本文摘要：摘要：機(jī)器人型裝備具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)動(dòng)靈活性好、定位精度高以及生產(chǎn)布置柔性等諸多優(yōu)勢(shì)，在航空產(chǎn)品裝配工藝環(huán)節(jié)具有廣泛應(yīng)用。從大型部件自動(dòng)化對(duì)接、機(jī)器人裝配理論、人機(jī)協(xié)作互動(dòng)裝配、柔性自適應(yīng)工裝夾具、人工智能輔助裝配以及自動(dòng)引導(dǎo)車等方面，綜述了機(jī)器
摘要：機(jī)器人型裝備具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)動(dòng)靈活性好、定位精度高以及生產(chǎn)布置柔性等諸多優(yōu)勢(shì)，在航空產(chǎn)品裝配工藝環(huán)節(jié)具有廣泛應(yīng)用。從大型部件自動(dòng)化對(duì)接、機(jī)器人裝配理論、人機(jī)協(xié)作互動(dòng)裝配、柔性自適應(yīng)工裝夾具、人工智能輔助裝配以及自動(dòng)引導(dǎo)車等方面，綜述了機(jī)器人型裝備在航空產(chǎn)品自動(dòng)化裝配環(huán)節(jié)的應(yīng)用現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了機(jī)構(gòu)構(gòu)型在對(duì)接裝配類裝備中的演進(jìn)歷程與發(fā)展趨勢(shì)，并從應(yīng)用場景、技術(shù)成熟度以及裝備性能等方面系統(tǒng)地比較了國內(nèi)外航空工業(yè)在自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的技術(shù)差距。最后，概括總結(jié)了航空裝配中機(jī)器人型裝備的技術(shù)挑戰(zhàn)、發(fā)展趨勢(shì)以及與工業(yè)4.0、智能制造等新興技術(shù)相融合的發(fā)展機(jī)遇。
關(guān)鍵詞：航空工業(yè);裝配自動(dòng)化;機(jī)器人型裝備;人機(jī)協(xié)作;人工智能
航空工業(yè)的發(fā)展水平是衡量一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)、工業(yè)發(fā)展和綜合國力的重要標(biāo)志。航空產(chǎn)品裝配具有結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，組成零件種類多、數(shù)量大以及作業(yè)任務(wù)繁復(fù)等特點(diǎn)，以大型客機(jī)為例，其部件裝配工作量占整個(gè)產(chǎn)品制造周期0%以上1]。
因此，裝配技術(shù)的先進(jìn)性很大程度上決定了航空產(chǎn)品的制造成本、生產(chǎn)周期和最終質(zhì)量，是一個(gè)國家航空工業(yè)發(fā)展水平的核心指標(biāo)。由于零件形狀復(fù)雜、大小各異，裝配作業(yè)任務(wù)需求迥異且工作空間狹小(特別是機(jī)身內(nèi)部封閉環(huán)境)，難以采用通用工裝設(shè)備對(duì)不同類型零件實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化裝配。因此，航空產(chǎn)品零部件裝配目前仍以工人手動(dòng)作業(yè)為主，導(dǎo)致裝配精度低、生產(chǎn)效率慢以及質(zhì)量一致性差等諸多問題，成為制約航空工業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸。
航空論文范例： 樞紐航空公司機(jī)隊(duì)與航線網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合規(guī)劃方法
機(jī)器人型裝備具有自動(dòng)化程度高、運(yùn)動(dòng)靈活性好、定位精度高以及生產(chǎn)布置柔性可重構(gòu)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且可以與大行程龍門行車、移動(dòng)GVutomatedGuidedVehicle作業(yè)平臺(tái)等相互配合，實(shí)現(xiàn)大范圍、高精度、高柔性和自適應(yīng)裝配作業(yè)。因此，機(jī)器人型裝備成為提高航空工業(yè)零部件裝配自動(dòng)化水平和柔性化程度的重要途徑，也是當(dāng)前國際機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
本文從大部件自動(dòng)化對(duì)接、人機(jī)協(xié)作裝配與人工智能輔助作業(yè)等方面，綜述了機(jī)器人型裝備應(yīng)用于航空裝配的研究現(xiàn)狀，分析了裝備構(gòu)型的演進(jìn)歷程，發(fā)展趨勢(shì)和國內(nèi)外航空工業(yè)在零部件自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的技術(shù)差距，系統(tǒng)概括了機(jī)器人型裝備開發(fā)和研制的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及與工業(yè)4.0、智能制造等新興技術(shù)相融合的發(fā)展機(jī)遇。
1大部件自動(dòng)對(duì)接裝備
1.1國外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
20世紀(jì)80年代開始，為了提高大型客機(jī)的生產(chǎn)效率，國外航空工業(yè)大力發(fā)展飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼等大型部件的自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)。發(fā)展至今，在波音公司和空中客車公司等國外主流航空制造企業(yè)中，基于柔性調(diào)姿裝備的大型部件自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)已完全取代傳統(tǒng)的利用專用剛性工裝進(jìn)行定位的對(duì)接方式，集成了高精度激光測量、自動(dòng)化調(diào)姿匹配和柔性化伺服定位等先進(jìn)技術(shù)，大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)大大提高了航空產(chǎn)品制造的對(duì)接精度和裝配效率。
自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)發(fā)展初期，以空中客車公司和波音公司為代表的國外先進(jìn)航空制造企業(yè)著力推動(dòng)了數(shù)字化裝配技術(shù)，發(fā)展了一套由激光測量單元、伺服定位機(jī)構(gòu)、最優(yōu)匹配算法以及自動(dòng)控制軟件等組成的大部件自動(dòng)對(duì)接裝配系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于大型客機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼等大型部段的對(duì)接裝配。20世紀(jì)80年代末，美國先進(jìn)集成技術(shù)公司(AdvancedIntegrationTechnology，AIT)研制了一套用于飛機(jī)大部段裝配的自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)，其定位機(jī)構(gòu)為由機(jī)械傳動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)組成的一套自動(dòng)化千斤頂。
其中，每臺(tái)定位器可實(shí)現(xiàn)沿X、Y、Z三個(gè)方向的精確伺服運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過多臺(tái)定位器之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即可按預(yù)定規(guī)劃方式實(shí)現(xiàn)飛機(jī)大部段的整體調(diào)姿定位。此套自動(dòng)化對(duì)接裝配系統(tǒng)已被波音公司所采納，并成功應(yīng)用于787機(jī)型的總段對(duì)接裝配中[2]。此后，波音公司將數(shù)字化大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)作為其降低飛機(jī)制造成本、提高裝配質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要戰(zhàn)略措施。
利用此項(xiàng)技術(shù)對(duì)波音737800等一系列機(jī)型的裝配流程進(jìn)行了大幅度改進(jìn)，并利用室內(nèi)iGPS、激光跟蹤儀等大場景、高精度數(shù)字化測量技術(shù)輔助完成了飛機(jī)部件直接對(duì)接，實(shí)現(xiàn)了大型客機(jī)機(jī)身、機(jī)翼全數(shù)字化對(duì)接裝配的驗(yàn)證。 同時(shí)，歐洲空中客車公司在大型客機(jī)自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)研究方面緊隨其后[6-9]�？罩锌蛙嚬臼紫仍谄銩340機(jī)型上采用柔性自動(dòng)化對(duì)接平臺(tái)取代了大型專用對(duì)接工裝，此套柔性對(duì)接系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同尺寸的機(jī)身、機(jī)翼結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了定位工裝的通用性，從而大幅減少了用于飛機(jī)大部段對(duì)接裝配的工裝類型和數(shù)目，也縮減了工裝準(zhǔn)備時(shí)間。
上述大型客機(jī)的大部段自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)采用多個(gè)定位器共同支撐的整體托架形式，此類托架結(jié)構(gòu)往往采用具備保形功能的剛性固定托架與機(jī)體相連，從而增加了定位器與飛機(jī)部件之間的接觸面積，減小了對(duì)接部位的接觸壓強(qiáng)，避免大部件由于集中受力而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形。因此，此類托架式對(duì)接系統(tǒng)特別適用于結(jié)構(gòu)尺寸大、部件質(zhì)量重的大型寬體客機(jī)的大部段自動(dòng)化對(duì)接裝配。然而，由于采用整體式托架與機(jī)體相連，此類自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)存在占地面積大，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，且通用性較差等問題。
針對(duì)上述不足，德國道尼爾公司在其小型支線客機(jī)728機(jī)型的翼身裝配中，采用了分布式定位工裝，采用多個(gè)定位器分布放置、獨(dú)立相連的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)身、機(jī)翼等部段的柔性調(diào)姿定位。分布式定位器采用向上支撐的柱式結(jié)構(gòu)，每臺(tái)定位器可實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向上精確伺服運(yùn)動(dòng)，通過多臺(tái)定位器之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)大部件姿態(tài)的精確調(diào)整。
此類分布式自動(dòng)對(duì)接工裝直接與機(jī)體相連，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、占地面積小以及布置靈活等諸多優(yōu)勢(shì)。然而，每個(gè)定位器獨(dú)立支撐機(jī)體部件也導(dǎo)致接觸面積小，在對(duì)接裝配過程中往往需要考慮定位器對(duì)部件的作用力，以免造成部件的接觸變形與損傷。因此，此類分布式系統(tǒng)往往適用于中小型客機(jī)型號(hào)的機(jī)身、機(jī)翼部件的柔性自動(dòng)化對(duì)接裝配。
隨著數(shù)字化對(duì)接技術(shù)在航空工業(yè)成熟應(yīng)用，大部件自動(dòng)對(duì)接裝備與系統(tǒng)在航天領(lǐng)域也逐漸得到應(yīng)用。美國太空探索公司(SpaceX)采用托架式調(diào)姿架車輔助獵鷹運(yùn)載火箭燃料貯箱的自動(dòng)化對(duì)接裝配[1。展示了獵鷹號(hào)運(yùn)載火箭的筒段對(duì)接裝配現(xiàn)場，各子級(jí)均置于托架式調(diào)姿架車上，由多臺(tái)激光跟蹤儀測量各個(gè)部段相對(duì)位姿，利用調(diào)姿架車的全向位姿調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)筒段姿態(tài)的伺服閉環(huán)控制和精確調(diào)整，并通過測量匹配調(diào)姿的過程反復(fù)迭代，直至對(duì)接精度符合裝配工藝要求。采用上述柔性自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)極大地提高了運(yùn)載火箭的裝配效率和各子級(jí)之間的對(duì)接精度，也為可回收利用火箭的高效檢修與重復(fù)裝配提供了裝備支撐。
1.2國內(nèi)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀
中國航空工業(yè)對(duì)于大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)研究起步較晚，由于前期技術(shù)基礎(chǔ)較為薄弱以及投入資金不足，導(dǎo)致在大部件自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)方面與國外先進(jìn)企業(yè)相比仍然存在較大差距。很長一段時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)裝配仍然以傳統(tǒng)專用剛性工裝為主，且缺乏精密測量設(shè)備，調(diào)姿匹配主要依賴工人經(jīng)驗(yàn)，從而導(dǎo)致裝配精度低，調(diào)姿周期長，嚴(yán)重影響了裝配質(zhì)量和效率，導(dǎo)致航空產(chǎn)品制造質(zhì)量不穩(wěn)定、一致性差等諸多問題。
近年來，中國航空工業(yè)相關(guān)企業(yè)在引進(jìn)、消化和吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過與國內(nèi)知名高校和科研院所深入合作，在航空大部件自動(dòng)對(duì)接裝配領(lǐng)域取得了長足進(jìn)步，研制了適用于不同應(yīng)用場景的自動(dòng)化調(diào)姿裝備和對(duì)接控制系統(tǒng)。浙江大學(xué)郭志敏團(tuán)隊(duì)[18-20]深入研究了基于三坐標(biāo)POGO柱的航空部件對(duì)接調(diào)姿技術(shù)與系統(tǒng)。單臺(tái)POGO柱具備三個(gè)方向上的精密伺服運(yùn)動(dòng)，通過多個(gè)POGO柱之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)與同步控制，可實(shí)現(xiàn)航空大部件位置和姿態(tài)的精密調(diào)整，同時(shí)配合激光跟蹤儀對(duì)部段靶標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)測量和運(yùn)動(dòng)反饋控制，實(shí)現(xiàn)了航空大部段的自動(dòng)化對(duì)接裝配。
此套自動(dòng)對(duì)接裝備與控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國多型軍機(jī)的關(guān)鍵裝配環(huán)節(jié)。與此同時(shí)，沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)、西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)等中國重點(diǎn)航空企業(yè)在與高校和科研院所的通力合作下，也已建成或正在建設(shè)航空大部件柔性自動(dòng)化對(duì)接系統(tǒng)[21]，顯著提升了中國航空工業(yè)的裝備自動(dòng)化水平。
沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)與北京航空航天大學(xué)合作，設(shè)計(jì)了飛機(jī)機(jī)身部段的柔性自動(dòng)化裝配工裝，并建立了基于激光跟蹤儀測量反饋的數(shù)字化定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)身部件的數(shù)字化柔性裝配。在此基礎(chǔ)上，沈陽飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)與大連四達(dá)公司聯(lián)合研制了相應(yīng)的航空大部件柔性自動(dòng)對(duì)接裝配平臺(tái)系統(tǒng)。
該系統(tǒng)也采用三坐標(biāo)POGO柱實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部段的調(diào)姿定位，整個(gè)裝配工位分為頭段、中段、尾段三部分，平行布置于航向?qū)к壣�，可�?shí)現(xiàn)沿方向的大范圍移動(dòng)與、方向的小范圍調(diào)整。通過調(diào)節(jié)導(dǎo)軌間距和托架形式，可適應(yīng)不同機(jī)型的裝配要求。通過結(jié)合iGPS定位系統(tǒng)和激光跟蹤儀，該對(duì)接平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)部件的六自由度精確調(diào)姿，與傳統(tǒng)剛性工裝相比，裝配效率提高50%以上。
上海交通大學(xué)在傳統(tǒng)塔式定位器的基礎(chǔ)上，借助并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度大、定位精度高以及運(yùn)動(dòng)控制簡單等優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了新型六自由度并聯(lián)構(gòu)型的自動(dòng)對(duì)接平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了高效并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度標(biāo)定方法，研制了集測量標(biāo)定匹配調(diào)姿于一體的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航空大部件的六自由度高效、精確定位，拓展了大部件自動(dòng)化對(duì)接裝備開發(fā)的新思路。此外，上海交通大學(xué)與天津長征火箭制造公司合作，在航空大部件自動(dòng)化對(duì)接技術(shù)基礎(chǔ)上，聯(lián)合研制了大型運(yùn)載火箭貯箱部段的自動(dòng)化對(duì)接裝備與成套控制系統(tǒng)。
與飛機(jī)部件裝配有所不同，該套系統(tǒng)采用具有冗余驅(qū)動(dòng)能力的定位架車實(shí)現(xiàn)火箭部段的姿態(tài)調(diào)節(jié)，具備更好的載荷承載能力、運(yùn)動(dòng)靈活性和剛度、精度性能。通過主、被動(dòng)架車的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)火箭部段空間六自由度位置和姿態(tài)的高精度調(diào)節(jié)。上述系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國長征五號(hào)運(yùn)載火箭的部段級(jí)自動(dòng)化對(duì)接裝配，大幅提升了中國運(yùn)載火箭總裝環(huán)節(jié)的對(duì)接精度和裝配效率。
1.3小結(jié)
從國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀來看，航空大部件對(duì)接裝配技術(shù)已邁入自動(dòng)化時(shí)代，逐漸形成了集“測量匹配調(diào)姿”于一體的自動(dòng)化對(duì)接裝備與成套控制系統(tǒng)。其中，整體托架式和分布支撐式工裝分別適用于大型和中小型飛機(jī)的自動(dòng)化對(duì)接裝配技術(shù)。雖然在對(duì)接裝配系統(tǒng)的成熟度和系列化方面國內(nèi)航空工業(yè)與國外先進(jìn)企業(yè)還存在一定的技術(shù)差距，特別是在測量設(shè)備、伺服控制系統(tǒng)等核心單元技術(shù)方面，但是在自動(dòng)對(duì)接技術(shù)的應(yīng)用程度和系統(tǒng)迭代改進(jìn)速度等方面正在穩(wěn)步發(fā)展，逐漸縮小與國外的差距。
2機(jī)器人裝配理論
隨著中國航空事業(yè)不斷發(fā)展，對(duì)飛機(jī)的可靠性、耐用性的要求不斷提高。航空零部件的制造質(zhì)量對(duì)飛機(jī)的壽命和性具有重要影響。飛機(jī)裝配是制造過程中的重要環(huán)節(jié)，具有精度要求高，工序復(fù)雜度高等特點(diǎn)。在現(xiàn)有航空零部件設(shè)計(jì)和零件加工情況下，精度高，可靠性強(qiáng)，一致性好的裝配對(duì)飛機(jī)的性能質(zhì)量有顯著提升。以工業(yè)機(jī)器人為載體進(jìn)行自動(dòng)化裝配是航空制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。
3人機(jī)協(xié)作技術(shù)應(yīng)用于航空裝配
人機(jī)協(xié)作是指人與機(jī)器人在共享工作空間中協(xié)同作業(yè)，共同完成操作任務(wù)，從而達(dá)到減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率的目的。不同于傳統(tǒng)操作人員單向控制機(jī)器人，人機(jī)協(xié)作過程中機(jī)器設(shè)備會(huì)反饋載荷、位置和力覺等相關(guān)信息，再根據(jù)操作人員的判斷決策指導(dǎo)機(jī)器人操作，從而實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的交互作業(yè)。人機(jī)協(xié)作技術(shù)充分發(fā)揮了機(jī)器人與操作人員各自優(yōu)勢(shì)，在保證作業(yè)精度和效率的前提下，可以進(jìn)一步提升操作安全性，避免意外事故發(fā)生，因此在航空零部件裝配作業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。
4人工智能輔助技術(shù)航空裝配
4.1人工智能輔助裝配技術(shù)簡介
大型客機(jī)等航空產(chǎn)品在裝配過程中各類零部件的裝配位置和連接形式復(fù)雜多樣，手工操作仍是其零部件裝配的主要形式。然而，由于航空裝配的工作環(huán)境緊湊和操作要求精密，手工裝配往往受到各種限制。為了提高手工裝配的效率，基于人工智能的輔助裝配技術(shù)在航空裝配中發(fā)揮了重要作用。智能輔助裝配技術(shù)采用自動(dòng)化、程序化硬件系統(tǒng)，借助虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等手段，以可視化方式協(xié)助完成復(fù)雜多樣裝配工藝。根據(jù)系統(tǒng)組成、操作方式和適用環(huán)境的不同，人工智能輔助裝配技術(shù)大體上可分為以下兩類：
1)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的輔助裝配系統(tǒng)
在此類輔助裝配系統(tǒng)中，裝配過程在真實(shí)作業(yè)環(huán)境中進(jìn)行，操作人員可以借助測量設(shè)備和智能系統(tǒng)的分析結(jié)果直接或者操作設(shè)備來完成零部件的人工裝配。該類智能輔助系統(tǒng)需要借助激光、視覺等傳感器來實(shí)時(shí)獲取裝配現(xiàn)場數(shù)據(jù)，利用圖像識(shí)別等人工智能算法對(duì)裝配信息進(jìn)行分析判斷，通過參考后臺(tái)工藝規(guī)范數(shù)據(jù)庫，對(duì)后續(xù)裝配作業(yè)過程進(jìn)行輔助決策，并利用終端面板、輔助投影以及AR眼鏡等手段以圖形化界面方式與操作人員進(jìn)行交互，有效地提高了裝配準(zhǔn)確程度和作業(yè)效率。
2)虛擬場景中的輔助裝配系統(tǒng)
與現(xiàn)實(shí)環(huán)境操作不同，此類輔助裝配系統(tǒng)中，操作人員在虛擬增強(qiáng)混合現(xiàn)實(shí)場景中操作虛擬設(shè)備，與裝配對(duì)象不直接交互。按照限制條件，虛擬場景輔助裝配技術(shù)可進(jìn)一步細(xì)分為基于操作約束和基于物理特性兩類。基于操作約束的裝配根據(jù)零件的最終安裝位置和零件幾何特征約束來確定最終裝配位置和規(guī)劃方向，適用于精確零件定位。而基于物理特性的虛擬裝配則主要考慮現(xiàn)實(shí)世界的物理特性、摩擦力和接觸力，適用于在干涉和碰撞等情況下進(jìn)行軌跡的模擬仿真。
除了在作業(yè)過程中直接進(jìn)行裝配工藝指導(dǎo)，人工智能輔助裝配系統(tǒng)通常還備有作業(yè)記錄、質(zhì)量評(píng)估以及工藝優(yōu)化等功能，為后續(xù)的功能擴(kuò)展和推廣應(yīng)用提供了巨大空間。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能輔助裝配系統(tǒng)也被越來越廣泛地應(yīng)用在飛機(jī)等航空產(chǎn)品的裝配過程中。
5航空裝配領(lǐng)域裝備機(jī)構(gòu)構(gòu)型發(fā)展趨勢(shì)
5.1工業(yè)機(jī)器人
工業(yè)機(jī)器人由于其出色的定位精度、結(jié)構(gòu)剛度和操作靈巧性，在航空部件自動(dòng)化裝配領(lǐng)域的應(yīng)用最為廣泛。目前國際工業(yè)機(jī)器人行業(yè)四大主流品牌，包括ABB，發(fā)那科、庫卡和安川等都已經(jīng)在航空裝配領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。美國Electroimpact公司采用發(fā)那科機(jī)器人為波音公司研制了一套戰(zhàn)斗機(jī)自動(dòng)制孔系統(tǒng)，定位精度可達(dá)±.5mm64。
Premium公司在空客350機(jī)型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造過程中，采用兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)完成18長桁的粘貼任務(wù)，周向公差滿足±0.3mm的裝配工藝要求。發(fā)那科公司采用iRVision視覺引導(dǎo)技術(shù)構(gòu)建了一套高精度自動(dòng)裝配系統(tǒng)。通過測量數(shù)據(jù)修正降低了末端執(zhí)行器的振動(dòng)，提高了該套系統(tǒng)在不同場景下的適用性65。特別地，庫卡大載荷工業(yè)機(jī)器人臂在大型零部件裝備中得到了廣泛應(yīng)用。
6航空裝配中的特殊工裝夾具
在航空產(chǎn)品制造過程中，裝配工藝環(huán)節(jié)工作量巨大，約占總體制造過程時(shí)間一半。航空大部件裝配，如機(jī)身部段、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼等，具有載荷重、體積大、種類多以及精度要求高等特點(diǎn)。因此，這些零部件的拼裝對(duì)接需要使用特殊專用工裝夾具來支撐和固定，以保證在不發(fā)生變形或損壞的前提下達(dá)到裝配精度要求。傳統(tǒng)工裝夾具只針對(duì)單一產(chǎn)品，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長、成本高，而且自動(dòng)化程度較低，因此亟需針對(duì)地開發(fā)適用于航空裝配的特殊專用工裝。
6.1自適應(yīng)柔性曲面夾具
自適應(yīng)柔性曲面工裝夾具這一概念是基于產(chǎn)品數(shù)字尺寸協(xié)調(diào)體系的模塊化、可重組自動(dòng)裝配工裝技術(shù)。其目的是免除設(shè)計(jì)和制造各種用于零部裝配的專用固定夾具，可降低工裝制造成本、縮短工裝準(zhǔn)備時(shí)間、減少生產(chǎn)占用空間，并且能夠大幅度提高裝配生產(chǎn)率。目前應(yīng)用較為廣泛的主要是多點(diǎn)陣吸盤柔性工裝夾具。西班牙TORRES公司開發(fā)了用于飛機(jī)薄板蒙皮加工的柔性工裝系統(tǒng)Torresmill[75]。
該工裝系統(tǒng)采用多點(diǎn)陣列吸盤方式夾持和支撐壁板類零件，具有較好地生產(chǎn)柔性和定位精度，能夠適應(yīng)不同外形壁板曲面要求。類似地，美國NA公司研制了基于POGO單元曲面自適應(yīng)柔性支撐工裝，該工裝能夠夾持金屬或者復(fù)合材料薄板零件，在薄板類零件的生產(chǎn)加工中，降低了工裝夾具的成本和制造周期。
7AGV在航空裝配領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展
自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車是一種按照預(yù)先設(shè)定路徑或者根據(jù)任務(wù)命令實(shí)時(shí)進(jìn)行自動(dòng)行駛的搬運(yùn)設(shè)備，具有運(yùn)動(dòng)靈活性好、工作效率高以及安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。航空裝配部件具有尺寸大、精度高、種類多和工序復(fù)雜等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)機(jī)器人需要安裝于固定位置，難以滿足飛機(jī)裝配要求，因此GV正成為提高航空裝配自動(dòng)化水平的重要技術(shù)。
8結(jié)論
在航空裝配中，自動(dòng)化技術(shù)取代傳統(tǒng)人工作業(yè)模式已成為趨勢(shì)，因此機(jī)器人型裝備在航空自動(dòng)化裝配中展現(xiàn)了巨大優(yōu)勢(shì)。從航空裝配中的大部件自動(dòng)對(duì)接技術(shù)、機(jī)器人裝配理論、人機(jī)協(xié)作裝配以及人工智能輔助裝配等方面回顧了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。
雖然中國在航空自動(dòng)化裝配技術(shù)方面起步較晚，但近年來，隨著國家戰(zhàn)略層面重視和相關(guān)行業(yè)重點(diǎn)企業(yè)與科研院所等深入合作，在某些領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)了相關(guān)技術(shù)的完全自主可控，很多方面雖然仍存在差距，但正逐步縮小。并以自動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)、柔性自適應(yīng)工裝以及GV等關(guān)鍵技術(shù)為對(duì)象，探討了機(jī)器人型裝備于推動(dòng)航空裝配領(lǐng)域發(fā)展的重要作業(yè)以及廣闊應(yīng)用前景。因此，可以說在未來航空裝配領(lǐng)域，機(jī)器人型裝備自主創(chuàng)新是提高中國航空自動(dòng)化裝配的必經(jīng)之路。
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作者：王皓1,2,*，陳根良1,2
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