國外從20 世紀(jì)90 年代,就已經(jīng)大規(guī)模開展飛機(jī)的自動(dòng)化裝配技術(shù)的研究。根據(jù)飛機(jī)自動(dòng)化制孔的特點(diǎn)和要求,國外著名的飛機(jī)裝配設(shè)備制造廠家生產(chǎn)了很多大型的面向飛機(jī)裝配的自動(dòng)化設(shè)備。在飛機(jī)裝配中,用戶定制的機(jī)床是根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)特定的裝配要求制造出來的。全作業(yè)空間的高精度造就了設(shè)備的大型化、高剛性,但存在質(zhì)量大、設(shè)備粗笨、用途太專一的缺點(diǎn)。這些設(shè)備有一個(gè)共同的特點(diǎn):體積龐大、造價(jià)昂貴、維護(hù)困難,并且需要配套固定型架或自動(dòng)托架,其投資也是巨大的。
由于飛機(jī)的裝配構(gòu)件必須進(jìn)進(jìn)設(shè)備之中,造成裝配件的頻繁上下載,零件多次搬運(yùn)也不可避免,此外,該設(shè)備占地大,廠房面積利用率低,增加了產(chǎn)品的造價(jià),同時(shí)設(shè)備操縱職員的培訓(xùn)用度也很高。
自動(dòng)化裝配隨著零件尺寸的增大而受到實(shí)際限制。有時(shí)由于本錢原因,無法使用常規(guī)自動(dòng)化設(shè)備來裝配大零件,最后不得不退而采用手動(dòng)連接大型裝配件。機(jī)動(dòng)、靈巧的自動(dòng)化設(shè)備為飛機(jī)柔性裝配提供了另一種選擇。它舍棄了整體精度而追求局部精度,并充分利用了飛機(jī)部件自身特點(diǎn),而且質(zhì)量輕,更經(jīng)濟(jì),可以分配到作業(yè)現(xiàn)場或依附到飛機(jī)部件上,不需要大的安裝場地;而且設(shè)備的造價(jià)變得低廉很多。
航空制造業(yè)廣泛使用定制的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工、制造、裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)。由于現(xiàn)有機(jī)器人剛度和精度低、負(fù)載小,使得傳統(tǒng)的機(jī)器人在飛機(jī)裝配上的應(yīng)用水平低。未來機(jī)器人需要高精度來滿足飛機(jī)工件要求、需要柔性來適應(yīng)不同產(chǎn)品的要求。
航空產(chǎn)品的制造和維護(hù)與汽車不同,表現(xiàn)在產(chǎn)品尺寸大小、制造過程精度、產(chǎn)品數(shù)目、控制水平不一樣,飛機(jī)零件、作業(yè)通道、結(jié)構(gòu)尺寸大,并且復(fù)雜度高,需要作業(yè)通道和人的互動(dòng)。
機(jī)器人特點(diǎn)
70 年代初,全球開發(fā)了第一臺(tái)電氣機(jī)器人,這項(xiàng)技術(shù)在惡劣環(huán)境下替換了人工勞動(dòng),比如點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)。其目的就是創(chuàng)造一個(gè)大的作業(yè)空間和巨大的柔性。這些應(yīng)用場合不需要高精度和平穩(wěn)性。為了推廣應(yīng)用該技術(shù),采用了串聯(lián)技術(shù),即每根軸依次連接而成。這項(xiàng)技術(shù)的上風(fēng)在于,可以各個(gè)方向移動(dòng)機(jī)器,獲得需要的柔性和作業(yè)空間;然而,其缺點(diǎn)是沒有足夠的精度和剛度。
總之,機(jī)器人靈巧有余,精度不足。其特點(diǎn)表現(xiàn)為:靈巧,柔性好;精度低,負(fù)載能力弱;應(yīng)用廣泛,用途多;體積小,機(jī)動(dòng)性好;環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),生產(chǎn)效率高;制造本錢低,批量大;便于維護(hù),服務(wù)本錢低。
應(yīng)用領(lǐng)域
(1)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人:弧/ 點(diǎn)焊、銑削/ 制孔、涂膠/ 密封、激光/ 水切割、研磨、往毛刺、攻絲、噴涂、裝配。
(2)材料處理(抓放):堆剁、倉儲(chǔ)裝卸、零件回類、包裝、芯片拾放、危品處理。
(3)丈量機(jī)器人:目標(biāo)識(shí)別、輪廓尋跡、檢查、3D 注冊。
(4)娛樂機(jī)器人:動(dòng)畫人物、飛行模擬、機(jī)器人寵物。
(5)服務(wù)機(jī)器人:殘疾人幫助、人工假肢、清掃吸塵、向?qū)А?/span>
(6)軍事機(jī)器人:拆除引爆裝置、偵察機(jī)器人、無人機(jī)。
(7)外科手術(shù)機(jī)器人:鉆孔、縫合、消毒、器械抓取。
毫無疑問,智能機(jī)器人已經(jīng)是進(jìn)進(jìn)柔性自動(dòng)化高境界的前哨與尖兵。支撐機(jī)器人的柔性精確自動(dòng)化裝配還有三大關(guān)鍵技術(shù):經(jīng)濟(jì)型柔性工裝技術(shù)、多功能末端執(zhí)行器技術(shù)、激光跟蹤丈量定位技術(shù)。
關(guān)鍵使能技術(shù)
要順利將產(chǎn)業(yè)機(jī)器人引進(jìn)到飛機(jī)的制造與裝配中,必須解決機(jī)器人的精確定位題目。一般產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的最高定位精度只能達(dá)到±0.3m m,遠(yuǎn)低于飛機(jī)裝配的精度要求。而且其位置精度低,需要補(bǔ)償。由于機(jī)器人作業(yè)空間自由度大,而飛機(jī)構(gòu)件內(nèi)部狹窄,不開敞。在機(jī)器人作業(yè)之前,需要模擬仿真。機(jī)器人作業(yè)的對象,需要固定好,由于數(shù)目大,本錢要求低廉。解決上述困難,需要突破六大使能技術(shù):低本錢可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)、多功能末端執(zhí)行器技術(shù)、激光跟蹤丈量定位技術(shù)、機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)、離線仿真編程技術(shù)、動(dòng)態(tài)位姿補(bǔ)償控制技術(shù)。
1 激光跟蹤丈量技術(shù)
采用了嵌進(jìn)式控制,通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)將機(jī)器人和激光跟蹤儀集成在一起。T C P 定位系統(tǒng)使用激光跟蹤系統(tǒng)獨(dú)立跟蹤三坐標(biāo)(x ,y ,z)和3 個(gè)方向(i ,j ,k)。在鉆孔末端執(zhí)行器上安裝了3 個(gè)“貓眼”反射鏡。第4 個(gè)反射鏡用于驗(yàn)證TCP 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。作為瞬時(shí)定位的參考系,這3 個(gè)反射鏡中的任何一個(gè)都能被跟蹤。監(jiān)視機(jī)器人的實(shí)時(shí)空間位置,確定它的盡對位置精度,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)小批量裝配的高精度自動(dòng)化。它可以高精度丈量位置與方向,用來監(jiān)視機(jī)器人的位置。在激光跟蹤儀的監(jiān)控下,機(jī)器人可進(jìn)行高精度位置定位。
除了三維激光跟蹤儀,近年來出現(xiàn)的室內(nèi)i G P S 大尺寸丈量也大顯身手,優(yōu)點(diǎn)突出,可以在整個(gè)作業(yè)空間內(nèi)建立丈量場,一旦布置了iGPS,在現(xiàn)場添加幾臺(tái)機(jī)器人,卻不增加額外的丈量用度,減少固定工裝用度,不像激光跟蹤儀那樣,需要丈量中轉(zhuǎn)站。
2 低本錢可重構(gòu)柔性工裝技術(shù)
在飛機(jī)的制造和裝配中,工裝型架數(shù)目多、尺寸大、種類多,是一筆很大開銷。機(jī)器人的進(jìn)進(jìn),需要有一種可重構(gòu)的低本錢工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)。工裝采用模塊化設(shè)計(jì),完成動(dòng)態(tài)模塊的定位。通過移動(dòng)各種動(dòng)態(tài)模塊,改變動(dòng)態(tài)模塊的格式,構(gòu)建工裝系統(tǒng)。基本模塊有:單軸支撐單元、兩自由度CANNON 單元、三自由度的導(dǎo)軌模塊、六自由度平臺(tái)模塊、球型關(guān)節(jié)模塊。
3 多功能末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)
產(chǎn)業(yè)機(jī)器人只能作為一個(gè)柔性的移動(dòng)平臺(tái),要完成不同的工作任務(wù)則需要安裝不同的操縱器。機(jī)器人本身的負(fù)載能力和剛度有限,要求執(zhí)行器的質(zhì)量要輕,尺寸要小。飛機(jī)制造裝配的作業(yè)形式很多,執(zhí)行器的功能要求多樣化、系列化,在工作現(xiàn)場,要求高的工作效率,執(zhí)行器要可更換、便捷、制造本錢低。其次,執(zhí)行器需要好儲(chǔ)存、少維護(hù)。
4 動(dòng)態(tài)位姿補(bǔ)償控制技術(shù)
離線的校準(zhǔn)要利用一些重要的數(shù)據(jù)來天生靜態(tài)校準(zhǔn)參考模型。當(dāng)機(jī)器人由于選擇性的負(fù)載而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí),可猜丈量出位置和方向誤差,由此來精確構(gòu)造模型。然后,在實(shí)際的加工循環(huán)過程中,利用這個(gè)模型作為參考系統(tǒng)來猜測和補(bǔ)償誤差,這個(gè)更適用于負(fù)載不變的重復(fù)性過程。通過編程,將機(jī)器人移動(dòng)到空間不同位置,同時(shí)記錄每個(gè)位置,重新計(jì)算三腳架腿之間的夾角,并且將操縱頭轉(zhuǎn)換到實(shí)際坐標(biāo)系中,數(shù)據(jù)庫保存、計(jì)算和補(bǔ)償機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息。
5 離線仿真編程技術(shù)
機(jī)器人由于靈活、活動(dòng)空間大、位置求解多,所以機(jī)器人的安全編程和校驗(yàn)是系統(tǒng)的重要組成部分。離線仿真能進(jìn)行實(shí)際零件和N C 程序的加工檢查。在虛擬環(huán)境中檢查零件程序,模擬機(jī)器人的動(dòng)作和運(yùn)行軌跡,驗(yàn)證其可達(dá)性,避免了干涉的發(fā)生。
6 機(jī)器視覺圖像識(shí)別處理技術(shù)
該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人二次精確定位的關(guān)鍵,在實(shí)際應(yīng)用中,一般采用激光掃描器確定基準(zhǔn)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制自動(dòng)化。如基于激光三角法丈量是將激光柱投向檢測的表面,畫一條40m m 長的激光線,包含了1024點(diǎn)。物體表面發(fā)射激光束,一個(gè)高分辨率的C C D 相機(jī)(加裝適當(dāng)?shù)臑V波器和透鏡)接受這些不同的點(diǎn),一臺(tái)專用的控制處理P C 機(jī)來采集這些反射點(diǎn)。
機(jī)器人在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用
飛機(jī)產(chǎn)品的全球化,使得很多小型航空供給商從事飛機(jī)部件裝配。這些提供商擁有大量資本,工廠自動(dòng)化投資有保障,滿足高性能與低本錢要求。通常,這些供給商的能力有限,所以進(jìn)步生產(chǎn)率、有效安排生產(chǎn)布局、縮小廠房面積是其中的關(guān)鍵。一次性組件生產(chǎn),不僅無需構(gòu)建完整部件,而且降低了廠房的要求。與低本錢機(jī)器人自動(dòng)化結(jié)合,形成了無與倫比的設(shè)計(jì)競爭力,創(chuàng)造了非常具有吸引力的解決方案。智能機(jī)器人憑借自身的上風(fēng)一旦引進(jìn)飛機(jī)制造業(yè),其應(yīng)用范圍幾乎能夠涵蓋飛機(jī)裝配的各個(gè)方面:制孔、鉚接,密封、涂膠,噴漆、打磨,對接、丈量,搬用、檢查,移動(dòng)、焊接。
1 基于激光跟蹤儀控制的機(jī)器人制孔
英國空客的自動(dòng)化與機(jī)器人工程團(tuán)體每年大約要鉆5 億個(gè)孔,其中一半由手工來完成。一般的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人對飛機(jī)制造環(huán)境而言,精度不夠,很多應(yīng)用的盡對位置精度為±0.2m m。空客公司找到了解決題目的方案,在航空領(lǐng)域引進(jìn)了一個(gè)柔性低廉的機(jī)器人平臺(tái),推動(dòng)減少手工操縱,滿足市場需求。
此機(jī)器人平臺(tái)包括: 2 臺(tái)機(jī)器人,協(xié)同拾起一個(gè)大型機(jī)翼組件,在固定的位置上進(jìn)行制孔和鉚接;機(jī)器人負(fù)責(zé)機(jī)翼零組件孔的定位,按照C A D 規(guī)定的機(jī)翼定位數(shù)據(jù)完成,能實(shí)現(xiàn)高于原來10 倍的精度作業(yè)。
2 機(jī)器人裝配系統(tǒng)—— ONCE
利用產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的大批量、高產(chǎn)出,O N C E 機(jī)器人制孔系統(tǒng)作為了F /A-18E / F 副翼的蒙皮骨架的自動(dòng)制孔、锪窩、孔探測的平臺(tái),擁有5 個(gè)子系統(tǒng):定位系統(tǒng)、工作頭、監(jiān)視系統(tǒng)、編程系統(tǒng)、零件固定的型架;每件有20000 個(gè)緊固件,達(dá)到每月14 件。一個(gè)月要完成280000 個(gè)制孔;高質(zhì)量、可重復(fù),最大限度減少人工干預(yù)。
傳統(tǒng)機(jī)器人精度低、負(fù)載能力弱,但通過位置與剛度補(bǔ)償,產(chǎn)業(yè)機(jī)器人機(jī)身制孔可以使它變成一個(gè)有效的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。配置伺服控制的多功能末端執(zhí)行器,孔定位可以保證在±0.06inch(0.1524cm),孔锪窩深度精度達(dá)0.0025inch(0.00635cm)。
3 自動(dòng)制孔爬行機(jī)器人
Fatronik 公司研發(fā)了一種爬行機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù),不管什么時(shí)候需要工作,加工車架被放到即將裝配的組件的位置,機(jī)器人通過它自己的真空吸盤固定在航空產(chǎn)品上。在機(jī)器視覺系統(tǒng)的幫助下完成位置坐標(biāo)的自適應(yīng),在機(jī)器人工作空間內(nèi)完成制孔作業(yè)。一旦完成這次作業(yè),通過在工件上的移動(dòng)或爬行系統(tǒng),機(jī)器人可以移動(dòng)并且重新自動(dòng)定位到下一個(gè)工作空間。一旦整個(gè)工件的制孔作業(yè)工作完成,就可以從工件上把機(jī)器人取下來放置在儲(chǔ)存站里。
4 自動(dòng)化過程集成TLD
自動(dòng)化過程集成TLD(TORRESLIGHTDRILL)由西班牙M.Torres 開發(fā),它具有5 軸制孔系統(tǒng),用戶模塊化設(shè)計(jì),視覺系統(tǒng)由2 臺(tái)視覺照相機(jī)組成,激光傳感器和控制軟件保證定位,可程編零件識(shí)別用于精確定位調(diào)整,8 個(gè)真空吸盤和真空供給,確保了T L D 牢牢吸附于飛機(jī)零件表面,最大重量55k g。制孔材料為鋁/ 復(fù)材/ 鈦、生產(chǎn)效率為6 ~ 8 孔/ m i n、制孔直徑6m m、夾層厚度0 ~ 25m m、定位精度±0.254m m,制孔轉(zhuǎn)速100 ~ 10000r / m i n、爬行步距30m m、多種夾層材料編程參數(shù)、內(nèi)置刀具潤滑與冷卻系統(tǒng)。
5 機(jī)身壁板組件裝配處理系統(tǒng)
組件處理系統(tǒng)使用Comau S2機(jī)器人,該機(jī)器人裝備了可重新配置的終端操縱器。這種終端操縱器還安裝了激光掃描儀,用來定位并丈量工作臺(tái)上的組件。這消除了必須把部件正確放置這一要求,同時(shí)還使得部件的變形得到補(bǔ)償,而且由于是組件的實(shí)際尺寸而不是假設(shè)的理想尺寸將被記錄并使用。
6 蛇形臂機(jī)器人
自動(dòng)化水平的進(jìn)步會(huì)帶來意想不到的收益,過多的可重復(fù)的高生產(chǎn)率自動(dòng)化過程替換了原有的手工技術(shù)性裝配過程。密封和粘合過程將變成復(fù)材構(gòu)件中至關(guān)重要的一環(huán)。對于未來飛機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)部分來說,這些促使了新的自動(dòng)化解決方案的發(fā)展。此外,假如飛機(jī)生產(chǎn)采用了先進(jìn)的自動(dòng)化手段,飛機(jī)的維護(hù)和修理也需要新的工具和手段。蛇形手臂機(jī)器人的研發(fā),會(huì)終極導(dǎo)致設(shè)計(jì)和過程的改變,為航空制造業(yè)創(chuàng)造相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值。未來結(jié)構(gòu)件的檢查口蓋設(shè)計(jì)將越來越少和小,維護(hù)時(shí)間也相應(yīng)減少。
應(yīng)用實(shí)例
1 翼盒段制造
在線性導(dǎo)軌上布置2 臺(tái)協(xié)同機(jī)器人完成盒段的制孔/ 锪窩、搬運(yùn)、裝載、修整/ 加工和丈量。系統(tǒng)采用了自適應(yīng)導(dǎo)航系統(tǒng)精度控制,其末端執(zhí)行器可以自動(dòng)更換;系統(tǒng)具有監(jiān)視控制表面,將主肋結(jié)構(gòu)件裝載到粱上的功能。該系統(tǒng)已于2007 年8 月完成翼盒裝配。
2 波音787-41 段生產(chǎn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)布置了5 臺(tái)機(jī)器人,其中機(jī)身外面有3 臺(tái),內(nèi)部有2 臺(tái),系統(tǒng)完成機(jī)身的制孔與鉚接。生產(chǎn)線上的機(jī)器人必須內(nèi)外協(xié)調(diào)工作。機(jī)器人末端執(zhí)行用具有制孔、锪窩、緊固件進(jìn)給與插進(jìn)和緊固件襯套孔強(qiáng)化等多種功能,制孔過程中要保證復(fù)材夾層的完整性,這就對系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。
幾點(diǎn)建議:
對飛機(jī)裝配過程中每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真需求分析,評(píng)估機(jī)器人應(yīng)用的可行性,并制定切實(shí)完整的技術(shù)方案。選擇軍機(jī)和民機(jī),進(jìn)行示范工程試驗(yàn)研究, 再逐步推廣。
(1)串聯(lián)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)很成熟,機(jī)器人可以向?qū)I(yè)公司(KUKA、ABB、FANUC)購買。安裝在機(jī)器人手臂上的操縱器要本著自主研制的思路進(jìn)行。
(2)至于爬行機(jī)器人,是剛剛興起的新技術(shù),國外目前還沒有工程應(yīng)用。可以自主設(shè)計(jì)和制造,是個(gè)好的突破方向,意義重大。
(3)離線程編與仿真,對于機(jī)器人來說,至關(guān)重要,一定要自主開發(fā)。
(4)大膽啟用新型的丈量跟蹤技術(shù),例如i G P S 技術(shù),將丈量系統(tǒng)與機(jī)器人連接起來,從而構(gòu)成閉環(huán)控制。