航空制造推動(dòng)新概念機(jī)器人發(fā)展（下）

2019-05-28 11:56

目前，航空制造商正在越來越多地采用機(jī)器人來替代以往由人類和笨重設(shè)備來承擔(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)上與汽車裝配流水線上的工業(yè)機(jī)器人一樣。然而近年來，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，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。

二、航空制造逐步應(yīng)用新概念機(jī)器人（續(xù)上篇）

航空制造商正越來越多地利用工業(yè)機(jī)器人提升自動(dòng)化水平，尤其是裝配環(huán)節(jié)的大量需求，讓眾多美歐研究機(jī)構(gòu)、機(jī)器人廠商、創(chuàng)新技術(shù)公司紛紛加入，與空客、波音、洛馬、BAE系統(tǒng)公司等航空制造巨頭一同開發(fā)各類新構(gòu)型靈巧機(jī)器人和自主式協(xié)作機(jī)器人，并且眾多成果已經(jīng)通過技術(shù)驗(yàn)證或生產(chǎn)驗(yàn)證，即將或已經(jīng)用于先進(jìn)航空產(chǎn)品的制造中。

3．固定位置協(xié)作機(jī)器人

一是執(zhí)行簡單協(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。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室組織聯(lián)合開發(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。2017年，AMRC聯(lián)合庫卡公司開發(fā)的锪孔單元應(yīng)用于F－35制造，一臺(tái)集成了非接觸測量功能的锪孔機(jī)器人對預(yù)制孔進(jìn)行精確定位，另一臺(tái)機(jī)器人則代替昂貴的夾具支撐組件并利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行輔助裝夾，加工效率可提升10倍。此外，薩伯公司牽頭、空客、龐巴迪、阿萊尼亞、達(dá)索航空等企業(yè)聯(lián)合于2012年啟動(dòng)的歐盟框架計(jì)劃“復(fù)合材料和混合結(jié)構(gòu)的低成本制造和裝配”（LOCOMACHS）項(xiàng)目，也針對復(fù)合材料和金屬疊層結(jié)構(gòu)件鉆孔開發(fā)了創(chuàng)新的解決方案，一臺(tái)機(jī)器人監(jiān)測鉆孔操作或在鉆孔點(diǎn)增加系統(tǒng)局部剛度，同時(shí)結(jié)構(gòu)件另一邊的機(jī)器人執(zhí)行鉆孔操作，該方案可降低疊層鉆孔成本達(dá)50％。

F－35進(jìn)氣道雙機(jī)器人裝配單元（美國諾格公司圖片）

壁板雙機(jī)器人裝配單元（英國BAE系統(tǒng)公司圖片）

二是執(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)公司與美國威奇托州立大學(xué)國家航空研究院共同建立了3D體驗(yàn)中心，在一個(gè)長方體空間內(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。其中，4臺(tái)機(jī)器人安裝在空間兩側(cè)的地面軌道上， 2臺(tái)機(jī)器人安裝在其中一側(cè)的龍門軌道上，還有3臺(tái)在空間外部，可以3D打印短切纖維復(fù)合材料，還可以執(zhí)行銑削、掃描操作以及其它多種先進(jìn)制造技術(shù)，加速生產(chǎn)、減少零件數(shù)量并消除制造浪費(fèi)。在中心啟動(dòng)當(dāng)天，3臺(tái)機(jī)器人展示了3D打印復(fù)合材料無人機(jī)機(jī)翼的過程，龍門下面的地面機(jī)器人夾持機(jī)翼，龍門上和另一側(cè)的地面機(jī)器人執(zhí)行制造任務(wù)；之后還用6臺(tái)機(jī)器人驗(yàn)證了機(jī)翼翼盒掃描任務(wù)，2臺(tái)地面機(jī)器人200秒就完成了檢測。此外，波音在777X飛機(jī)機(jī)翼翼梁檢測單元中使用了一字排開的近12臺(tái)庫卡機(jī)器人，共同夾持部件以使1臺(tái)超聲檢測機(jī)器人完成自動(dòng)檢測，同時(shí)在另一個(gè)單元中使用了近20臺(tái)機(jī)器人，與工人配合完成手工檢測。

多機(jī)器人單元（美國國家航空研究所圖片）

三是執(zhí)行人機(jī)協(xié)作的類人機(jī)器人，一般采用基于人類手臂設(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。此類機(jī)器人首推庫卡公司的智能工業(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年開發(fā)并用于人機(jī)協(xié)作研究，之后聯(lián)合庫卡于2004年將其推向市場，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。歐盟LOCOMACHS項(xiàng)目就在LBR iiwa和安川電機(jī)莫托曼機(jī)器人基礎(chǔ)上執(zhí)行了“裝配過程中的自動(dòng)化與人協(xié)作”研究，包括4項(xiàng)任務(wù)：人機(jī)交互概念，在共享相同裝配任務(wù)的人附近放置機(jī)器人，基于微軟Kinect視覺系統(tǒng)驗(yàn)證安全區(qū)域的動(dòng)態(tài)安排，可移動(dòng)安全區(qū)域的分配方案。項(xiàng)目開發(fā)了人機(jī)交互軸上力／扭矩傳感器、接近傳感器、機(jī)器人速度限制參數(shù)、集成激光掃描設(shè)備的反饋功能、集成視覺系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃功能，這些技術(shù)將在提升自動(dòng)化水平的同時(shí)確保協(xié)作安全性，降低30％的成本。2018年，在AMRC的幫助下，BAE系統(tǒng)公司將開始在“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)生產(chǎn)中使采用協(xié)作機(jī)器人，公司開發(fā)了一個(gè)基于LBRiiwa的協(xié)作機(jī)器人工作站，能夠識(shí)別并避免碰撞操作員，使用無線技術(shù)自動(dòng)加載最佳的個(gè)人配置文件并且自動(dòng)傳輸定制的提示和指令，通過實(shí)際任務(wù)來指導(dǎo)同等專業(yè)技能水平的人員。