臺(tái)系統(tǒng)大幅度提高 了機(jī)體的裝配質(zhì)量， 并且通用性強(qiáng)、 柔性大， 能夠適應(yīng)不同尺寸的機(jī)身、 機(jī)翼結(jié)構(gòu)， 節(jié)省大量裝配型架。 機(jī)器人裝配系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包 括 12-13： （1）虛擬仿真技術(shù)。飛機(jī)裝配 工位環(huán)境復(fù)雜、 不寬敞， 因此需要在 作業(yè)前進(jìn)行模擬仿真， 避免實(shí)體裝配 時(shí)可能出現(xiàn)的干涉碰撞， 節(jié)約時(shí)間， 提高作業(yè)安全性。 （2）裝配過(guò)程中的實(shí)時(shí)反饋。 主要指位置反饋和力反饋， 其中， 位 置反饋即利用視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控 被裝配件與周邊設(shè)備或裝配母體之 間的位置， 以避免意外事故發(fā)生； 而 力反饋則是利用力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控 被裝配件之間的接觸狀態(tài)， 實(shí)現(xiàn)主動(dòng) 柔順與被動(dòng)柔順裝配。 （3）數(shù)字化裝配生產(chǎn)線。將工 業(yè)機(jī)器人進(jìn)一步集成， 形成一套較為 完整的、 可用于飛機(jī)部裝或總裝的數(shù) 字化裝配生產(chǎn)線， 是現(xiàn)代飛機(jī)制造技 術(shù)先進(jìn)性的標(biāo)志和閃亮的市場(chǎng)賣(mài)點(diǎn)。 4 測(cè)量與檢測(cè) 在機(jī)器人末端加裝測(cè)量頭即可 構(gòu)成機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)。與傳統(tǒng)檢測(cè) 系統(tǒng)相比， 機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)具有靈活 性好、 重復(fù)精度高的特點(diǎn)， 避免了傳 統(tǒng)傳感器支撐軸過(guò)多的缺點(diǎn)， 節(jié)省了 大量空間和工作量。目前， 機(jī)器人檢 測(cè)已應(yīng)用于孔徑測(cè)量、 外形檢測(cè)和無(wú) 損探傷等方面 （圖 5） 。 5 零部件搬運(yùn) 作為飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)中不可 分割的一部分， 機(jī)器人輔助移動(dòng)平臺(tái) 可以極大地提高飛機(jī)部件的運(yùn)輸和 裝配效率。其應(yīng)用主要有兩種： 一種 是利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)大范圍搬運(yùn)， 常見(jiàn) 辦法是在自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē) （Automated Guided Vehicle， AGV） 或者氣墊車(chē) 上安裝機(jī)器人手臂， 借助巡線、 室內(nèi) GPS（indoor GPS, iGPS） 等導(dǎo)航技 術(shù)， 迅速達(dá)到指定位置， 準(zhǔn)確抓取產(chǎn) 品組部件運(yùn)送并安放在目標(biāo)位置點(diǎn)； 一種是實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)零部件的精確 搬運(yùn)和定位， 常用方法是將高精度測(cè) 量設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合， 在夾持 工件上設(shè)置關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)， 用高精度測(cè) 量設(shè)備對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、 位姿進(jìn)行監(jiān) 控， 機(jī)器人按計(jì)算的運(yùn)動(dòng)軌跡將被 裝配工件移動(dòng)到位， 例如波音 787 的 D-NOSE 組件在鉆鉚機(jī)上就是采用 機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)的。 6 碳纖維復(fù)合材料加工 碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)過(guò)程十 分復(fù)雜， 其編織、 縫合、 鋪放、 膠粘劑 及密封劑涂層等工序非常適合機(jī) 器人技術(shù)的應(yīng)用。英國(guó)國(guó)家復(fù)合材 料中心 （National Composites Center, NCC） 與 GKN 航空航天企業(yè)合作開(kāi) 發(fā)的雙機(jī)械臂式自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)， 不僅比手工作業(yè)節(jié)約材料， 同時(shí)也替 代了龍門(mén)式工裝， 降低了投資成本。 碳纖維加工系統(tǒng)的研制關(guān)鍵在 于具有快換功能的末端執(zhí)行器， 而且 由于需要較大的工作空間、 復(fù)雜的運(yùn) 動(dòng)軌跡及高度的靈活性， 往往采用冗 余自由度機(jī)械臂 14。 7 連接與切割 除了機(jī)械連接外， 自動(dòng)化連接還 圖5 X射線無(wú)損檢測(cè)機(jī)器人 圖4 EI公司的艙門(mén)裝配輔助定位機(jī)器人 2015 年第 10 期航空制造技術(shù)29 專 稿 FEATURE 包括焊接和膠接， 在這兩種加工方 式中， 機(jī)器人技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng) 用 1。 目前， 點(diǎn)焊、 弧焊、 激光焊等焊接 工藝均可利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng) 化， 在航空產(chǎn)品制造中焊接機(jī)器人已 有成功應(yīng)用， 例如利用機(jī)器人完成發(fā) 動(dòng)機(jī)短艙上的焊接操作。摩擦攪拌 焊等新焊接工藝的出現(xiàn)則為焊接機(jī) 器人的發(fā)展提供了新動(dòng)力。 航空制造業(yè)中還有大量的涂膠 和注膠工作。采用機(jī)器人進(jìn)行涂膠 和點(diǎn)膠工作， 可以顯著提高效率， 大 幅降低成本。目前機(jī)器人涂膠技術(shù) 正處于快速發(fā)展階段， 具有廣泛的市 場(chǎng)前景和發(fā)展?jié)摿Α?此外， 飛機(jī)壁板修邊等工序也出 現(xiàn)了機(jī)器人的身影， 與傳統(tǒng)的手工修 邊或笨重的切邊機(jī)相比， 機(jī)器人能更 高效、 更便捷、 更精準(zhǔn)地完成零組件切 邊工作?；鹧媲懈睢?等離子切割和激 光切割等技術(shù)均可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化。 綜上所述， 機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)深入 到航空制造領(lǐng)域的方方面面， 并且隨 著航空制造技術(shù)的不斷進(jìn)步， 新的需 求和應(yīng)用不斷呈現(xiàn)。 發(fā)展趨勢(shì) 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(kāi)始 呈現(xiàn)出來(lái)， 例如作業(yè)規(guī)劃和干涉碰撞 檢測(cè)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(zhǎng)、 對(duì)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(wú)法體現(xiàn)出機(jī)器人的 優(yōu)勢(shì)。 因此， 未來(lái)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(chǎng) 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(shì) 和特點(diǎn)。下列技術(shù)將成為共性的關(guān) 鍵使能技術(shù) 15-17。 （1）高精度測(cè)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(duì) 定位精度低， 無(wú)法滿足飛機(jī)數(shù)字化裝 配中絕對(duì)定位精度要求， 因此需要高 精度測(cè)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(lái)看， 大范圍測(cè)量主要使用激光跟蹤 儀和 iGPS 等， 局部測(cè)量中單目視覺(jué)、 雙目視覺(jué)、 手眼視覺(jué)、 激光測(cè)距傳感 器等各有所長(zhǎng)， 在某些特殊場(chǎng)合下， 聲覺(jué)、 力覺(jué)傳感器也有用武之地?？?以預(yù)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。 （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(cè)量?jī)x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(duì)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(shí)， 獲得誤差模型或 誤差矩陣， 進(jìn)而通過(guò)精度補(bǔ)償算法對(duì) 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(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(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(duì)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(guò)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(shí) 別、 語(yǔ)音識(shí)別、 語(yǔ)音合成、 自然語(yǔ)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(shí)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(duì)象， 結(jié)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(yīng) 用和研究， 面對(duì)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(wú)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(duì)專用、 特種、 非標(biāo)機(jī)器人的需 求越來(lái)越多， 這意味著需要針對(duì)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(kāi)銷(xiāo)。未來(lái)的工裝將采用模塊化設(shè) 計(jì)， 通過(guò)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。 空客公司正在研制的 “無(wú)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(cè)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 （Model Based Definition, 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(guò)程可視化、 基于 MBD 的 數(shù)字化檢測(cè)和基于 MBD 的集成數(shù)據(jù) 管理功能不可或缺。此外， 未來(lái)的機(jī) 器人離線編程和控制系統(tǒng)需要更加 開(kāi)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(wèn)接口、 與制造 信息化系統(tǒng)互聯(lián)等。 30航空制造技術(shù)2015 年第 10 期 專 稿 FEATURE 伴隨著這些關(guān)鍵技術(shù)的突破和 進(jìn)步， 未來(lái)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?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)器人 需要通過(guò)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(cè)的智能程度， 以縮短生產(chǎn) 準(zhǔn)備時(shí)間， 是未來(lái)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(lái)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(chǎng)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(shì)。 （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(cè)、 標(biāo)準(zhǔn) 件緊固及密封， 以及進(jìn)氣道的測(cè)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 （圖 6） 。 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(lái)越受到國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的 高度重視， ABB、 KUKA、 YASKAWA 等國(guó)際知名機(jī)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(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(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(guó)、 奧地利、 西班牙等國(guó)家在歐盟第 七框架計(jì)劃 “未來(lái)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(shí)別和人機(jī)協(xié)同 操作?？湛鸵苍谄滹w機(jī)組裝的未來(lái) 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 （圖 7） 。 結(jié)束語(yǔ) 我國(guó)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(jí)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。 可以預(yù)見(jiàn)的是， 在我國(guó)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。 參 考 文 獻(xiàn) 1 畢樹(shù)生， 梁杰， 戰(zhàn)強(qiáng)， 等 . 機(jī)器人技術(shù) 在航空工業(yè)中的應(yīng)用 . 航空制造技術(shù)， 2009(4): 34-39. 2 馮曉波 . 機(jī)器人準(zhǔn)確制孔技術(shù)研究 D. 杭州： 浙江大學(xué)， 2011. 3 Atkinson J， Hartmann J. Robotic drilling system for 737 aileron. SAE Technical Paper 2007-01-3821， 2007. 4 Russ D. ONCE (one sided cell end effector) Robotic drilling system. SAE Technical Paper 2002-01-2626， 2002. 5 Seegmiller N A， Bailiff J A， Franks R K. Precision robotic coating application and thickness control optimization for F-35 final finishes. SAE Internation