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| 飞机装配迎来机器人时代 | |
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国外从20 世纪90 年代，就已经大规模开展飞机的自动化装配技术的研究。根据飞机自动化制孔的特点和要求，国外著名的飞机装配设备制造厂家生产了许多大型的面向飞机装配的自动化设备。在飞机装配中，用户定制的机床是根据飞机结构特定的装配要求制造出来的。全作业空间的高精度造就了设备的大型化、高刚性，但存在质量大、设备笨重、用途太专一的缺点。这些设备有一个共同的特点：体积庞大、造价昂贵、维护困难，并且需要配套固定型架或自动托架，其投资也是巨大的。
由于飞机的装配构件必须进入设备之中，造成装配件的频繁上下载，零件多次搬运也不可避免，此外，该设备占地大，厂房面积利用率低，增加了产品的造价，同时设备操作人员的培训费用也很高。
自动化装配随着零件尺寸的增大而受到实际限制。有时由于成本原因，无法使用常规自动化设备来装配大零件，最后不得不退而采用手动连接大型装配件。机动、灵巧的自动化设备为飞机柔性装配提供了另一种选择。它舍弃了整体精度而追求局部精度，并充分利用了飞机部件自身特点，而且质量轻，更经济，可以分配到作业现场或依附到飞机部件上，不需要大的安装场地；而且设备的造价变得低廉许多。
航空制造业广泛使用定制的数控机床进行飞机结构件的加工、制造、装配和质量检验。由于现有机器人刚度和精度低、负载小，使得传统的机器人在飞机装配上的应用水平低。未来机器人需要高精度来满足飞机工件要求、需要柔性来适应不同产品的要求。
航空产品的制造和维护与汽车不同，表现在产品尺寸大小、制造过程精度、产品数量、控制水平不一样，飞机零件、作业通道、结构尺寸大，并且复杂度高，需要作业通道和人的互动。
机器人特点
70 年代初，全球开发了第一台电气机器人，这项技术在恶劣环境下替代了人工劳动，比如点焊、弧焊和搬运。其目的就是创造一个大的作业空间和巨大的柔性。这些应用场合不需要高精度和平稳性。为了推广应用该技术，采用了串联技术，即每根轴依次连接而成。这项技术的优势在于，可以各个方向移动机器，获得需要的柔性和作业空间；然而，其缺点是没有足够的精度和刚度。
总之，机器人灵巧有余，精度不足。其特点表现为：灵巧，柔性好；精度低，负载能力弱；应用广泛，用途多；体积小，机动性好；环境适应性强，生产效率高；制造成本低，批量大；便于维护，服务成本低。
1 几种机器人定义
（1）机器人工业协会 (RIA)：机器人是可改变程编的多功能操作装置，其设计用来搬运物料、零件、工具、专用装置，通过多种程编运动完成多种任务。
（2）日本机器人协会：
a . 人工装卸装置——具有几个自由度，用来人工操作；
b . 固定工序机器人——类似固定自动化；
c . 变化工序机器人——类似程编自动化；
d . 归位机器人——人工示教，轨迹跟踪；
e . 数控机器人——操作者交付机器人完成系列任务， 而不去示教他们；
f . 智能机器人——感知环境手段，不管周围环境变化，都能顺利完成任务。
机器人与自动化有密切的关系，体现3 种层次：
（1）刚性自动化：同类型产品，大批量制造，采用固定的操作模式，且从不改变。
（2）程编自动化：多品种、中批量，可编程系统可以改变制造工序。
（3）柔性自动化：完善优化程编自动化，允许操作步骤快速重构和再编程，常视为“柔性机器人单元”，具有再编程/ 重组机器人改变工作单元功能。
2 应用领域
（1）工业机器人：弧/ 点焊、铣削/ 制孔、涂胶/ 密封、激光/ 水切割、研磨、去毛刺、攻丝、喷涂、装配。
（2）材料处理（抓放）：堆剁、仓储装卸、零件归类、包装、芯片拾放、危品处理。
（3）测量机器人：目标识别、轮廓寻迹、检查、3D 注册。
（4）娱乐机器人：动画人物、飞行模拟、机器人宠物。
（5）服务机器人：残疾人帮助、人工假肢、清扫吸尘、向导。
（6）军事机器人：拆除引爆装置、侦察机器人、无人机。
（7）外科手术机器人：钻孔、缝合、消毒、器械抓取。
毫无疑问，智能机器人已经是进入柔性自动化高境界的前哨与尖兵。支撑机器人的柔性精确自动化装配还有三大关键技术：经济型柔性工装技术、多功能末端执行器技术、激光跟踪测量定位技术。
关键使能技术
要顺利将工业机器人引入到飞机的制造与装配中，必须解决机器人的精确定位问题。一般工业机器人的最高定位精度只能达到±0.3m m，远低于飞机装配的精度要求。而且其位置精度低，需要补偿。由于机器人作业空间自由度大，而飞机构件内部狭窄，不开敞。在机器人作业之前，需要模拟仿真。机器人作业的对象，需要固定好，由于数量大，成本要求低廉。解决上述难题，需要突破六大使能技术：低成本可重构柔性工装技术、多功能末端执行器技术、激光跟踪测量定位技术、机器视觉图像处理技术、离线仿真编程技术、动态位姿补偿控制技术。
1 激光跟踪测量技术
采用了嵌入式控制，通过一个标准的计算机将机器人和激光跟踪仪集成在一起。T C P 定位系统使用激光跟踪系统独立跟踪三坐标（x ，y ，z）和3 个方向（i ，j ，k）。在钻孔末端执行器上安装了3 个“猫眼”反射镜。第4 个反射镜用于验证TCP 的坐标转换。作为瞬时定位的参考系，这3 个反射镜中的任何一个都能被跟踪。监视机器人的实时空间位置，确定它的绝对位置精度，实现飞机小批量装配的高精度自动化。它可以高精度测量位置与方向，用来监视机器人的位置。在激光跟踪仪的监控下，机器人可进行高精度位置定位。
除了三维激光跟踪仪，近年来出现的室内i G P S 大尺寸测量也大显身手，优点突出，可以在整个作业空间内建立测量场，一旦布置了iGPS，在现场添加几台机器人，却不增加额外的测量费用，减少固定工装费用，不像激光跟踪仪那样，需要测量中转站。
2 低成本可重构柔性工装技术
在飞机的制造和装配中，工装型架数量多、尺寸大、种类多，是一笔很大开销。机器人的进入，需要有一种可重构的低成本工装设计制造技术。工装采用模块化设计，完成动态模块的定位。通过移动各种动态模块，改变动态模块的格局，构建工装系统。基本模块有：单轴支撑单元、两自由度CANNON 单元、三自由度的导轨模块、六自由度平台模块、球型关节模块。
3 多功能末端执行器设计制造技术
工业机器人只能作为一个柔性的移动平台，要完成不同的工作任务则需要安装不同的操作器。机器人本身的负载能力和刚度有限，要求执行器的质量要轻，尺寸要小。飞机制造装配的作业形式很多，执行器的功能要求多样化、系列化，在工作现场，要求高的工作效率，执行器要可更换、便捷、制造成本低。其次，执行器需要好储存、少维护。
4 动态位姿补偿控制技术
离线的校准要利用一些重要的数据来生成静态校准参考模型。当机器人由于选择性的负载而发生偏转时，可预测量出位置和方向误差，由此来精确构造模型。然后，在实际的加工循环过程中，利用这个模型作为参考系统来预测和补偿误差，这个更适用于负载不变的重复性过程。通过编程，将机器人移动到空间不同位置，同时记录每个位置，重新计算三脚架腿之间的夹角，并且将操作头转换到实际坐标系中，数据库保存、计算和补偿机器人运动信息。
5 离线仿真编程技术
机器人由于灵活、活动空间大、位置求解多，所以机器人的安全编程和校验是系统的重要组成部分。离线仿真能进行实际零件和N C 程序的加工检查。在虚拟环境中检查零件程序，模拟机器人的动作和运行轨迹，验证其可达性，避免了干涉的发生。
6 机器视觉图像识别处理技术
该技术是实现机器人二次精确定位的关键，在实际应用中，一般采用激光扫描器确定基准点，实现质量控制自动化。如基于激光三角法测量是将激光柱投向检测的表面，画一条40m m 长的激光线，包含了1024点。物体表面发射激光束，一个高分辨率的C C D 相机（加装适当的滤波器和透镜）接受这些不同的点，一台专用的控制处理P C 机来采集这些反射点。 （图片） （图片） （图片） | |
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