機(jī)器人在歐美航空領(lǐng)域的迅猛發(fā)展
目前，航空制造商正在越來(lái)越多地采用機(jī)器人來(lái)替代以往由人類(lèi)和笨重設(shè)備來(lái)承擔(dān)的單調(diào)工作和復(fù)雜任務(wù)，絕大部分機(jī)器人本質(zhì)上與汽車(chē)裝配流水線上的沖壓機(jī)械手一樣。然而近年來(lái)，空客、波音、洛馬等制造商正在研究將新概念機(jī)器人引入裝配線，從事更加有挑戰(zhàn)性的工作。未來(lái)，航空制造中的工業(yè)機(jī)器人將向新構(gòu)型靈巧機(jī)器人和自主式協(xié)作機(jī)器人等新概念機(jī)器人發(fā)展。
一、新構(gòu)型靈巧機(jī)器人
面向航空制造的新構(gòu)型靈巧機(jī)器人主要包括柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人和并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，它們最大的特征就在于不同于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的構(gòu)型，以獲得更大的運(yùn)動(dòng)自由度。
1.柔性關(guān)節(jié)也被稱為“蛇形臂”，一般可以驅(qū)動(dòng)30倍于直徑的臂長(zhǎng)，其挑戰(zhàn)在于如何輸送能量，以及在緊湊的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高動(dòng)力輸出。就像胳膊中筋把肌肉連接到骨關(guān)節(jié)一樣，蛇形臂采用不銹鋼線纜連接機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，將機(jī)器人基座內(nèi)多達(dá)50個(gè)無(wú)刷換向直流電機(jī)的機(jī)械動(dòng)力輸送進(jìn)蛇形臂，在產(chǎn)生足夠扭矩的同時(shí)讓每個(gè)關(guān)節(jié)可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)90度角。英國(guó)OC機(jī)器人公司2001年就開(kāi)發(fā)出了蛇形臂機(jī)器人原型，根據(jù)任務(wù)需求不同，臂的直徑可從12.5mm到150mm不等，長(zhǎng)度可從1m到10m，直徑越大負(fù)載能力越高。操作員通過(guò)“頭部跟隨”原理控制機(jī)器人蜿蜒行進(jìn)，當(dāng)指令傳遞到蛇形臂尖端后，其余關(guān)節(jié)將按特定路徑跟蹤尖端行進(jìn)。2006年公司與空客英國(guó)和庫(kù)卡合作開(kāi)發(fā)了用于狹小空間裝配的蛇形臂機(jī)器人，其柔性足以將所需工具輸送到機(jī)翼翼盒內(nèi)部執(zhí)行密封和墩粗等裝配任務(wù)，讓傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人無(wú)法達(dá)到的地方實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。
2.并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人是一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，突破了以往機(jī)器人自由度只能以串聯(lián)方式得到的限制，也解決了以往并聯(lián)構(gòu)型無(wú)效自由度多、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、剛性要求高、無(wú)間隙以及成本高等挑戰(zhàn)。并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)金字塔形移動(dòng)的三腳架，通過(guò)3個(gè)并聯(lián)執(zhí)行器依次連接2個(gè)串聯(lián)執(zhí)行器和1個(gè)末端執(zhí)行器，以6個(gè)節(jié)點(diǎn)形成10個(gè)自由度，更好地了實(shí)現(xiàn)了柔性與剛性的結(jié)合。2016年，在英國(guó)航宇技術(shù)研究院支持下，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)波音先進(jìn)制造研究中心（AMRC）通過(guò)“未來(lái)飛行器工廠”項(xiàng)目，聯(lián)合空客和艾克斯康開(kāi)發(fā)了一個(gè)輕量化和模塊化版本的機(jī)器人，具有3個(gè)g的加速度，以及10μm的定位精度。新型機(jī)器人使用復(fù)合材料制造，包括5個(gè)模塊，可以由2個(gè)人輕松拆卸和移動(dòng)，并且工廠溫度變化對(duì)執(zhí)行器精度的影響更小。2017年，由洛克希德·馬丁公司等合資成立的阿聯(lián)酋艾克斯康有限公司將這款機(jī)器人定名為XMini并正式推出，機(jī)器人可以被分開(kāi)并在機(jī)翼翼盒內(nèi)部等狹小空間內(nèi)重新組裝，已經(jīng)交付空客直升機(jī)公司，并可能用于F-35戰(zhàn)斗機(jī)制造。
二、自主式協(xié)作機(jī)器人
美國(guó)國(guó)防部認(rèn)為下一代機(jī)器人就是自主式協(xié)作機(jī)器人，主要包括固定位置協(xié)作機(jī)器人和自由移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人，它們的重要特征就是能像工友一樣與其它機(jī)器人或人類(lèi)在一起工作，無(wú)需圍欄的防護(hù)。具備更高級(jí)功能的自主式協(xié)作機(jī)器人還可以通過(guò)觀察操作演示來(lái)學(xué)習(xí)并調(diào)整其功能，敏捷地變換用途，任務(wù)適應(yīng)性的提升將使航空制造商以高生產(chǎn)率的柔性機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)多品種、小批量生產(chǎn)。
固定位置協(xié)作機(jī)器人分為三種：
1.執(zhí)行簡(jiǎn)單協(xié)作任務(wù)的雙機(jī)器人系統(tǒng)，兩臺(tái)機(jī)器人在固定位置或在軌道上有限移動(dòng)，共同完成夾持、定位、鉆孔等任務(wù)。空客A340機(jī)身D-Nose鉆孔采用了基于尼康測(cè)量公司自適應(yīng)機(jī)器人控制概念的定位系統(tǒng)，在光學(xué)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的控制下，兩臺(tái)機(jī)器人合力將工件搬運(yùn)至精確的鉆孔位置。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室組織聯(lián)合開(kāi)發(fā)了F-35戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣道機(jī)器人鉆孔單元并于2010年投入使用，一臺(tái)帶有視景導(dǎo)引功能的機(jī)器人執(zhí)行鉆孔任務(wù)，另一臺(tái)加裝激光跟蹤系統(tǒng)的機(jī)器人測(cè)量鉆頭位置幫助鉆孔機(jī)器人定位，使鉆孔定位精度達(dá)到14μm。
2.執(zhí)行復(fù)雜協(xié)作的多機(jī)器人系統(tǒng)，集成在固定位置或空間多軌道上的多臺(tái)機(jī)器人共同完成更多樣的任務(wù)，包括與人的協(xié)作。
2015年，達(dá)索系統(tǒng)公司與美國(guó)威奇托州立大學(xué)國(guó)家航空研究院共同建立了3D體驗(yàn)中心，在一個(gè)長(zhǎng)方體空間內(nèi)設(shè)置了由9臺(tái)ABB機(jī)器人組成的多機(jī)器人先進(jìn)制造協(xié)作示范線，可謂世界之最。
3.執(zhí)行人機(jī)協(xié)作的類(lèi)人機(jī)器人，一般采用基于人類(lèi)手臂設(shè)計(jì)的7軸結(jié)構(gòu)，在每段結(jié)構(gòu)內(nèi)都集成了防撞功能和關(guān)節(jié)力矩傳感器，在接觸到人時(shí)會(huì)自動(dòng)遠(yuǎn)離，具有很高的柔性、精度、靈敏度和安全性。此類(lèi)機(jī)器人首推庫(kù)卡公司的智能工業(yè)作業(yè)輔助輕量化機(jī)器人（LBR iiwa），它由德國(guó)航空航天中心（DLR）機(jī)器人與機(jī)電一體化研究所于1995年開(kāi)發(fā)并用于人機(jī)協(xié)作研究，之后聯(lián)合庫(kù)卡于2004年將其推向市場(chǎng)，并且獲得2016年紅點(diǎn)設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，目前DLR正將其用于A350熱塑性復(fù)合材料構(gòu)件的制造研究。
自由移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人分為兩種：
1.基于大型移動(dòng)平臺(tái)的傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)，全向平臺(tái)具備高剛度、高定位精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，其上安裝高精度機(jī)器人和可互換的多功能末端執(zhí)行器，不同系統(tǒng)之間可以協(xié)作并且具備持續(xù)工藝監(jiān)測(cè)功能，防止錯(cuò)誤和碰撞發(fā)生。
2013年起，弗勞恩霍夫制造技術(shù)與先進(jìn)材料研究所通過(guò)“大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高效高生產(chǎn)率精密加工”（ProsihP II）項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一個(gè)模塊化、自適應(yīng)、可移動(dòng)機(jī)器人智能銑削系統(tǒng)，并且2016年成功地在空客A320垂尾整體壁板上進(jìn)行了試驗(yàn)，多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)操作可以加工30m的機(jī)翼和機(jī)身主結(jié)構(gòu)。2016年，波音787后機(jī)身47和48段裝配開(kāi)始使用與Electroimpact公司合作開(kāi)發(fā)的Quadbots多機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)由4臺(tái)裝配機(jī)器人組成并且采用防撞功能支撐協(xié)作，每個(gè)機(jī)器人都可以鉆孔、锪孔、檢測(cè)孔質(zhì)量、涂覆密封劑和安裝緊固件，可將裝配效率提升30%，波音正考慮引入第5臺(tái)機(jī)器人以便執(zhí)行測(cè)試和預(yù)先維修不會(huì)影響生產(chǎn)。
2.基于靈巧移動(dòng)平臺(tái)的類(lèi)人機(jī)器人系統(tǒng)，類(lèi)人機(jī)器人直接集成在一個(gè)小體積全向平臺(tái)上，提供至少10個(gè)自由度，與人類(lèi)一起從事各種復(fù)雜任務(wù)，可以說(shuō)代表了協(xié)作機(jī)器人的最高水平。庫(kù)卡公司自2008年起開(kāi)始推廣其omniRob移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人在類(lèi)似AVG的靈巧平臺(tái)上集成了LBR iiwa，DLR的自主工業(yè)移動(dòng)機(jī)械手（AIMM）對(duì)omniRob進(jìn)行了優(yōu)化，安裝了集成立體攝像頭的傾轉(zhuǎn)盤(pán)單元和圖案投影儀、基于FPGA的立體視覺(jué)處理器，能夠在未知地形工作并且響應(yīng)多種任務(wù)，實(shí)現(xiàn)自主化運(yùn)行。2016年，英國(guó)GKN航宇旗下?？撕娇战Y(jié)構(gòu)和起落架業(yè)務(wù)部分別基于omniRob開(kāi)展了人機(jī)協(xié)作研究，航空結(jié)構(gòu)部針對(duì)A350外襟翼，讓機(jī)器人拾起自動(dòng)鉆孔單元并將其插入鉆孔夾具，從這類(lèi)簡(jiǎn)單任務(wù)中解放老員工去從事更加復(fù)雜的任務(wù)；起落架部利用機(jī)器人在套管上均勻涂覆無(wú)泡沫的密封劑滴，減少操作時(shí)間并提升可重復(fù)性。
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