國(guó)外從20 世紀(jì)90 年代，就已經(jīng)大規(guī)模開展飛機(jī)的自動(dòng)化裝配技術(shù)的研究。根據(jù)飛機(jī)自動(dòng)化制孔的特點(diǎn)和要求，國(guó)外著名的飛機(jī)裝配設(shè)備制造廠家生產(chǎn)了很多大型的面向飛機(jī)裝配的自動(dòng)化設(shè)備。在飛機(jī)裝配中，用戶定制的機(jī)床是根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)特定的裝配要求制造出來(lái)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(diǎn)。這些設(shè)備有一個(gè)共同的特點(diǎn)：體積龐大、造價(jià)昂貴、維護(hù)困難，并且需要配套固定型架或自動(dòng)托架，其投資也是巨大的。
由于飛機(jī)的裝配構(gòu)件必須進(jìn)進(jìn)設(shè)備之中，造成裝配件的頻繁上下載，零件多次搬運(yùn)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(jià)，同時(shí)設(shè)備操縱職員的培訓(xùn)用度也很高。
自動(dòng)化裝配隨著零件尺寸的增大而受到實(shí)際限制。有時(shí)由于本錢原因，無(wú)法使用常規(guī)自動(dòng)化設(shè)備來(lái)裝配大零件，最后不得不退而采用手動(dòng)連接大型裝配件。機(jī)動(dòng)、靈巧的自動(dòng)化設(shè)備為飛機(jī)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(jī)部件自身特點(diǎn)，而且質(zhì)量輕，更經(jīng)濟(jì)，可以分配到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或依附到飛機(jī)部件上，不需要大的安裝場(chǎng)地；而且設(shè)備的造價(jià)變得低廉很多。
航空制造業(yè)廣泛使用定制的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的加工、制造、裝配和質(zhì)量檢驗(yàn)。由于現(xiàn)有機(jī)器人剛度和精度低、負(fù)載小，使得傳統(tǒng)的機(jī)器人在飛機(jī)裝配上的應(yīng)用水平低。未來(lái)機(jī)器人需要高精度來(lái)滿足飛機(jī)工件要求、需要柔性來(lái)適應(yīng)不同產(chǎn)品的要求。
航空產(chǎn)品的制造和維護(hù)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(jī)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(dòng)。
機(jī)器人特點(diǎn)
70 年代初，全球開發(fā)了第一臺(tái)電氣機(jī)器人，這項(xiàng)技術(shù)在惡劣環(huán)境下替換了人工勞動(dòng)，比如點(diǎn)焊、弧焊和搬運(yùn)。其目的就是創(chuàng)造一個(gè)大的作業(yè)空間和巨大的柔性。這些應(yīng)用場(chǎng)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(xiàng)技術(shù)的上風(fēng)在于，可以各個(gè)方向移動(dòng)機(jī)器，獲得需要的柔性和作業(yè)空間；然而，其缺點(diǎn)是沒有足夠的精度和剛度。
總之，機(jī)器人靈巧有余，精度不足。其特點(diǎn)表現(xiàn)為：靈巧，柔性好；精度低，負(fù)載能力弱；應(yīng)用廣泛，用途多；體積小，機(jī)動(dòng)性好；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)效率高；制造本錢低，批量大；便于維護(hù)，服務(wù)本錢低。
應(yīng)用領(lǐng)域
（1）產(chǎn)業(yè)機(jī)器人：弧/ 點(diǎn)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(cāng)儲(chǔ)裝卸、零件回類、包裝、芯片拾放、危品處理。
（3）丈量機(jī)器人：目標(biāo)識(shí)別、輪廓尋跡、檢查、3D 注冊(cè)。
（4）娛樂機(jī)器人：動(dòng)畫人物、飛行模擬、機(jī)器人寵物。
（5）服務(wù)機(jī)器人：殘疾人幫助、人工假肢、清掃吸塵、向?qū)А?/span>
（6）軍事機(jī)器人：拆除引爆裝置、偵察機(jī)器人、無(wú)人機(jī)。
（7）外科手術(shù)機(jī)器人：鉆孔、縫合、消毒、器械抓取。
毫無(wú)疑問，智能機(jī)器人已經(jīng)是進(jìn)進(jìn)柔性自動(dòng)化高境界的前哨與尖兵。支撐機(jī)器人的柔性精確自動(dòng)化裝配還有三大關(guān)鍵技術(shù)：經(jīng)濟(jì)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(jī)器人引進(jìn)到飛機(jī)的制造與裝配中，必須解決機(jī)器人的精確定位題目。一般產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的最高定位精度只能達(dá)到±0.3m m，遠(yuǎn)低于飛機(jī)裝配的精度要求。而且其位置精度低，需要補(bǔ)償。由于機(jī)器人作業(yè)空間自由度大，而飛機(jī)構(gòu)件內(nèi)部狹窄，不開敞。在機(jī)器人作業(yè)之前，需要模擬仿真。機(jī)器人作業(yè)的對(duì)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(jī)器視覺圖像處理技術(shù)、離線仿真編程技術(shù)、動(dòng)態(tài)位姿補(bǔ)償控制技術(shù)。
1 激光跟蹤丈量技術(shù)
采用了嵌進(jìn)式控制，通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)將機(jī)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(dú)立跟蹤三坐標(biāo)（x ，y ，z）和3 個(gè)方向（i ，j ，k）。在鉆孔末端執(zhí)行器上安裝了3 個(gè)“貓眼”反射鏡。第4 個(gè)反射鏡用于驗(yàn)證TCP 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。作為瞬時(shí)定位的參考系，這3 個(gè)反射鏡中的任何一個(gè)都能被跟蹤。監(jiān)視機(jī)器人的實(shí)時(shí)空間位置，確定它的盡對(duì)位置精度，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)小批量裝配的高精度自動(dòng)化。它可以高精度丈量位置與方向，用來(lái)監(jiān)視機(jī)器人的位置。在激光跟蹤儀的監(jiān)控下，機(jī)器人可進(jìn)行高精度位置定位。
除了三維激光跟蹤儀，近年來(lái)出現(xiàn)的室內(nèi)i G P S 大尺寸丈量也大顯身手，優(yōu)點(diǎn)突出，可以在整個(gè)作業(yè)空間內(nèi)建立丈量場(chǎng)，一旦布置了iGPS，在現(xiàn)場(chǎng)添加幾臺(tái)機(jī)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(jī)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(jī)器人的進(jìn)進(jìn)，需要有一種可重構(gòu)的低本錢工裝設(shè)計(jì)制造技術(shù)。工裝采用模塊化設(shè)計(jì)，完成動(dòng)態(tài)模塊的定位。通過移動(dòng)各種動(dòng)態(tài)模塊，改變動(dòng)態(tài)模塊的格式，構(gòu)建工裝系統(tǒng)?；灸K有：?jiǎn)屋S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(tái)模塊、球型關(guān)節(jié)模塊。
3 多功能末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)制造技術(shù)
產(chǎn)業(yè)機(jī)器人只能作為一個(gè)柔性的移動(dòng)平臺(tái)，要完成不同的工作任務(wù)則需要安裝不同的操縱器。機(jī)器人本身的負(fù)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(jī)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(chǎng)，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(chǔ)存、少維護(hù)。
4 動(dòng)態(tài)位姿補(bǔ)償控制技術(shù)
離線的校準(zhǔn)要利用一些重要的數(shù)據(jù)來(lái)天生靜態(tài)校準(zhǔn)參考模型。當(dāng)機(jī)器人由于選擇性的負(fù)載而發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，可猜丈量出位置和方向誤差，由此來(lái)精確構(gòu)造模型。然后，在實(shí)際的加工循環(huán)過程中，利用這個(gè)模型作為參考系統(tǒng)來(lái)猜測(cè)和補(bǔ)償誤差，這個(gè)更適用于負(fù)載不變的重復(fù)性過程。通過編程，將機(jī)器人移動(dòng)到空間不同位置，同時(shí)記錄每個(gè)位置，重新計(jì)算三腳架腿之間的夾角，并且將操縱頭轉(zhuǎn)換到實(shí)際坐標(biāo)系中，數(shù)據(jù)庫(kù)保存、計(jì)算和補(bǔ)償機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息。
5 離線仿真編程技術(shù)
機(jī)器人由于靈活、活動(dòng)空間大、位置求解多，所以機(jī)器人的安全編程和校驗(yàn)是系統(tǒng)的重要組成部分。離線仿真能進(jìn)行實(shí)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(jī)器人的動(dòng)作和運(yùn)行軌跡，驗(yàn)證其可達(dá)性，避免了干涉的發(fā)生。
6 機(jī)器視覺圖像識(shí)別處理技術(shù)
該技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人二次精確定位的關(guān)鍵，在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用激光掃描器確定基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制自動(dòng)化。如基于激光三角法丈量是將激光柱投向檢測(cè)的表面，畫一條40m m 長(zhǎng)的激光線，包含了1024點(diǎn)。物體表面發(fā)射激光束，一個(gè)高分辨率的C C D 相機(jī)（加裝適當(dāng)?shù)臑V波器和透鏡）接受這些不同的點(diǎn)，一臺(tái)專用的控制處理P C 機(jī)來(lái)采集這些反射點(diǎn)。
機(jī)器人在飛機(jī)裝配中的應(yīng)用
飛機(jī)產(chǎn)品的全球化，使得很多小型航空供給商從事飛機(jī)部件裝配。這些提供商擁有大量資本，工廠自動(dòng)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(jìn)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(wú)需構(gòu)建完整部件，而且降低了廠房的要求。與低本錢機(jī)器人自動(dòng)化結(jié)合，形成了無(wú)與倫比的設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造了非常具有吸引力的解決方案。智能機(jī)器人憑借自身的上風(fēng)一旦引進(jìn)飛機(jī)制造業(yè)，其應(yīng)用范圍幾乎能夠涵蓋飛機(jī)裝配的各個(gè)方面：制孔、鉚接，密封、涂膠，噴漆、打磨，對(duì)接、丈量，搬用、檢查，移動(dòng)、焊接。
1 基于激光跟蹤儀控制的機(jī)器人制孔
英國(guó)空客的自動(dòng)化與機(jī)器人工程團(tuán)體每年大約要鉆5 億個(gè)孔，其中一半由手工來(lái)完成。一般的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人對(duì)飛機(jī)制造環(huán)境而言，精度不夠，很多應(yīng)用的盡對(duì)位置精度為±0.2m m。空客公司找到了解決題目的方案，在航空領(lǐng)域引進(jìn)了一個(gè)柔性低廉的機(jī)器人平臺(tái)，推動(dòng)減少手工操縱，滿足市場(chǎng)需求。
此機(jī)器人平臺(tái)包括： 2 臺(tái)機(jī)器人，協(xié)同拾起一個(gè)大型機(jī)翼組件，在固定的位置上進(jìn)行制孔和鉚接；機(jī)器人負(fù)責(zé)機(jī)翼零組件孔的定位，按照C A D 規(guī)定的機(jī)翼定位數(shù)據(jù)完成，能實(shí)現(xiàn)高于原來(lái)10 倍的精度作業(yè)。
2 機(jī)器人裝配系統(tǒng)—— ONCE
利用產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的大批量、高產(chǎn)出，O N C E 機(jī)器人制孔系統(tǒng)作為了F /A-18E / F 副翼的蒙皮骨架的自動(dòng)制孔、锪窩、孔探測(cè)的平臺(tái)，擁有5 個(gè)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(gè)緊固件，達(dá)到每月14 件。一個(gè)月要完成280000 個(gè)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(jī)器人精度低、負(fù)載能力弱，但通過位置與剛度補(bǔ)償，產(chǎn)業(yè)機(jī)器人機(jī)身制孔可以使它變成一個(gè)有效的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。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(dá)0.0025inch(0.00635cm)。
3 自動(dòng)制孔爬行機(jī)器人
Fatronik 公司研發(fā)了一種爬行機(jī)器人自動(dòng)制孔技術(shù)，不管什么時(shí)候需要工作，加工車架被放到即將裝配的組件的位置，機(jī)器人通過它自己的真空吸盤固定在航空產(chǎn)品上。在機(jī)器視覺系統(tǒng)的幫助下完成位置坐標(biāo)的自適應(yīng)，在機(jī)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(dòng)或爬行系統(tǒng)，機(jī)器人可以移動(dòng)并且重新自動(dòng)定位到下一個(gè)工作空間。一旦整個(gè)工件的制孔作業(yè)工作完成，就可以從工件上把機(jī)器人取下來(lái)放置在儲(chǔ)存站里。
4 自動(dòng)化過程集成TLD
自動(dòng)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(jì)，視覺系統(tǒng)由2 臺(tái)視覺照相機(jī)組成，激光傳感器和控制軟件保證定位，可程編零件識(shí)別用于精確定位調(diào)整，8 個(gè)真空吸盤和真空供給，確保了T L D 牢牢吸附于飛機(jī)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(rùn)滑與冷卻系統(tǒng)。
5 機(jī)身壁板組件裝配處理系統(tǒng)
組件處理系統(tǒng)使用Comau S2機(jī)器人，該機(jī)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(lái)定位并丈量工作臺(tái)上的組件。這消除了必須把部件正確放置這一要求，同時(shí)還使得部件的變形得到補(bǔ)償，而且由于是組件的實(shí)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(jī)器人
自動(dòng)化水平的進(jìn)步會(huì)帶來(lái)意想不到的收益，過多的可重復(fù)的高生產(chǎn)率自動(dòng)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(duì)于未來(lái)飛機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)部分來(lái)說，這些促使了新的自動(dòng)化解決方案的發(fā)展。此外，假如飛機(jī)生產(chǎn)采用了先進(jìn)的自動(dòng)化手段，飛機(jī)的維護(hù)和修理也需要新的工具和手段。蛇形手臂機(jī)器人的研發(fā)，會(huì)終極導(dǎo)致設(shè)計(jì)和過程的改變，為航空制造業(yè)創(chuàng)造相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值。未來(lái)結(jié)構(gòu)件的檢查口蓋設(shè)計(jì)將越來(lái)越少和小，維護(hù)時(shí)間也相應(yīng)減少。
應(yīng)用實(shí)例
1 翼盒段制造
在線性導(dǎo)軌上布置2 臺(tái)協(xié)同機(jī)器人完成盒段的制孔/ 锪窩、搬運(yùn)、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(dòng)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(tái)機(jī)器人，其中機(jī)身外面有3 臺(tái)，內(nèi)部有2 臺(tái)，系統(tǒng)完成機(jī)身的制孔與鉚接。生產(chǎn)線上的機(jī)器人必須內(nèi)外協(xié)調(diào)工作。機(jī)器人末端執(zhí)行用具有制孔、锪窩、緊固件進(jìn)給與插進(jìn)和緊固件襯套孔強(qiáng)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(duì)系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。
幾點(diǎn)建議:
對(duì)飛機(jī)裝配過程中每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真需求分析，評(píng)估機(jī)器人應(yīng)用的可行性，并制定切實(shí)完整的技術(shù)方案。選擇軍機(jī)和民機(jī)，進(jìn)行示范工程試驗(yàn)研究, 再逐步推廣。
（1）串聯(lián)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)很成熟，機(jī)器人可以向?qū)I(yè)公司（KUKA、ABB、FANUC）購(gòu)買。安裝在機(jī)器人手臂上的操縱器要本著自主研制的思路進(jìn)行。
（2）至于爬行機(jī)器人，是剛剛興起的新技術(shù)，國(guó)外目前還沒有工程應(yīng)用?？梢宰灾髟O(shè)計(jì)和制造，是個(gè)好的突破方向，意義重大。
（3）離線程編與仿真，對(duì)于機(jī)器人來(lái)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(jī)器人連接起來(lái)，從而構(gòu)成閉環(huán)控制。