机器人在航空装配的现状和展望

机器人在航空装配的现状和展望

张杰 张哲 詹洋

陕西飞机工业有限责任公司 723213

摘要：以大型飞机、高性能军用飞机和大型运载火箭为代表的新一代航空航天产品具有组件结构复杂、开放性差、材料系统众多、装配工艺困难等特点，对装配精度和质量提出了新的要求。此外，开发和批量生产周期大大缩短，现有的手动工作方式，再加上传统的加工机械，难以满足可移动模型、短开发周期和高装配精度的广泛要求。以工业机器人为核心的智能装配技术和设备是解决这一问题的有效新途径。但是，机器人绝对定位精度低，结构刚度弱，由于其自身的结构特点，严重影响了其在航空航天部件高精度运行中的应用。同时，这一领域长期以来一直被欧洲和美洲的发达国家垄断。因此，迫切需要突破高精度机器人操作的关键技术，开发具有自主知识产权的智能机器人装配设备，为新一代航空航天产品的开发和批量生产提供技术和设备支持。本文主要分析了机器人设备在航空装配中的应用现状和研究前景。

关键词：工业机器人；精度补偿；刚度强化；作业装备

引言

影响机器人操作精度的主要误差来源包括机器人运动误差和载荷引起的误差。本文将从操作刚度提高的角度出发，分别对原则和主要方法进行阐述。介绍误差补偿，指导具有不同操作环境和类型的机器人操作设备实现操作任务的精确控制，并指出了机器人操作设备在航空航天制造领域的技术发展方向。

1、机器人技术概述

机器人可分为半自助或全自助工作机领域，是结合现代制造技术、材料技术和信息技术的智能制造产品。一般来说，机器人可以分为基于制造环境的工业机器人和基于非制造环境的服务机器人。服务机器人可根据应用环境分为家庭或人性化服务机器人和专业服务机器人在特殊环境中。后者包括在航空领域应用的机器人。虽然人们对机器人极为好奇和富有想象力，但不可否认的是，实际的机器人与人们期望的机器人状态大不相同。第一，机器人是多学科系统的集成，不仅需要整合硬件和软件等不同学科的知识，还需要依靠庞大的研发团队，需要投入大量的时间和精力。第二，工业机器人的运行环境目前主要是结构化的。对于服务机器人，您只能完成一些不难完成的任务，而特殊机器人的特殊项目通常依赖远程控制。

2、机器人移动加工技术与应用

移动机器人处理系统通常由工业机器人、移动平台和多功能末端效应器组成。末端效应器通常集成了马达主轴、压力脚、测量纯度和其他附件。在航空领域加工和装配大尺寸低刚度零件时，机器人加工系统具有较高的可访问性和较低的建筑空间要求，使其能够更灵活地执行自动加工任务，还可用于钻孔、铣削、磨削等切割作业以及铆钉等装配作业。

由于传统钻头切削力较高，难以控制表面质量，近年来新兴的螺旋铣削孔加工技术和超声波辅助方法成功地应用于材料加工中，改变了材料去除机理，减少了切削力，提高了裂纹等加工误差。从切削力建模的时域分析、切削力过程动力学的时域和频域建模、切削器和切削力稳定建模等方面，研究了切削力参数过程的建模模型和螺旋铣削孔的方法，并通过实验验证了预定的工艺参数。采用螺旋铣削和超声振动复合加工工艺对碳纤维树脂基复合材料进行了孔形成实验。结果表明，提高超声波振动幅度和降低每刀齿的材料用量可以有效地减少孔出口处的毛刺、裂纹等加工误差。工业机器人在其他切削领域的使用也在逐步增加。北航大学设计了3P3R带机器人。从加工曲面点的建模出发，采用蒙特卡罗法模拟复杂曲线工件的磨削轨迹，得到了最接近实际加工的机器人姿态，验证了加工工件的可切削性。浙江大学以精确钻出飞机十字路口孔的机器人的精确钻具系统为目标。分析了拉塔发生时缝合脚的位移信号，提出了基于Hilbert-Huang变换的颤振特征提取方法，实现机器人钻头的快速识别。综上所述，移动机器人加工系统由于灵活性高、工作空间大，对低刚度大部分零件的加工装配具有很大优势，将逐渐成为大型航空零件装配加工领域的发展趋势。但是，当机器人加工系统离开定点运行模式进行移动加工时，必然会遇到效率低、逐步基准检测精度差、动态低频切变引起的切屑等问题。因此，为了提高机器人移动加工的稳定性和表面质量，有必要研究大零件、高精度定位和加工稳定性等问题。

3、关于航空工业机器人技术标准化建设的建议

加快机器人产业标准化建设是推动机器人技术在航空工业中更好应用和发展的动力。通过大学的科学研究和部分制造单位的应用，中国积累了多年的基础机器人理论和实践经验。必须通过制定标准来巩固这些成就，为行业提供参考技术样板，同时为人工智能和物联网等先进技术的整合创造有利条件。打破国外对新技术的封锁，在竞争中获得有利地位。机器人技术在航空工业中的应用有效地提高了航空设备的生产效率和可靠性，国外先进航空公司逐渐转向机器替代的生产模式。与波音、空中客车、洛美等公司相比，中国航空工业机器人技术的标准化基本处于起步阶段。当前航空工业中机器人标准化工作受到的关注不够，能力发展相对薄弱。即使是航空工业中使用的机器人的术语和分类标准也存在不足，无法支持航空工业中机器人技术应用的发展和标准化。加快航空工业机器人技术标准化建设，是提高我国航空设备生产水平、推进先进制造技术改造、提高国际航空产品竞争力的重要基石，对于进一步研究航空设备柔性生产和环保生产关键技术具有重要的现实意义。它包括许多技术领域和分支，如机器人控制、伺服电机、减速器等。虽然机器人技术在汽车和零件生产、3C、金属加工和电力电子等一些生产领域得到广泛应用，并具有一定的标准化基础，但在一定程度上推动了机器人技术国家标准的制定，但无法支持军工工业的实际需要。这样的现实不仅困难而具有挑战性，而且是一个迅速突破和创新机会的窗口。因此，在主机生产单位采用机器人代替大量工人之前，通过锁定、快速、稳定地使用机会，规范生产管理模式和安全生产条件，为中国特色航空机器人建立一套技术标准是完全可能的。

加强航空工业机器人标准化工作的组织建设，积极履行航空标准化中央单位的主要责任，建立和完善标准化支持系统，完善航空工业机器人标准化工作的高层设计和协调，提高行业标准的科学性、有效性和适用性。加强现有技术标准在主要生产单位的推广应用，提高飞机建设中标准的执行力度。达到“有标可依，有标必依”并从应用中推动达标发展进程。引领标准设备的开发，通过研发推动标准的修订。通过生产实践和科学研究促进标准的制定，同时提高检测方法的多样性和科学性。积极推进航空工业领域国内外成熟机器人标准的类似改造，优化和完善具有航空工业特点的现有标准，以赢得精英人才，丢弃矿渣。重视机器人标准化人才培养，提高机器人标准化专业水平。

结束语

实现高运行精度是机器人设备在航天工业中应用的前提。本文介绍了机器人高精度制造关键技术在航空航天工业中的应用、机器人操作刚度的增强策略以及机器人操作精度补偿方法等几个方面的发展和研究现状。当前，国内外研究人员对机器人操作系统刚度调节和精度补偿方法进行了全面深入的研究，基本上满足了机器人操作设备在航空航天高精度重载运行中应用的技术要求。但是，在精度补偿方面仍然存在一些问题，例如b .机器人负荷建模精度、实时性能基于模型的误差补偿方法、全闭环补偿技术的适应性等.刚度增强策略也存在理论创新不足和连续轨迹处理任务不完善等缺点，需要进一步研究。

参考文献：

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