基于智能制造的工业机器人应用研究

石卫东 1 尤荣君 2贾茁 3

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市 710089

摘 要: 随着工业机器人技术的快速发展，其在机械加工领域的应用越加广泛。总结工业机器人在机械加工领域应用的优缺点，以及未来发展的趋势在全球智能制造发展热潮背景下，以工业机器人为代表的智能制造装备的发展受到国内外航空制造业的高度关注。为应对全球航空业订单不断增长的需求，在机械加工、焊接、成形、装配等航空制造领域大量部署应用机器人技术已成为波音、空客等国内外知名航空制造商一致认同的技术途径之一。机器人技术的广泛应用，不仅对提升飞机研制生产效率和质量、降低生产成本、提高综合性能等方面发挥着重要作用，而且对于转变飞机研制生产模式，提升航空制造业智能化水平，实现产业转型升级发展，同样具有更重要意义！

关键词：工业机器人 智能制造 机械加工领域 产业转型

1 绪论

1.1 国内外工业机器人的应用研究概况

（1）全球各主要国家均以机器人作为重要切入点来推动产业转型升级

从2013年德国政府推出“工业4.0战略”、美国制定《从互联网到机器人——美国机器人路线图》，到2014－2015年韩国提出《智能机器人基本计划（2014－2018）》、日本发布《机器人新战略》，再到2016年我国发布《机器人产业发展规划（2016－2020年）》，全球各主要国家纷纷以机器人作为重要切入点来推动产业转型升级。

日本通过增加产、学、官合作，来巩固机器人产业的培育能力，在战略性推进机器人开发与应用的同时，打造应用机器人所需的环境，使机器人随处可见。美国从多方面分析了各类机器人的发展路线图，来加强其在机器人技术方面的地位。德国构建嵌入式制造“智能生产”系统，驱动生产系统走向智能化。

韩国积极推动服务型机器人产业的发展，将政策焦点放在扩大韩国机器人产业并支持本国机器人企业进军海外市场等方面。我国旨在实现我国机器人关键零部件和高端产品的重大突破，实现机器人质量可靠性、市场占有率和龙头企业竞争力的大幅提升。

（2）工业机器人技术高度集中，国际巨头的引领和带动作用明显

工业机器人巨头企业主要集中在日本、美国、德国等工业发达的国家，如日本发那科（FANUC）、安川电机（Yaskawa）、川崎重工（KawasakiHeavy），德国库卡公司（kuka），瑞士abb公司等。它们在工业机器人领域有着长期深入的技术积累，以及紧跟时代的创新能力，逐渐形成了各具特色的技术创新路线和产品，并构建了核心竞争力。德国工业机器人的研究和应用在世界上处于地位，韩国也在不断发力。

全球工业机器人产业链中，以日本发那科、安川电机、德国库卡、瑞士ABB等为代表的龙头企业在机器人本体制造、相关技术和服务及系统集成甚至核心零部件等多方面拥有显著优势，抓住了产业价值链上的利润关键点，具备很强的盈利能力。

（3）国内企业接力科研院所，逐渐成为我国工业机器人技术创新的主力

我国在工业机器人领域的研究主体早期主要集中在高校和科研院所，如哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学等，但随着我国机器人市场的不断扩大，尤其是2013年跃居全球首位以来，越来越多的企业参与其中，以下游的系统集成作为切入点，不断提升技术创新能力，逐步开展中上游的技术研发和产品开发，取得了不俗的成绩，国产机器人的市场份额也在不断扩大。

在日益增长的市场需求推动下，我国工业机器人技术创新的主力逐渐从高校和科研院所转移到企业。沈阳新松机器人自动化股份有限公司、广州数控设备有限公司、南京埃斯顿自动化股份有限公司、安徽埃夫特智能装备股份有限公司、上海新时达电器股份有限公司、广东拓斯达科技股份有限公司、哈尔滨博实自动化股份有限公司、上海沃迪自动化装备股份有限公司是我国工业机器人代表性的企业。

2 工业机器人的应用领域

2.1 物料智能配送

零件加工过程中，物料配送是首要环节，现多数航空制造业仍采用人工使用吊挂、叉车等工具进行物料运送的传统模式。在这种模式下，无形之中增加了设备加工的等待时间，人力劳动成本以及人身安全风险。

物料配送机器人是工业机器人的一种类型，它由计算机控制，具有移动、自动导航、多传感器控制、网络交互等功能，广泛应用于自动化立体仓库、柔性加工系统、柔性装配系统。智能物料配送模式是采用PC端与智能物料配送机器人（AGV）协同工作的一种高效率、低风险的物料输送模式。它的工作原理是利用PC端自动接收各个设备反馈的现加工零件的生产周期，当某一设备零件接近完成加工时，PC端自动发送指令给AGV，AGV接收到指令后，通过分析发送数据的设备类型以及加工零件类型，自动完成料库取料、物料配送、设备上料、返回等待区等一系列动作，实现全流程无人干预的智能配送。这种智能工作模式下，极大程度上减小了设备等待时间、物料运输时间，进而缩短零件的全流程生产周期，提升产能；同时，也降低了劳动强度以及人力成本。

图1 物料智能配送

2.2 机器人自动制孔技术

根据飞机的结构特点，它在装配（零组件装配、部件装配和部件对接装配）的过程中需要进行大量的制孔、铆接等连接工作；而根据不同部位的制孔要求，孔又可通俗地称为缘板孔（法向孔）和腹板孔，零件在进行数控设备加工时，腹板基本垂直于主轴方向，因此制取腹板孔位，加工难度低，可实施性强；但缘板一般与主轴方向平行或成一定的角度，由于机床设备摆角的限制，加工难度较大，可实施性差。现航空制造业多采用样板制孔或人工划线制孔的方式，这种方式存在样板制造成本高、样板精度维护困难、人工划线劳动强度大且对工人的技艺水平要求较高、人工成本高、工作周期长等缺点，一定程度上影响了零件的配套交付需求，制约了整个产业的智能化发展。

随着科技的发展，工业机器人制孔技术已趋于成熟，由于工业制孔机器人是六关节结构，能够实现任意角度的工作模式；且末端执行器结构较小，占用空间小，能够适应更多复杂的作业环境；另外，利用工业机器人制孔，质量更加稳定，产品一致性高，加工效率高，大大降低工人的劳动强度，节约了人力成本。

飞机零部件工业机器人制孔系统现已能够实现大型铝合金材料和钛合金材料的智能化制孔，图2为机器人制孔系统。该系统主要由机器人系统、视觉检测系统、制孔执行器等三个模块构成，每个模块各司其职，其中机器人系统模块主要任务是接收PC端发布的制孔需求，进行逻辑处理，通过机器人的末端执行器，带动制孔执行器运动到目标位置；制孔执行器模块则需直接与加工件发生接触以完成PC端发布的制孔任务；而视觉检测模块的任务是通过拍照和技术处理来获取制孔位置信息，再通过网络通讯将正确信息发送至PC端和机器人控制器；PC端模块主要任务是处理视觉系统发送的数据，并进行内部转换处理，反馈给机器人系统模块；同时PC端可控制整个系统的启动和停止。而制孔执行器控制系统主要由支承单元和压紧单元构成，支撑单元主要是提供必要的机械连接接口和支承；压紧单元则采用气动压紧的原理，它的主要作用是通过压紧零件来降低制孔过程中产生的系统振动，同时它能够消除材料之间的间隙，起到防止切屑进入叠层引起应力集中的作用。

工业机器人制孔按机器人安装摆放方式，又可分为串联机器人制孔模式和并联机器人制孔模式，现场可根据零件结构特点，选择匹配性更高的制孔模式。

2.3 工业机器人自动化打磨

在航空制造业中机械零件经过机床加工后,会在棱边区域自然形成毛刺,这部分毛刺主要由工人使用打磨工具,进行人工打磨和抛光,效率较低且劳动强度大,严重制约零件的生产交付,也阻碍了制造业走向智能化的步伐。

工业智能打磨机器人的出现弥补航空制造业在这方面的技术空缺,它相较于人工打磨、抛光工作具有独特的优势。发动机叶片的表面打磨、抛光工作是叶片生产装配中一道必不可少的工序，叶片表面的光度直接影响到叶片装配时的精度，同样对后续工作也造成一定的隐患；同时工业智能打磨机器人还应用于对一些外形尺寸精度要求高的零件的表面打磨、抛光工作。工业智能打磨机器人具备定位精度高、打磨抛光路径清晰、打磨受力可控等优点，同时由于自身结构特点，它可在复杂危险的环境下持续作业。综上所述，工业智能打磨机器人的投入使用，带动了航空制造业的生产能力提升，降低了工人的劳动强度，同时推动了航空制造业向智能制造转变的进程。

2.4 工业仿生机器人

在航空制造业中，飞机结构主要采用的连接方式是机械连接。据不完全统计，一架中型飞机上大约需要用100万～150万个铆钉和螺栓进行机械连接禁锢，而传统手段仍采用的是工人利用风钻进行钻削和锪窝，其精度与工人的操作熟练度紧密相关，因此制孔的精度、稳定性和加工质量都难以保证。而且飞机装配中不同部件装配所需的工装和夹具是不一致，这就需要设计人员进行大量的工装、夹具设计，再由制造部门进行生产制造，造成了人力和财力的过渡浪费，同时由于设计周期和制造周期，传统装配方式也制约了整个飞机的全生产周期。

随着科研技术的不断攀升，飞机自动化柔性装配技术在航空制造业领域得到了广泛的关注。而工业机器人是机自动化柔性装配的主要设备之一，伴随着越来越多的航空制造业采用飞机自动化柔性装配技术，智能工业机器人也更多地被引入到生产装配线中。而工业仿生机器人的出现，弥补了普通机器人无法在狭小空间作业的技术缺陷。其中最典型的是蛇形机器人，它是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人，与传统的轮式或两足步行式机器人不同的是，它能够像生物一样实现“无肢运动”，在工业界被称为“最富于现实感的机器人”。

蛇形机器人具备长径比大、自由度多、关节运动灵活以及适应能力强等优势，借助这些优势，蛇形机器人能够很好的完成飞机部件内腔的检测、密封以及飞机表面喷涂等任务。另外，通过更换机器人的末端执行器，它还能够完成标准件紧固、制孔、去毛刺、异物（铆钉）清除、清理金属屑或废液等较为复杂的工作。

图3 工业机器人装配现场

3 关键技术支撑

（1）工业机器人定位精度提升

经过一系列的调研，一般工业机器人的定位精度只能达到±0.3mm，这对于航空制造业来说，它的精度不能完全满足飞机零组件制造和装配，因此如何提升工业机器人的重复定位精度是至关重要的一环。

（2）多功能末端执行器技术

工业机器人的机械结构是由机身、手臂、末端执行器三大部分组成，而末端执行器是机器人真正进行作业的结构；由于航空制造业零组件生产装配过程中的作业形式各式各样，因此这就要求机器人的末端执行器能够安装多样化、系列化的作业工具，且末端执行器更换工具时要便捷、快速、制造成本低。

（3）机器人离线仿真编程技术与孪生数字双胞胎系统

工业机器人虽然自动化程度高，但毕竟不具备主观思考和判断能力，因此在机器人作业之前，应首先进行离线模拟仿真，保证机器人执行程序的绝对正确性，避免机器人与加工零部件之间发生干涉，造成质量事故的发生，同时开发孪生数字双胞胎系统，对现场机器人加工进行实时监控和操作。

随着工业机器人技术更加成熟，其在航空制造业的应用领域更加广泛，那么未来的生产模式将全程无人工干预，从毛料的生产、毛料输送、毛料装夹、零件加工、零件制孔（按需）、零件打磨、零件装配都由工业智能机器人自动全流程完成。这种生产模式下，因减少了人工干预，可消除各机种之间的工序等待时间和人工干预时间，大大提升了飞机零部件的全流程生产效率，也促使航空制造业更好地向智能制造方向转变。

4总结

从航空制造业的发展历史来看，工业模式一直在随着工业技术革命而改变，每一种工业模式又影响着相关产业的兴衰。随着工业机器人技术越发成熟，工业机器人在航空制造业转向智能制造的进程中发挥着越来越重要的作用。一方面利用工业机器人的可重复性、高刚性、高稳定性、高效率、可作业于复杂危险工作环境的特点，提升航空产品装备质量，提高航空产品的生产效率，改善工人劳动环境，降低劳动强度和成本，解决航空制造业产能不足的问题；另一方面利用工业机器人的柔性化、自动化的特点，突破以往以人力为主导的传统生产模式，逐步建立信息化、智能化的全新生产模式，去更好的迎接以智能制造为核心的新一代工业革命的到来！

参考文献

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