航空航天制造领域工业机器人发展趋势

航空航天制造领域工业机器人发展趋势导读：关键字：工业机器人二、在航空航天制造领域的工业机器人的特点在航空航天制造领域，工业机器人不仅要完成典型的点胶、焊接、喷涂、热处理、搬运、装配以及检测等作业，还要进行钻孔、铆接、密封、修整、复合材料铺敷、无损探伤等特种作业任务。与传统制造行业不同，航空航天产品制造具有尺寸大、结构复杂、性能指标精度高、载荷重、环境洁净度高以及材料特殊等特点，对工业机器人的结构、性能、动作流程和可靠性等都提出了更高的要求。此外，航天产品多品种、小批量的生产特点还要求工业机器人具有良好的作业柔性和可扩展性，通过快速重构可形成适应新环境、新任务的机器人系统[1]。三、该领域工业机器人在国内外的发展情况国外发展情况针对行业特种需求，国外工业机器人企业与航空航天制造企业已经密切合作，面向部件装配和人机协作等应用开展工业机器人系统专项研制，以提高企业竞争力。2012年底，在欧盟第七框架计划（FP7）“未来工厂”项目的资助下[2]，德国、奥地利、西班牙等国家联合发起VALERI计划，其目的是在3年内实现机器人先进识别和人机协作，并能够集成到航空部件生产中，使机器人能够直接与人并肩工作，消除人机之间的防护隔离，将人从简单枯燥的工作中解放出来，进而从事更有附加值的工作。该计划参与单位包括弗劳恩霍夫工业操作和自动化研究院、KUKA实验室、FACC、Profactor、IDPSA、PRODINTEC、空客军机等多家航空和机器人研究与制造企业。英国复合材料中心NCC与GKN等航空航天企业合作投资4百万美元开发双机械臂式自动纤维铺放系统，不仅比手工作业节约材料，同时也替代了龙门式工装，降低了投资成本。此外，美国、加拿大、日本等国家的制造企业也纷纷投巨资开发面向航空制造领域的工业机器人系统。国内发展情况21世纪以来，国内有一大批企业开始自主研制或与科研院所合作研制工业机器人并已经步入初步产业化阶段[3]。但在总体技术上我国工业机器人与国外先进水平相比还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的水平。由于高性能交流伺服电机和高精密减速器等关键单元部件和器件始终依赖进口，我国工业机器人产品的成本居高不下。瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、MOTOMAN，德国的KUKA，美国的AdeptTechnology，意大利COMAU等品牌工业机器人占据了我国90%的应用市场。受其影响，国内面向航空航天产品制造和装配的专用工业机器人系统研制才刚刚起步，还没有形成规模和较完备的种类。尽管我国工业机器人技术及产品在航空部件装配、航天产品生产线以及卫星产品批量研制中逐渐得到应用和推广，与国外技术发展相比仍面临着巨大挑战。本文通过分析和梳理近年来国内外航空航天制造领域的工业机器人技术研究进展和发展趋势，探讨其在非传统制造领域的技术需求以及我国工业机器人技术研究在该领域亟需解决的关键技术。四、技术需求分析1移动式工业机器人汽车、电子、食品等行业广泛应用的工业机器人通常是面向中小规格产品制造，在航空、船舶以及风机等大尺度产品制造过程中将面临巨大的挑战。如果按比例放大工业机器人系统，其制造和控制成本将非常昂贵。另外，航空航天大尺度产品在制造过程中通常不便移动，采用专用、固定基座工业机器人的解决方案并不经济，因此，移动式工业机器人成为新途径。与传统工业机器人相比，同一台移动式工业机器人可以在多个不同的位置上完成同样的作业任务，所需的编程时间较短，能够提高机器人的工作效率和柔性。2多臂协同工业机器人尽管单臂工业机器人在自动化制造中具有诸多优点，但其在空间分布性、功能分布性、任务并行性以及作业容错性等方面存在局限性，特别是在航空领域大尺度部件制造与装配中其灵活性、可靠性、抗振性和负载能力等方面的局限性尤为突出，因此，80年代以来多臂工业机器人系统引起了广泛重视。3末端伺服工业机器人航空航天产品制造、装配过程中最至关重要的就是产品加工精度，特别是大尺度部件制造的绝对定位精度和路径精度。目前工业机器人的重复定位精度较高而绝对定位精度较低，无法满足飞机数字化装配中绝对定位精度低于0.5mm的要求[6]。工业机器人通常采用开链式串联关节构型，由于受到负载、重力、环境温度、机器人本身的制造精度、插补算法以及加工过程中的振颤等因素影响，末端执行器相对于固定基座坐标系的多个连杆均会产生误差积累，而且零部件、工装夹具与机器人基座间因加工受力变形也会产生误差。通过提高关节定位精度和减小连杆变形的方法在改善末端定位精度方面的作用非常有限。因此工业机器人需要通过精确引导末端执行器实现运动轨迹的伺服控制。4灵巧关节工业机器人航空产品通常结构复杂、布局紧凑、而且洁净度要求高，能够进行装配、检测以及清理的工作空间非常有限，因此人工操作难度高，劳动强度大，效率低。常规的工业机器人系统关节尺寸大无法在狭小空间完成这类作业。仿象鼻、章鱼须或蛇等柔性多节结构的灵巧关节工业机器人应运而生。英国OCRobotics公司为空中客车英国公司开发了系列蛇形臂机器人（图8），能够钻入机翼内部进行检测、紧固和密封。例如：OCRobotics公司蛇形臂机器人五、急需解决的关键技术1工业机器人末端执行器精确伺服串联结构工业机器人通常采用谐波减速器，关节刚性较差，为提高定位精度首先需要对机器人的关节刚度、位置误差、温度引起的变形等进行参数辨识，获得误差模型或误差矩阵。其次，通过精度补偿算法对末端执行器的定位提供伺服修正，其补偿方式包括离线和在线两种方式。此外，在制造过程中，大尺度部件的振颤或者移动平台的震动对机器人加工精度和质量的影响也不容忽视。2冗余自由度机器人运动规划与力/位控制移动式工业机器人和紧耦合多臂协同工业机器人均属于具有冗余自由度的机器人系统。对于移动式工业机器人，既需要对移动部分进行定位和局部运动轨迹规划，又需要对工业机器人末端轨迹进行精确规划。在喷涂、检测等动态应用中，需要移动式工业机器人上下部分实时规划、协同运动。3工业机器人灵巧结构与柔性关节工业机器人必须从结构、驱动上加强设计优化，降低功耗、提高负载/自重比；关节必须模块化集成，充分考虑碰撞力检测和主动柔顺控制。为此，新型机器人结构设计、轻量模块化结构设计、包含弹性环节的柔性关节设计和控制、新型碰撞检测传感器设计与配置、智能避碰实时检测与快速响应等成为面向航空航天制造工业机器人的关键技术。4机器人全向移动平台移动式平台是工业机器人提高柔性制造能力的重要基础。除此之外，移动式平台本身作为一种半自主机器人，在航空航天制造过程的总装对接和工序流转中同样也发挥着重要作用。它可以替代大尺度产品运输、装配中通常使用的各种导轨、气垫和轮式专用运输架车，成为航空航天制造领域载重运输平台的新趋势。六、结束语面对航空航天制造领域大尺度、高精度、多品种、小批量的生产特点，提高质量、降低成本、快速反应是航空航天制造企业应对市场竞争和行业发展的重要手段。工业机器人在企业生产模式转型升级、提升装备先进制造能力方面将发挥着重要角色。当前新型材料、高精加工、复杂装配对工业机器人的技术应用、制造理念和管理规划提出了新的要求，需要制造企业和机器人研发团队密切合作，针对应用中面临的各项关键技术探索突破，从而实现工业机器人技术在航空航天制造领域不断创新。