机器人型装备在航空装配中的应用

机器人型装备在航空装配中的应用

程琳

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089

摘要：机器人型装备本身已经具备自动化水平高、运动灵活性佳、定位精准性高以及布置柔性好等多方面的优势，在航空装配中的应用前景十分良好。本文基于机器人型装备在航空装配中的应用进行研究与分析，希望机器人型装备可以更好的应用在航空装配领域中。

关键词：机器人型装备；航空装配；应用

1.机器人装配理论

1.1柔性装配理论

为了更好的满足我国航空产业的现代化发展需求，自动化控制技术、机器人智能化技术、信息化技术等多种现代化技术不断获得突破性进展，柔性装配技术已经被广泛应用在我国航空装配领域作业过程中。柔性装配技术指的是可以快速适应研制与生产，满足低成本制造要求，有效实现设备与工装模块化可实施重组的一种现代化先进装配技术，本身具备高度模块化、自动化以及集成化的优势。但我国基于航空装配作业当中未曾将柔性装配技术充分应用起来，随着柔性装配技术的发展，越来越受安装技术人员的青睐，国家战略层面也给予了高度关注，国内多家航空装配研究科学院在柔性装配技术理论研究领域也获得不小突破性进展。

1.2力反馈理论研究现状

基于人机交互技术具体而言，指的是一种利用计算机技术输入、输出设备，基于一种有效的方式将人与计算机之间实现有机对话的一种技术。力反馈指的是在人机交互作业当中，计算机能够对操作者的输入指令作出积极响应，通过力反馈设备作用于操作者的过程[1]。随着我国飞机产品市场的不断演变，在飞机装配自动化作业中，人机交互技术的应用越来越广泛，应用前景十分可观。为了将安装作业的作业效率与适应性进一步提升，力反馈人机交互技术已经得到国家、科研机构以及相关高等院校的高度关注。

苏州大学的研究人员基于专业知识提出一种建立在维力感知与柔性夹持作业手的复合柔顺轴孔装配方式，旨在满足航天特种高精度电磁阀阀芯自动装配需求，研究了一种建立在一维力感知的主动寻孔策略与控制算法，成功将微米间隙倒角轴孔装配的寻孔问题实现一个有效解决。通过分析超短轴孔装配的插装过程，成功建立起插装过程中各种状态下的力学模型，进而成功研究出建立在柔性技术作业手的被动柔顺插装策略。如下图1所示，通过成功搭建装配实验系统，同时开展实验，通过实验成功证明了该方法可以实现直径为20mm、半径在3μm的航天飞机特种阀阀芯的自动化装配当中。

图1  装配实验系统

再如，燕山大学的研究人员成功研制出一套关于柔顺装配控制的系统。系统中应用了6-PUS/UPS并联下的机器人作为整个系统的一个执行机构，并选取整体预紧式并联六维力传感器作为整个实验系统的感知机构，让系统可以通过自身的力觉感知能力有效实现装配力的一个有效检测，同时采用反馈控制算法对存在的位置偏差进行随时调整[2]。对于柔顺装配中常见的轴孔装配开展实验，如下图2所示，实验平台的图示，该项实验成功验证了此项系统具备不错的力反馈控制能力，能够有效将装配有效控制在一个比较小的范围内，以此达到装配作业环境的一个高度安全性。

图2 柔顺装配实验平台

2.人工智能辅助装配技术研究应用现状

我国航空领域中对于人工智能辅助装配技术的应用研究比较晚，随着近年来，我国基于各种飞机重大型号研制与投产的基础上，尤其是在国产大型客机项目研发领域得以顺利执行，我国航空领域有关飞机设计与制造技术方面均获得突破性的进展。有关人工智能辅助装配技术也逐渐被应用到航空研发领域，获得不小的突破性进展。

2.1大型客机应急舱门的研发与应用

我国上海交通大学，弗劳恩霍夫协会智能制造项目研发中心，在前期人机互动装配研究成果的基础上，对大型客机应急舱门装配场景中繁杂的零件种类与数量，装配工艺的复杂以及对装配质量的高标准、严要求等十分苛刻的问题，研发了一款集人类视觉检测与智能判断、识别的大型客机应急门的人机辅助互动装配系统。如下图3所示，该人机智能辅助互动系统主要由：工作台、机器视觉、智能算法、工艺数据库以及虚拟投影引导等多个子系统组合而成。该项系统中应用了机器视觉结合人工智能的组合方式，成功实现了对人机装配状态整个过程的一个实时精准判断与识别。同时，结合理论三维数据与实训模型两种方式进行对比分析，成功实现了装配工序与零件装配质量的一个整体的智能化检测，后续的工序也顺利实现自动化生成。

该项系统包括了有关客机应急舱门上百个零件的装配工序以及工艺参数，应用投影的方式来展示虚拟装配动画，有效帮助操作人员从纸质工艺手册复杂、繁琐的工作中解放出来。在很大程度上实现了装配人员培训任务的高效简化。基于人机智能识别功能应用的基础上，能够有效降低零部件装配缺陷的发生，降低安装失误发生的频率，有助于整个安装过程校验工作的简化、高效与精准，很好的规避掉因为人工装配缺陷与失误所产生的客机飞行安全隐患。

图3  应急舱门智能装配系统

2.2晨星AR大飞机辅助装配系统的应用

我国浙江大学一直在飞机装配领域中关于部件位姿的智能辅助检测技术进行不懈的研究，成功研发了机器人辅助飞机装配制孔位姿精度补偿技术。机器人辅助飞机装配制孔位姿精度补偿技术主要采用的是激光跟踪仪闭环反馈补偿，成功将机器人制孔系统具备的绝对定位精度性能实现一个大幅度的提升，对于人工装配起到了一个非常不错的辅助效果。浙大研究员们成功研发出的建立在温度补偿与关键点基础上的三维容差姿势评估方法也被成功应用在各种不同的机型装配过程中，实现了人工装配的智能化辅助作业。

学校凭借在航空工业互联网以及虚拟现实技术领域等积累的经验，我国国内一些科技型企业也逐渐开始了关于人工智能辅助装配方向的研究与探索。例如，联想集团成功与中国商飞进行合作，在二者联手研发之下，成功推出建立在增强现实技术基础上的晨星AR大飞机智能辅助装配系统。如下图4所示，晨星AR大飞机智能辅助装配系统需要佩戴专门的AR眼镜，能够实现线缆自动识别、对应连接器与孔位的自动查找等多项功能，同时利用增强现实方式辅助系统操作人员精准完成零部件的装配工艺。与此同时，晨星AR大飞机智能辅助装配系统可以实现装配全过程的一个详细记录，能够更好的对设备整体的装配质量实现高效追溯。在晨星AR大飞机智能辅助装配系统的帮助下，线缆端的接效率可以实现大幅度提升，在一些典型的装配环节中，可以高效、精准的将传统人工安装作业3人用时6小时的工作量提高到1人用时20分钟的时间就可以完成相应的安装任务。

图4晨星AR大飞机辅助装配系统

2.3增强现实装配引导系统的应用

上海交通大学联手上海航天精密机械研究所，针对增强现实技术开展深入研究与分析，基于增强现实技术之上的精密航天产品装配工艺训练系统成功研发出来。如下图5所示，增强现实装配引导系统主要采用的是头戴式增强现实眼镜实现对飞机装配工艺参数与操作引导信息。基于三维约束之下，利用图像特点进行算法的匹配，以此来更加有效的检测人员操作的流程是不是与安装工艺规范保持高度一致，最终实现装配训练流程的大幅度简化处理，人员培训的效率获得大幅度提升。

图5增强现实装配引导系统

2.4  AR智能引导系统协助液压导管装配的应用

成飞公司与西北大学联手研发了有关飞机装配系统领域的飞机管路装配的AR智能辅助引导技术，同时在液压导管部件的安装环节中开展原理验证。该项系统成功的将所需要装配的零件、工装以及装配场景成功的编制为AR指令，同时配备与之相匹配的动态引导资源。将所需要的安装指令与资源全部导入AR眼镜当中，使得该系统可以实时进行引导与检测相应的装配结果。如下图6所示，利用这一系统能够在液压导管装配的整个过程中，基于图形界面针对整个零部件装配实施智能化的操作与引导，成功实现装配流程的便捷性，提高整个安装过程的安装效率。

图6  AR智能引导系统协助液压导管装配

3.航空装配领域装备机构构型发展的趋势

3.1工业机器人的发展

工业机器人源于本身在定位精准度、结构刚度以及操作灵活性高等方面的优势，被广泛应用于航空部件自动化装配领域当中。就目前而言，国际航空工业领域关于机器人行业发展的四大主流品牌为：ABB、发那科、库卡以及安川，四大品牌均已经成功被应用在航空装配领域当中。

例如：美国Electroimpact企业成功利用发那科研发的机器人为波士顿企业研发出一套飞行战斗机的自动制孔系统，该系统的定位精准度能够达到0.5mm左右。Premium企业在其研发空客A350机型有关碳纤维增强复合材料的时候，应用到两台工业智能机器人参与研发过程，共同实现18米长桁的粘贴任务，同时周向公差可以达到0.3mm左右的装配工艺的基本需要[3]。发那科企业应用iRVision视觉引导技术逐步搭建起一整套完善、高精度的自动化装配系统。通过测量数据的进一步修正，有效降低了系统末端执行器本身的振动，有效提升了整套系统基于多种不同环境中的适应能力。特别提出的一点，库卡企业生产的大载荷工业机器人臂被广泛应用在航空工业装配过程中有关大型零部件的装配当中。

3.2协作机器人发展

基于一般工业机器人研究来讲，人们极少会考虑人机交互过程中的安全性，在装配现场一般会在机器人与操作人员之间设置安全护栏，使二者分开，造成机器人的工作效率被大幅度削减。所以，具备机器人末端顺应特性的协作式机器人能够在保证安全作业的基础上，与工作人员之间实现更好的协同作业，将各自的优势充分发挥出来。基于此，协作机器人在航空装配领域的发展前景十分广阔。就目前来讲，国内外协作机器人的主流品牌都已经被成功应用在航空工业领域装配环节中，获得初步应用效果，主要包括：优傲机器人、德国库卡LBR、ABB双臂协作机器人、FANUC机器人的CR系列以及Rethink中的Baxter系列等。

3.3并联机构

基于结构刚度、定位精准度以及动态化特性等多方面的优势上来讲，在航空大部件加工、装配领域中并联构型操作装备被广泛应用。主要以Tricept、Exechon以及Trivaiant等构型作为代表的混联加工装备将并联机构运动本身姿态灵活、刚度稳定性优的特点充分体现出来，被广泛应用在飞机零部件加工与安装，自动化钻铆以及机身与机翼对接面现场加工等方面。

结束语

基于航空装配作业当中，自动化技术已经逐渐将传统的人工作业取而代之，成为航空装配领域未来的发展趋势。所以，机器人型装备在航空自动化装配作业中充分展示出自身的安装优势。虽然我国在航空自动化装配领域的研究起步比较晚，但是近年来我国对其发展的重视度越来越高，基于国家战略发展层面，针对航空科技重点企业与科技研究院给予极大支持与鼓励

[4]。通过党政、科研人员的共同努力，在广大群众的大力支持下，我国已经在某些领域成功实现自动化技术的实际应用，但是依旧在很多领域与国外先进国家存在较大差距，并积极缩减这一差距。

参考文献

[1]尤晨宇,刘亚威.机器人系统在美国防部制造与装备保障中的应用简析[J].航空维修与工程,2023(02):19-21.

[2]夏金迪.基于装备机械臂的移动焊接机器人设计与仿真模型构建[J].制造技术与机床,2022(04):21-25.

[3]南晓萱,王俊,肖明,席文明.机器人加工装备运动学镜像模型建立方法与实验研究[J].制造技术与机床,2022(01):14-18.

[4]田威,焦嘉琛,李波,崔光裕.航空航天制造机器人高精度作业装备与技术综述[J].南京航空航天大学学报,2020,52(03):341-352.