國外從20 世紀90 年代,就已經(jīng)大規(guī)模開展飛機的自動化裝配技術(shù)的研究。根據(jù)飛機自動化制孔的特點和要求,國外著名的飛機裝配設(shè)備制造廠家生產(chǎn)了很多大型的面向飛機裝配的自動化設(shè)備。在飛機裝配中,用戶定制的機床是根據(jù)飛機結(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。這些設(shè)備有一個共同的特點:體積龐大、造價昂貴、維護困難,并且需要配套固定型架或自動托架,其投資也是巨大的。
由于飛機的裝配構(gòu)件必須進進設(shè)備之中,造成裝配件的頻繁上下載,零件多次搬運也不可避免,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,同時設(shè)備操縱職員的培訓(xùn)用度也很高。
自動化裝配隨著零件尺寸的增大而受到實際限制。有時由于本錢原因,無法使用常規(guī)自動化設(shè)備來裝配大零件,最后不得不退而采用手動連接大型裝配件。機動、靈巧的自動化設(shè)備為飛機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,并充分利用了飛機部件自身特點,而且質(zhì)量輕,更經(jīng)濟,可以分配到作業(yè)現(xiàn)場或依附到飛機部件上,不需要大的安裝場地;而且設(shè)備的造價變得低廉很多。
航空制造業(yè)廣泛使用定制的數(shù)控機床進行飛機結(jié)構(gòu)件的加工、制造、裝配和質(zhì)量檢驗。由于現(xiàn)有機器人剛度和精度低、負載小,使得傳統(tǒng)的機器人在飛機裝配上的應(yīng)用水平低。未來機器人需要高精度來滿足飛機工件要求、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。
機器人特點
70 年代初,全球開發(fā)了第一臺電氣機器人,這項技術(shù)在惡劣環(huán)境下替換了人工勞動,比如點焊、弧焊和搬運。其目的就是創(chuàng)造一個大的作業(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。這項技術(shù)的上風(fēng)在于,可以各個方向移動機器,獲得需要的柔性和作業(yè)空間;然而,其缺點是沒有足夠的精度和剛度。
總之,機器人靈巧有余,精度不足。其特點表現(xiàn)為:靈巧,柔性好;精度低,負載能力弱;應(yīng)用廣泛,用途多;體積小,機動性好;環(huán)境適應(yīng)性強,生產(chǎn)效率高;制造本錢低,批量大;便于維護,服務(wù)本錢低。
應(yīng)用領(lǐng)域
(1)產(chǎn)業(yè)機器人:弧/ 點焊、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、倉儲裝卸、零件回類、包裝、芯片拾放、危品處理。
(3)丈量機器人:目標識別、輪廓尋跡、檢查、3D 注冊。
(4)娛樂機器人:動畫人物、飛行模擬、機器人寵物。
(5)服務(wù)機器人:殘疾人幫助、人工假肢、清掃吸塵、向?qū)А?/span>
(6)軍事機器人:拆除引爆裝置、偵察機器人、無人機。
(7)外科手術(shù)機器人:鉆孔、縫合、消毒、器械抓取。
毫無疑問,智能機器人已經(jīng)是進進柔性自動化高境界的前哨與尖兵。支撐機器人的柔性精確自動化裝配還有三大關(guān)鍵技術(shù):經(jīng)濟型柔性工裝技術(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)機器人引進到飛機的制造與裝配中,必須解決機器人的精確定位題目。一般產(chǎn)業(yè)機器人的最高定位精度只能達到±0.3m m,遠低于飛機裝配的精度要求。而且其位置精度低,需要補償。由于機器人作業(yè)空間自由度大,而飛機構(gòu)件內(nèi)部狹窄,不開敞。在機器人作業(yè)之前,需要模擬仿真。機器人作業(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)、機器視覺圖像處理技術(shù)、離線仿真編程技術(shù)、動態(tài)位姿補償控制技術(shù)。
1 激光跟蹤丈量技術(shù)
采用了嵌進式控制,通過一個標準的計算機將機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)獨立跟蹤三坐標(x ,y ,z)和3 個方向(i ,j ,k)。在鉆孔末端執(zhí)行器上安裝了3 個“貓眼”反射鏡。第4 個反射鏡用于驗證TCP 的坐標轉(zhuǎn)換。作為瞬時定位的參考系,這3 個反射鏡中的任何一個都能被跟蹤。監(jiān)視機器人的實時空間位置,確定它的盡對位置精度,實現(xiàn)飛機小批量裝配的高精度自動化。它可以高精度丈量位置與方向,用來監(jiān)視機器人的位置。在激光跟蹤儀的監(jiān)控下,機器人可進行高精度位置定位。
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)點突出,可以在整個作業(yè)空間內(nèi)建立丈量場,一旦布置了iGPS,在現(xiàn)場添加幾臺機器人,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。機器人的進進,需要有一種可重構(gòu)的低本錢工裝設(shè)計制造技術(shù)。工裝采用模塊化設(shè)計,完成動態(tài)模塊的定位。通過移動各種動態(tài)模塊,改變動態(tài)模塊的格式,構(gòu)建工裝系統(tǒng)?;灸K有:單軸支撐單元、兩自由度CANNON 單元、三自由度的導(dǎo)軌模塊、六自由度平臺模塊、球型關(guān)節(jié)模塊。
3 多功能末端執(zhí)行器設(shè)計制造技術(shù)
產(chǎn)業(yè)機器人只能作為一個柔性的移動平臺,要完成不同的工作任務(wù)則需要安裝不同的操縱器。機器人本身的負載能力和剛度有限,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)行器需要好儲存、少維護。
4 動態(tài)位姿補償控制技術(shù)
離線的校準要利用一些重要的數(shù)據(jù)來天生靜態(tài)校準參考模型。當(dāng)機器人由于選擇性的負載而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時,可猜丈量出位置和方向誤差,由此來精確構(gòu)造模型。然后,在實際的加工循環(huán)過程中,利用這個模型作為參考系統(tǒng)來猜測和補償誤差,這個更適用于負載不變的重復(fù)性過程。通過編程,將機器人移動到空間不同位置,同時記錄每個位置,重新計算三腳架腿之間的夾角,并且將操縱頭轉(zhuǎn)換到實際坐標系中,數(shù)據(jù)庫保存、計算和補償機器人運動信息。
5 離線仿真編程技術(shù)
機器人由于靈活、活動空間大、位置求解多,所以機器人的安全編程和校驗是系統(tǒng)的重要組成部分。離線仿真能進行實際零件和N C 程序的加工檢查。在虛擬環(huán)境中檢查零件程序,模擬機器人的動作和運行軌跡,驗證其可達性,避免了干涉的發(fā)生。
6 機器視覺圖像識別處理技術(shù)
該技術(shù)是實現(xiàn)機器人二次精確定位的關(guān)鍵,在實際應(yīng)用中,一般采用激光掃描器確定基準點,實現(xiàn)質(zhì)量控制自動化。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。物體表面發(fā)射激光束,一個高分辨率的C C D 相機(加裝適當(dāng)?shù)臑V波器和透鏡)接受這些不同的點,一臺專用的控制處理P C 機來采集這些反射點。
機器人在飛機裝配中的應(yīng)用
飛機產(chǎn)品的全球化,使得很多小型航空供給商從事飛機部件裝配。這些提供商擁有大量資本,工廠自動化投資有保障,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。與低本錢機器人自動化結(jié)合,形成了無與倫比的設(shè)計競爭力,創(chuàng)造了非常具有吸引力的解決方案。智能機器人憑借自身的上風(fēng)一旦引進飛機制造業(yè),其應(yīng)用范圍幾乎能夠涵蓋飛機裝配的各個方面:制孔、鉚接,密封、涂膠,噴漆、打磨,對接、丈量,搬用、檢查,移動、焊接。
1 基于激光跟蹤儀控制的機器人制孔
英國空客的自動化與機器人工程團體每年大約要鉆5 億個孔,其中一半由手工來完成。一般的產(chǎn)業(yè)機器人對飛機制造環(huán)境而言,精度不夠,很多應(yīng)用的盡對位置精度為±0.2m m??湛凸菊业搅私鉀Q題目的方案,在航空領(lǐng)域引進了一個柔性低廉的機器人平臺,推動減少手工操縱,滿足市場需求。
此機器人平臺包括: 2 臺機器人,協(xié)同拾起一個大型機翼組件,在固定的位置上進行制孔和鉚接;機器人負責(zé)機翼零組件孔的定位,按照C A D 規(guī)定的機翼定位數(shù)據(jù)完成,能實現(xiàn)高于原來10 倍的精度作業(yè)。
2 機器人裝配系統(tǒng)—— ONCE
利用產(chǎn)業(yè)機器人的大批量、高產(chǎn)出,O N C E 機器人制孔系統(tǒng)作為了F /A-18E / F 副翼的蒙皮骨架的自動制孔、锪窩、孔探測的平臺,擁有5 個子系統(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 個緊固件,達到每月14 件。一個月要完成280000 個制孔;高質(zhì)量、可重復(fù),最大限度減少人工干預(yù)。
傳統(tǒng)機器人精度低、負載能力弱,但通過位置與剛度補償,產(chǎn)業(yè)機器人機身制孔可以使它變成一個有效的運動平臺。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0.0025inch(0.00635cm)。
3 自動制孔爬行機器人
Fatronik 公司研發(fā)了一種爬行機器人自動制孔技術(shù),不管什么時候需要工作,加工車架被放到即將裝配的組件的位置,機器人通過它自己的真空吸盤固定在航空產(chǎn)品上。在機器視覺系統(tǒng)的幫助下完成位置坐標的自適應(yīng),在機器人工作空間內(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或爬行系統(tǒng),機器人可以移動并且重新自動定位到下一個工作空間。一旦整個工件的制孔作業(yè)工作完成,就可以從工件上把機器人取下來放置在儲存站里。
4 自動化過程集成TLD
自動化過程集成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,視覺系統(tǒng)由2 臺視覺照相機組成,激光傳感器和控制軟件保證定位,可程編零件識別用于精確定位調(diào)整,8 個真空吸盤和真空供給,確保了T L D 牢牢吸附于飛機零件表面,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 機身壁板組件裝配處理系統(tǒng)
組件處理系統(tǒng)使用Comau S2機器人,該機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上的組件。這消除了必須把部件正確放置這一要求,同時還使得部件的變形得到補償,而且由于是組件的實際尺寸而不是假設(shè)的理想尺寸將被記錄并使用。
6 蛇形臂機器人
自動化水平的進步會帶來意想不到的收益,過多的可重復(fù)的高生產(chǎn)率自動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)。對于未來飛機產(chǎn)品生產(chǎn)部分來說,這些促使了新的自動化解決方案的發(fā)展。此外,假如飛機生產(chǎn)采用了先進的自動化手段,飛機的維護和修理也需要新的工具和手段。蛇形手臂機器人的研發(fā),會終極導(dǎo)致設(shè)計和過程的改變,為航空制造業(yè)創(chuàng)造相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟價值。未來結(jié)構(gòu)件的檢查口蓋設(shè)計將越來越少和小,維護時間也相應(yīng)減少。
應(yīng)用實例
1 翼盒段制造
在線性導(dǎo)軌上布置2 臺協(xié)同機器人完成盒段的制孔/ 锪窩、搬運、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 臺機器人,其中機身外面有3 臺,內(nèi)部有2 臺,系統(tǒng)完成機身的制孔與鉚接。生產(chǎn)線上的機器人必須內(nèi)外協(xié)調(diào)工作。機器人末端執(zhí)行用具有制孔、锪窩、緊固件進給與插進和緊固件襯套孔強化等多種功能,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。
幾點建議:
對飛機裝配過程中每個環(huán)節(jié)進行認真需求分析,評估機器人應(yīng)用的可行性,并制定切實完整的技術(shù)方案。選擇軍機和民機,進行示范工程試驗研究, 再逐步推廣。
(1)串聯(lián)機器人技術(shù)已經(jīng)很成熟,機器人可以向?qū)I(yè)公司(KUKA、ABB、FANUC)購買。安裝在機器人手臂上的操縱器要本著自主研制的思路進行。
(2)至于爬行機器人,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)計和制造,是個好的突破方向,意義重大。
(3)離線程編與仿真,對于機器人來說,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)與機器人連接起來,從而構(gòu)成閉環(huán)控制。