1 機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)[1-2]

自動(dòng)制孔是航空制造領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最成熟的機(jī)器人技術(shù)，目前已有成熟產(chǎn)品出現(xiàn)。如F-16、F-22、F-2和T-50等飛機(jī)的垂尾壁板，C-130飛機(jī)的梁腹板，波音F/A-18E/F超級(jí)大黃蜂后沿襟翼，F(xiàn)-35飛機(jī)機(jī)翼上壁板，波音B-747、C-17等飛機(jī)的機(jī)艙地板，A380機(jī)翼壁板等均采用了機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)。被加工材料涉及鈦合金、鋁合金、碳纖維復(fù)合材料等。

機(jī)器人配合多功能鉆孔末端執(zhí)行器及位姿標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)成了機(jī)器人柔性鉆削系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)形式有3種(不包括數(shù)控系統(tǒng))：(1) 柔性軌道機(jī)器人＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)；(2) 自主爬行機(jī)器人＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)；(3)工業(yè)機(jī)械臂＋制孔末端執(zhí)行器＋監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)。第1、2 類機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)適合于大型飛機(jī)的大型工件或部件的加工，要求工件表面相對(duì)平整且曲率變化較??；第3類機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)適合于復(fù)雜表面的工件加工，制孔的位置精度較高。

機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的工作分工由機(jī)器人完成末端執(zhí)行器的精確定位和定姿，由末端執(zhí)行器完成鉆頭的旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給，由監(jiān)測及標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)加工過程及定位精度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，整個(gè)系統(tǒng)由中央控制器控制工藝順序，跟蹤數(shù)據(jù)(如刀具壽命和孔徑)。末端執(zhí)行器與傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上的動(dòng)力頭相比，最大優(yōu)勢在于它具有壓緊裝置和實(shí)時(shí)力反饋裝置；其次在于它的獨(dú)立性和通用性：獨(dú)立性表現(xiàn)在它本身就是個(gè)小型的制孔裝置，利用它可進(jìn)行一些切削實(shí)驗(yàn)；通用性表現(xiàn)在它可以配合不同的移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成鉆削系統(tǒng)。

機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）壓緊力的設(shè)定。

鉆削開始之前，機(jī)器人將末端控制器上的鉆頭移動(dòng)到預(yù)定位置和姿態(tài)，由末端執(zhí)行器的壓緊裝置與被加工工件接觸，并施加一定壓緊力。壓緊力的主要作用包括：一是補(bǔ)償重力對(duì)末端執(zhí)行器角度造成的影響；二是消除疊層材料層與層間的間隙，防止層間毛刺的進(jìn)入；三是使結(jié)構(gòu)緊湊，增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度。

目前，航空制造業(yè)正在應(yīng)用的機(jī)器人自動(dòng)制孔系統(tǒng)，其壓緊力和鉆削力是耦合的，這樣的設(shè)計(jì)使得壓腳上的力隨切削力的增大而減小，而作用在機(jī)器人上的力始終是壓緊力，這樣就使得機(jī)器人在鉆孔時(shí)不用承受動(dòng)態(tài)的力，而只承受一個(gè)靜態(tài)的力，這種設(shè)計(jì)應(yīng)保證壓緊力大于切削力，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和孔的質(zhì)量。但這種設(shè)計(jì)也存在一個(gè)缺點(diǎn)，即會(huì)造成工件的變形。原因是在鉆孔前必須先壓緊，而此時(shí)作用在工件上的力很大。如何解決這一問題，可以作為未來的一個(gè)研究課題。

（2）調(diào)整刀具和工件表面的垂直。

被加工件多是大型曲面，在到達(dá)指定位置后，需要調(diào)整鉆頭與工件的相對(duì)姿態(tài)，即保證鉆頭和工件的垂直。目前一般采用4個(gè)線性位移傳感器（LVDT）或4個(gè)激光位移傳感器來調(diào)整鉆頭和工件的垂直。如何利用視覺系統(tǒng)或較少的位移傳感器進(jìn)行鉆頭的調(diào)姿( 目的是降低成本，提高效率) 也是值得深入探討的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（3）位置精度補(bǔ)償。

制孔的位置精度即法線精度受到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、負(fù)載、安裝方式、剛度、末端執(zhí)行器的機(jī)械間隙、刀具的磨損、熱效應(yīng)等因素的影響。如何采用檢測、標(biāo)定、補(bǔ)償?shù)姆绞剑岣邫C(jī)器人自動(dòng)制孔的位置及姿態(tài)精度也是制約制孔質(zhì)量的關(guān)鍵問題。

2 機(jī)器人柔性平臺(tái)[3]

飛機(jī)的壁板、尾翼、垂翼、舵板等均是復(fù)雜曲面，對(duì)這些工件進(jìn)行鉆孔、鉚接、焊接、切割、涂料等加工操作時(shí)，必須要求工件表面與加工工具（鉆頭、焊槍、激光器等）垂直。有2種方法可實(shí)現(xiàn)這種相對(duì)位姿的調(diào)整：一種是將工件固定不動(dòng)，將加工工具安裝在工業(yè)機(jī)器人上，通過工業(yè)機(jī)器人的大范圍運(yùn)動(dòng)調(diào)整加工工具的位置與姿態(tài)，使之與被加工工件表面垂直；第二種方法是將被加工工件安裝在工業(yè)機(jī)械臂上，由機(jī)械臂調(diào)整被加工工件的位置及姿態(tài)，而加工工具可以采用傳統(tǒng)的機(jī)床進(jìn)行。這種加工系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多工藝自動(dòng)化，被稱之為機(jī)器人柔性平臺(tái)。由于機(jī)器人配備了測量設(shè)備，可實(shí)時(shí)確定夾具和工件的位姿，夾具幾何結(jié)構(gòu)的改變可在生產(chǎn)過程中被實(shí)時(shí)確定，避免了定期將夾具從生產(chǎn)過程中取出，因此可實(shí)現(xiàn)多過程自動(dòng)化，縮短制品的生產(chǎn)周期。

Airbus、KUKA、Metris和Delmia4家公司聯(lián)合開發(fā)了一種機(jī)器人柔性平臺(tái)，用于完成空客某型號(hào)飛機(jī)工件的柔性加工。該平臺(tái)的技術(shù)創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)了METRI SK-Series Optical CMM 測量設(shè)備和KUKA機(jī)器人的在線動(dòng)態(tài)連接，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了位置的閉環(huán)控制，提高了機(jī)器人的定位精度，再通過集成Delmia’s V5和KUKA’s VRC的仿真軟件，使得機(jī)器人程序的編制更準(zhǔn)確更高效。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了測量設(shè)備在虛擬環(huán)境的虛擬測量，以使實(shí)際環(huán)境適應(yīng)虛擬環(huán)境，使得器人可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制，這意味著機(jī)器人可以準(zhǔn)確地補(bǔ)償動(dòng)態(tài)負(fù)載下的機(jī)器人變形、溫度波動(dòng)以及機(jī)械的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)引發(fā)的定位誤差。

3 機(jī)器人涂覆系統(tǒng)[4]

飛機(jī)的表面涂層（雷達(dá)吸波材料或防結(jié)冰涂料）質(zhì)量對(duì)飛機(jī)壽命至關(guān)重要，尤其是涂層的厚度。厚度公差、表面光潔度、氣孔率、斜度的嚴(yán)格保證對(duì)于人工涂覆來說非常困難，而采用用機(jī)器人技術(shù)則能輕而易舉地解決這些問題。目前，世界上最大的機(jī)器人涂覆自動(dòng)化系統(tǒng)是由諾斯羅普·格魯門公司研制Robotic AircraftFinishing System (RAFS)，它由3個(gè)固定在地面的機(jī)器人和一個(gè)可移動(dòng)的機(jī)器人構(gòu)成，用于B2轟炸機(jī)機(jī)體的表面涂覆。

機(jī)器人涂覆自動(dòng)化的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）涂覆的一致性。傳統(tǒng)的人工涂覆，需要很多人員在不同區(qū)域進(jìn)行操作，雖然使用的是同樣的設(shè)備，但卻難以保證這些人員具有相同的技術(shù)水平，這就必須在涂覆完畢后進(jìn)行打磨處理，而打磨的費(fèi)用非常高；機(jī)器人涂覆可有效解決這一問題，既保證了涂覆的一致性又控制了成本。
（2）產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)器人涂覆有效地消除了涂覆完的再打磨和材料中的氣孔。
（3）節(jié)省材料。機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)更為精確的表面涂覆，減少了材料的浪費(fèi)。
（4）環(huán)保和安全。機(jī)器人涂覆有效地降低了處理廢料的成本，同時(shí)也保證了操作者免受材料粉塵的影響。

機(jī)器人涂覆系統(tǒng)占地面積大，要求機(jī)器人的數(shù)量多，屬于大型系統(tǒng)集成，需要做好充分的規(guī)劃；同時(shí)對(duì)單個(gè)機(jī)器人的工作空間、負(fù)載能力都有一定的要求。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人的離線編程和虛擬仿真技術(shù)要求高，因此在噴涂前需要做好一個(gè)合理的軌跡規(guī)劃和姿態(tài)檢驗(yàn)，以保證噴涂質(zhì)量和工作效率。

4 機(jī)器人復(fù)合材料加工系統(tǒng)[5]

飛機(jī)上的復(fù)合材料主要是指碳纖維復(fù)合材料，它可使飛機(jī)重量更輕、強(qiáng)度更高、耐疲勞耐腐蝕性更好、制造及飛行成本更低。因此現(xiàn)代大型飛機(jī)及各式戰(zhàn)斗機(jī)已開始廣泛使用復(fù)合材料，波音787的復(fù)合材料用量已占到結(jié)構(gòu)重量的50%以上。碳纖維的編織、縫合、鋪放、膠粘劑及密封劑涂層等需要設(shè)備具有較大的工作空間、復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡及高度的靈活性，因此復(fù)合材料的加工給傳統(tǒng)材料的加工方式提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用提供了契機(jī)。