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臺機(jī)器人安裝在空間兩側(cè)的地面軌道上， 2臺機(jī)器人安裝在其中一側(cè)的龍門軌道上，還有3臺在空間外部，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臺機(jī)器人驗(yàn)證了機(jī)翼翼盒掃描任務(wù)，2臺地面機(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臺庫卡機(jī)器人，共同夾持部件以使1臺超聲檢測機(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。

協(xié)作機(jī)器人輔助翼肋安裝（瑞典薩伯公司圖片）

固定式協(xié)作機(jī)器人（英國BAE系統(tǒng)公司圖片）

4．自由移動(dòng)協(xié)作機(jī)器人

一是基于大型移動(dòng)平臺的傳統(tǒng)機(jī)器人系統(tǒng)，全向平臺具備高剛度、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“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段裝配開始使用與Electroimpact公司合作開發(fā)的Quadbots多機(jī)器人協(xié)同裝配系統(tǒng)，系統(tǒng)由4臺裝配機(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臺機(jī)器人以便執(zhí)行測試和預(yù)先維修不會影響生產(chǎn)。此外，2016年波音還獲得了一項(xiàng)“機(jī)身自動(dòng)化制造廠”專利，車間地板以RFID標(biāo)識出六個(gè)裝配單元，鉆鉚機(jī)器人、柔性簡易工裝都是可移動(dòng)的，平時(shí)存放在等候區(qū)，中央控制臺基于生產(chǎn)速度和訂單分派任務(wù)，通過運(yùn)送部件的AGV控制工作和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，AGV可自主地根據(jù)任務(wù)在等候區(qū)和各單元之間搬運(yùn)機(jī)器人和工裝，實(shí)現(xiàn)更廣泛意義上的機(jī)機(jī)協(xié)作以及裝配的自主化。

ProsihP II機(jī)器人（德國弗勞恩霍夫研究院圖片）

Quadbots機(jī)器人（美國波音公司圖片）

二是基于靈巧移動(dòng)平臺的類人機(jī)器人系統(tǒng)，類人機(jī)器人直接集成在一個(gè)小體積全向平臺上，提供至少10個(gè)自由度，與人類一起從事各種復(fù)雜任務(wù)，可以說代表了協(xié)作機(jī)器人的最高水平。庫卡公司自2008年起開始推廣其omniRob移動(dòng)機(jī)器人，機(jī)器人在類似AVG的靈巧平臺上集成了LBR iiwa，DLR的自主工業(yè)移動(dòng)機(jī)械手（AIMM）對omniRob進(jìn)行了優(yōu)化，安裝了集成立體攝像頭的傾轉(zhuǎn)盤單元和圖案投影儀、基于FPGA的立體視覺處理器，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GKN航宇旗下福克航空結(jié)構(gòu)和起落架業(yè)務(wù)部分別基于omniRob開展了人機(jī)協(xié)作研究，航空結(jié)構(gòu)部針對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，從這類簡單任務(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泡沫的密封劑滴，減少操作時(shí)間并提升可重復(fù)性。2015年，由弗勞恩霍夫工廠運(yùn)行與自動(dòng)化研究所聯(lián)合空客和FACC等開展的歐盟框架計(jì)劃“工業(yè)用先進(jìn)協(xié)作機(jī)器人驗(yàn)證”項(xiàng)目對其開發(fā)的原型移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了真實(shí)條件下的試驗(yàn)，系統(tǒng)基于ominRob開發(fā)并增加了抬升樞軸單元，使其自由度達(dá)到了12個(gè)，可以自由地執(zhí)行多種裝配任務(wù)，比如涂覆密封劑、搬運(yùn)、檢測等，極大減輕工人壓力；系統(tǒng)還集成了3對立體攝像頭監(jiān)測系統(tǒng)和帶緩沖層的觸覺傳感器，能夠感知并避免任何碰撞，進(jìn)一步提升安全性。空客在“未來裝配”計(jì)劃中與安川電機(jī)合作，利用其HIRO雙臂擬人機(jī)器人來執(zhí)行A380方向舵梁的人機(jī)協(xié)作裝配，實(shí)施抓取、插入和預(yù)裝鉚釘?shù)茹T接任務(wù)，成為歐洲工業(yè)中首個(gè)與人類并肩工作的擬人機(jī)器人，讓人機(jī)協(xié)作看起來更具人工智能，這種機(jī)器人目前擴(kuò)展到了A350平尾翼盒裝配線。

ominRob機(jī)器人（庫卡公司圖片）

HIRO機(jī)器人輔助A380方向舵梁裝配（歐洲空客公司圖片）

三、結(jié)束語

新概念機(jī)器人將是未來航空智能工廠的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是解決航空產(chǎn)品多品種、小批量柔性制造的重要使能手段，也是提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的重要實(shí)現(xiàn)途徑。空客、波音、洛馬等航空制造商不僅之前積極投身聯(lián)合開發(fā)，而且均加入了2017年美國國防部牽頭組建的先進(jìn)機(jī)器人制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步集合全美的學(xué)術(shù)力量、技術(shù)人才和工業(yè)資源加快協(xié)作機(jī)器人的開發(fā)與航空應(yīng)用，在大型部件裝配線等環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更廣泛應(yīng)用。不遠(yuǎn)的將來，“機(jī)器人總動(dòng)員”就將在航空工廠中成為現(xiàn)實(shí)。

附：裝備2018年軍工裝備技術(shù)交流會PPT（下半部分）

（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心? 劉亞威）

本篇供稿：系統(tǒng)工程研究所

運(yùn) 營：李沅栩