亞天頓(廊坊)復合材料科技有限公司

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航空航天制造領域工業機器人發展趨勢

近年來,工業機器人因其重復精度高、可靠性好、適用性強等優點,已經在汽車、電子、食品、化工、物流等多個行業廣泛應用并日趨成熟,有效提高了產品質量和生產效率、節約了勞動力和制造成本、增強了生產柔性和企業競爭力。此外,對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、降低材料消耗發揮了十分重要的作用。而目前航空航天產品制造過程仍舊是勞動密集、工序繁復、工況惡劣、輔以大量工裝夾具并以手工制造為主。自動化生產能力不足,已成為制約提高武器裝備可靠性和生產能力的瓶頸。在我國大力發展航空航天的時代背景下,航空航天制造企業應用工業機器人進行自動化生產,對企業生產模式轉型升級、裝備先進制造能力提升具有十分重要的意義和價值。

在航空航天制造領域,工業機器人不僅要完成典型的點膠、焊接、噴涂、熱處理、搬運、裝配以及檢測等作業,還要進行鉆孔、鉚接、密封、修整、復合材料鋪敷、無損探傷等特種作業任務。與傳統制造行業不同,航空航天產品制造具有尺寸大、結構復雜、性能指標精度高、載荷重、環境潔凈度高以及材料特殊等特點,對工業機器人的結構、性能、動作流程和可靠性等都提出了更高的要求。此外,航天產品多品種、小批量的生產特點還要求工業機器人具有良好的作業柔性和可擴展性,通過快速重構可形成適應新環境、新任務的機器人系統。

國內外發展情況

針對行業特種需求,國外工業機器人企業與航空航天制造企業已經密切合作,面向部件裝配和人機協作等應用開展工業機器人系統專項研制,以提高企業競爭力。2012年底,在歐盟第七框架計劃(FP7)“未來工廠”項目的資助下,德國、奧地利、西班牙等國家聯合發起VALERI計劃,其目的是在3年內實現機器人先進識別和人機協作,并能夠集成到航空部件生產中,使機器人能夠直接與人并肩工作,消除人機之間的防護隔離,將人從簡單枯燥的工作中解放出來,進而從事更有附加值的工作。該計劃參與單位包括弗勞恩霍夫工業操作和自動化研究院、KUKA實驗室、FACC、Profactor、IDPSA、PRODINTEC、空客軍機等多家航空和機器人研究與制造企業。英國復合材料中心NCC 與GKN 等航空航天企業合作投資4百萬美元開發雙機械臂式自動纖維鋪放系統,不僅比手工作業節約材料,同時也替代了龍門式工裝,降低了投資成本。此外,美國、加拿大、日本等國家的制造企業也紛紛投巨資開發面向航空制造領域的工業機器人系統。

21世紀以來,國內有一大批企業開始自主研制或與科研院所合作研制工業機器人并已經步入初步產業化階段。但在總體技術上我國工業機器人與國外先進水平相比還有很大差距,僅相當于國外90年代中期的水平。由于高性能交流伺服電機和高精密減速器等關鍵單元部件和器件始終依賴進口,我國工業機器人產品的成本居高不下。瑞典的ABB,日本的FANUC、YASKAWA、MOTOMAN,德國的KUKA,美國的Adept Technology,意大利COMAU等品牌工業機器人占據了我國90%的應用市場。受其影響,國內面向航空航天產品制造和裝配的專用工業機器人系統研制才剛剛起步,還沒有形成規模和較完備的種類。

盡管我國工業機器人技術及產品在航空部件裝配、航天產品生產線以及衛星產品批量研制中逐漸得到應用和推廣,與國外技術發展相比仍面臨著巨大挑戰。本文通過分析和梳理近年來國內外航空航天制造領域的工業機器人技術研究進展和發展趨勢,探討其在非傳統制造領域的技術需求以及我國工業機器人技術研究在該領域亟需解決的關鍵技術。

技術需求分析

1 移動式工業機器人

汽車、電子、食品等行業廣泛應用的工業機器人通常是面向中小規格產品制造,在航空、船舶以及風機等大尺度產品制造過程中將面臨巨大的挑戰。如果按比例放大工業機器人系統,其制造和控制成本將非常昂貴。另外,航空航天大尺度產品在制造過程中通常不便移動,采用專用、固定基座工業機器人的解決方案并不經濟,因此,移動式工業機器人成為新途徑。與傳統工業機器人相比,同一臺移動式工業機器人可以在多個不同的位置上完成同樣的作業任務,所需的編程時間較短,能夠提高機器人的工作效率和柔性。

  面向大尺度產品制造的移動式工業機器人的一種典型配置是將工業機器人系統安裝在移動導軌上。根據安裝位置的不同,該結構又可分為龍門式(圖1(a))和地軌式(圖1(b))。工業機器人的精度是由地面參考系到末端執行器之間所有關節和連桿誤差的積累所決定的。軌道式配置構造通常會受到工作載荷以及結構受力等原因的困擾,造成結構變形并進一步影響加工精度。軌道變形具有隨機性,給位置精度補償也造成很大的困難。此外,軌道結構會占用較大的工作空間和地面,增加了廠房投入和維護成本。

移動式工業機器人的另一種典型配置是在輪或履帶移動平臺上安裝工業機器人,從而達到圍繞零件移動制造的目的(圖2)。這種方案提高了裝備柔性,特別是解決了航空航天大尺度產品不易搬運移動的問題。與氣墊式、導軌式移動平臺相比,對廠房基建、氣源供應無嚴格要求,可節省外部設備的投入和維護費用。輪或履帶式移動工業機器人加工誤差的解決途徑是利用大尺度位置測量系統提供的非接觸位置數據,實時補償機器人末端執行器與加工零件之間的誤差,從而提高加工精度。美國西南研究院(Southwest Research Institute ,SwRI)面向商用或軍用飛機噴涂任務,采用Vetex 公司的麥卡納姆輪全向移動平臺、莫托曼工業機器人以及尼康的iGPS 系統構造了移動式工業機器人系統MR ROAM 2,其末端精度能夠達到0.5 英寸,可以滿足目前噴涂應用要求。如果采用慣性傳感器,其精度有望達到1mm 甚至更高。奧地利航空公司采用KUKA 公司的全向移動omniMove 系統更換空中客車飛機引擎,其操作時間從16小時減少到5小時,移動精度可達毫米級??突仿〈髮W國家機器人工程中心(NREC)、CTC 公司以及空軍研究實驗室采用移動式工業機器人構成軍機表面涂層激光剝離系統(圖3)。該系統根據機型大小對機器人進行靈活編組,不僅代替了傳統的機械摩擦或化學腐蝕去除法,避免了有害廢料和空氣污染,還降低了工作量和處理時間。我國采用可移動式工業機器人系統配以激光跟蹤儀實現了衛星艙板的自動和半自動模式輔助對接裝配,解決了艙板翻轉機構與艙板停放機構的分離以及多自由度自動調節和聯動,減少了專用支架車的數量和維護成本,滿足了多工位、多時段的多個衛星裝配使用要求。


移動式工業機器人在航空航天領域潛在的應用還包括大部件裝配,噴涂、噴砂、無損檢測等表面處理,焊接鉚接,核、生物、化工等環境的表面清潔以及快速原型制造等。

2 多臂協同工業機器人

盡管單臂工業機器人在自動化制造中具有諸多優點,但其在空間分布性、功能分布性、任務并行性以及作業容錯性等方面存在局限性,特別是在航空領域大尺度部件制造與裝配中其靈活性、可靠性、抗振性和負載能力等方面的局限性尤為突出,因此,80年代以來多臂工業機器人系統引起了廣泛重視。

多臂工業機器人系統通常被分為松耦合型和緊耦合型。松耦合型多見于汽車制造等自動化裝配,每個工業機器人有獨立的作業對象并且不形成整體的閉鏈結構;緊耦合型系統各機器人與作業對象直接接觸并形成相互作用力,進而構成存在內力作用的閉鏈機構。采用緊耦合型多工業機器人系統進行協同作業,能夠有效抑制振動、減少變形、替代專用工裝夾具,可用作大型、重載、薄壁、細軟等易變形部件的搬運、調姿、對接、裝配等任務(圖4)。


雙臂機器人是多臂協同機器人中應用較為廣泛的一類,通常模仿人的雙臂結構和交互行為,能夠在較小的工作空間完成靈巧裝配與檢測任務,可代替人在有害、易燃、易爆化工產品制備,高潔凈度、高真空度電子產品裝配等環境中作業(圖5)。面向航空制造領域的雙臂協同機器人系統需要具備兩類功能。一類是遙操作功能,能夠根據操作者的動作指令遠程控制機器人精確、平穩地實現作業;另一類是根據機器人左右臂手交互的力覺感知和任務流程指令自主完成裝配、檢測任務。前者強調動作跟隨的準確性和穩定性,后者強調動作的柔順性和協調性。

個以上工業機器人的協同控制問題要比雙臂機器人系統更加復雜,在應用上目前還不如雙臂協同機器人廣泛。不過其面向更復雜操作的能力正逐漸受到研究機構的關注。日本研究人員采用5個配備力學和視覺傳感器的工業機器人開發了可以彎折和捆扎線纜的多臂機器人系統(圖6)。該系統可用于航空產品的自動化布線生產。日本東北大學、韓國首爾國立大學機械與航空航天學院圍繞多移動工業機器人協同作業的結構和控制技術開展研究,實現了能夠與人互動的協同作業能力,可對同一部件進行搬運和調姿操作。

此外,多臂協同工業機器人還可用于航空復合材料的自動鋪放生產,與人工作業相比,雙臂自動鋪放系統可節約材料75%,部件重量比金屬減重20%。在NASA 的敏捷機械手測試(DMT)設備以及阿爾貢國家實驗室的CP-5重水反應堆中均用到了液壓驅動的大型雙臂工業機器人。

通過采用多臂協同技術,使得航空大尺度產品制造可以采用常規工業機器人系統,從而降低制造、裝配單元的成本和周期,并具有柔性。因此,近年來該技術受到國際眾多科研機構的高度重視,國際知名機器人制造商ABB、KUKA、YASKAWA 等也為此紛紛開展相關裝備的研制。

3 末端伺服工業機器人

航空航天產品制造、裝配過程中最至關重要的就是產品加工精度,特別是大尺度部件制造的絕對定位精度和路徑精度。目前工業機器人的重復定位精度較高而絕對定位精度較低,無法滿足飛機數字化裝配中絕對定位精度低于0.5 mm 的要求。


圖7 采用激光跟蹤儀引導機器人準確定位

工業機器人通常采用開鏈式串聯關節構型,由于受到負載、重力、環境溫度、機器人本身的制造精度、插補算法以及加工過程中的振顫等因素影響,末端執行器相對于固定基座坐標系的多個連桿均會產生誤差積累,而且零部件、工裝夾具與機器人基座間因加工受力變形也會產生誤差。通過提高關節定位精度和減小連桿變形的方法在改善末端定位精度方面的作用非常有限(圖7)。因此工業機器人需要通過精確引導末端執行器實現運動軌跡的伺服控制。國內外目前引導機器人末端執行器定位的方式主要有3 種:

(1)采用光學測量儀器,如激光跟蹤儀,iGPS;

(2)采用立體視覺測量系統,如雙目或多目視覺;

(3)采用力覺檢測系統,如加速度計等。

Premium 航空技術公司在A350飛機碳纖維增強復合材料機身制造過程中,采用激光跟蹤儀引導兩臺工業機器人協同完成桁條粘貼任務,其18m 長桁條的周向公差可達±0.3mm。FANUC America公司采用集成多攝像頭、可遠程定位的iRVision 視覺引導系統、安裝加速度計的學習振動控制系統(LVC)以及次級編碼器,共同作用構建了高精度解決方案。不僅通過數據修正使末端執行器的振動降到最小,而且可以對不同位置上的同型工件進行相同的加工過程。既提高了機器人的生產效率,又節約了地面作業空間。

除了采用高精度的測量儀器外,建立定位誤差模型和補償算法也是提高定位精度的重要手段。德國寶捷自動化公司開發的包含校準工藝和補償方法的組合包在不使用外部測量儀器的情況下,讓一臺標準工業機器人的絕對定位精度達到±0.3mm。國內北京航空航天大學、浙江大學、南京航空航天大學等高校的研究和實踐表明,采用末端伺服工業機器人是解決當前航空產品制造絕對定位精度的重要手段。

4 靈巧關節工業機器人

航空產品通常結構復雜、布局緊湊、而且潔凈度要求高,能夠進行裝配、檢測以及清理的工作空間非常有限,因此人工操作難度高,勞動強度大,效率低。常規的工業機器人系統關節尺寸大無法在狹小空間完成這類作業。仿象鼻、章魚須或蛇等柔性多節結構的靈巧關節工業機器人應運而生。英國OC Robotics 公司為空中客車英國公司開發了系列蛇形臂機器人(圖8),能夠鉆入機翼內部進行檢測、緊固和密封。航空大部件產品制造、裝配、維修過程有時需要運用敲擊振動過程(圖7),比如鉚接,有時又必須避免與作業環境或人發生碰撞。

傳統的剛性關節工業機器人由于受傳感器測量帶寬和計算機速度的限制,導致其不能對快速沖擊及時響應,難以適應需要瞬間加速或較大力矩的場合,并且工作空間需要封閉以保證安全性。為此,工業機器人的靈巧性還體現在采用柔性關節,其內部含有彈性環節,通過測量關節的輸出力矩構成力矩反饋,從而獲得比傳統關節更高的力控制精度與穩定性。彈性環節還可以存儲能量,在瞬間釋放時可以產生較大的力矩。采用柔性關節的工業機器人具有安全性,能夠與人直接交互,可以實現作業現場的開放性和移動性。德國宇航中心DLR、美國MekaRobotics 公司、瑞典ABB 公司等機構在柔性關節領域開展了深入研究,部分產品正逐漸投入市場。

亟需解決的關鍵技術

1 工業機器人末端執行器精確伺服

串聯結構工業機器人通常采用諧波減速器,關節剛性較差,為提高定位精度首先需要對機器人的關節剛度、位置誤差、溫度引起的變形等進行參數辨識,獲得誤差模型或誤差矩陣。其次,通過精度補償算法對末端執行器的定位提供伺服修正,其補償方式包括離線和在線兩種方式。離線方式通過預先測量等手段,將空間網格誤差、剛度誤差、溫度誤差等補償數據預置在控制算法中;在線方式借助多種實時測量手段,比如激光跟蹤儀、立體視覺系統、力或加速度計等傳感器對末端位置進行閉環控制。此外,在制造過程中,大尺度部件的振顫或者移動平臺的震動對機器人加工精度和質量的影響也不容忽視。為此,工業機器人關節剛度、位置誤差、溫度補償的快速高效辨識、光視力覺多傳感器在線融合空間配置技術、振顫動態抑制方法以及定位精度補償算法是解決工業機器人末端執行器精確伺服的關鍵技術。

2 冗余自由度機器人運動規劃與力/ 位控制

移動式工業機器人和緊耦合多臂協同工業機器人均屬于具有冗余自由度的機器人系統。對于移動式工業機器人,既需要對移動部分進行定位和局部運動軌跡規劃,又需要對工業機器人末端軌跡進行精確規劃。在噴涂、檢測等動態應用中,需要移動式工業機器人上下部分實時規劃、協同運動。在制孔、鉚接等力/ 位伺服應用中,由于移動部分與地面沒有錨接,機器人在單邊壓力操作過程中的力反饋控制成為關鍵。多機器人系統自由度高度冗余,既引起運動學上的不確定性(不同位姿機器人的操作對象處于同一空間位姿)又引起動力學上的不確定性(操作同一對象的各個機器人末端作用力并不唯一)。單機器人系統的控制方式無法直接應用于冗余自由度機器人的運動協調,必須深入分析多機器人系統的運動學和動力學特性, 建立能夠描述整個協調系統動力學特性的數學模型, 才能實現精確的協調運動控制。因此,冗余自由度機器人運動學建模和多種約束條件下的廣義坐標求解、機器人載荷分配、閉鏈內力協調與關節驅動力優化、與環境動態交互的逆動力學控制以及操作細長、薄壁柔性負載的控制是冗余自由度機器人運動規劃和力/ 位控制面臨的關鍵技術。

3 工業機器人靈巧結構與柔性關節

包含法向檢測、切削清理、刀具潤滑以及屬具快換等裝置的末端執行器通常體積和重量大。為此串聯結構工業機器人各桿段的體積、功耗也相應逐漸增大,為了獲得較大的剛度和自振頻率、降低非線性干圖8 OC Robotics公司的蛇形臂機器人擾,工業機器人往往設計有臂桿平衡構,因此整個機器人制造系統體積大、結構重、功耗大、負載- 自重比低,在工裝上能夠布置的空間有限,不利于多機器人協作和提高效率。而目前面向航空復雜、狹窄結構部件裝配、檢測的串聯多關節式仿生機械臂還有待進一步提高負載能力和剛性。另外,被加工復合材料或薄壁部件易變形,在制造過程中為防止接觸力過大而導致機器人或被加工部件受損,機器人與部件之間需要采取柔順控制。隨著制造環境的逐漸開放,機器人伴隨人工作業的方式成為趨勢,人機交互過程中的安全性也成為重要問題。因而機器人的碰撞檢測必不可少。鑒于這些需求,工業機器人必須從結構、驅動上加強設計優化,降低功耗、提高負載/ 自重比;關節必須模塊化集成,充分考慮碰撞力檢測和主動柔順控制。為此,新型機器人結構設計、輕量模塊化結構設計、包含彈性環節的柔性關節設計和控制、新型碰撞檢測傳感器設計與配置、智能避碰實時檢測與快速響應等成為面向航空航天制造工業機器人的關鍵技術。

4 機器人全向移動平臺

移動式平臺是工業機器人提高柔性制造能力的重要基礎。除此之外,移動式平臺本身作為一種半自主機器人,在航空航天制造過程的總裝對接和工序流轉中同樣也發揮著重要作用。它可以替代大尺度產品運輸、裝配中通常使用的各種導軌、氣墊和輪式專用運輸架車,成為航空航天制造領域載重運輸平臺的新趨勢。KUKA 公司的全向移動平臺已用于Premium AEROTEC 公司的機身成型模具運輸。德國CFT公司研制的MC-Drive TP 200、MC-Drive TP 60、MC-drive PT 200-WHT 等全向移動平臺已用于英、美、德等國家的機身、機翼運輸和引擎加工。這類平臺通常需要滿足以下技術要求:

(1)平面全向移動能力,包括任意方向平移和任意定點回轉,作業空間要求低;

(2)承載能力和支撐尺度大,能夠滿足大型部件的運輸和作業工況下的穩定支撐;

(3)具有三維調姿、定位能力且調節精度高(位置精度±1mm,俯仰、偏航調整精度優于0.02°,水平度調整精度優于0.2mm/m);

(4)運動速度快,調速范圍寬,流轉效率高;

(5)能源、控制、執行等系統集成度高,結構緊湊;

(6)拓展性好,能夠承載多種作業裝備;

(7)操控簡便,自動化程度高,減少人工干預。

為此,機器人全向移動平臺在結構方面需要解決全向輪、車架的重載結構設計,柔性支撐結構設計,通用化結構設計以及移動平臺的運動穩定性。在控制方面應考慮液壓或電機驅動的全向輪牽引能力設計與控制,考慮緊湊性、維護性的控制、能源與執行系統模塊化設計以及作業平臺的高精密定位與伺服控制。全向移動平臺還可能與現有的氣墊式、電磁式、導軌式等移動形式構成復合式移動平臺,以滿足復雜的應用需要。除此之外,滿足行業標準和規范的工業現場電、液、氣輔助裝置的配套設施規劃技術也是全向移動平臺設計中必不可少的內容。

5 工業機器人智能工藝規劃

航空航天復雜裝備一方面向小型化、輕量化和精密化方向發展,其填充密度和裝配精度要求高、裝配難度大,通常采用虛擬裝配技術提高一次性成功率和裝配質量。另一方面,航空航天產品多品種、小批量特征要求制造生產線具備柔性制造能力。一臺工業機器人要能夠配備不同規格的末端執行器,對不同型號產品進行相似的制造和裝配作業。采用工業機器人進行柔性自動化裝配時,對裝配順序、裝配路徑、末端執行器選配應進行工藝規劃,并通過離線編程實現干涉檢驗和指令生成。此外,航空航天零部件的配合關系多樣、尺寸鏈接復雜。在離線編程的基礎上,必須結合前道生產過程實時信息,對后續加工過程進行同步調整。為此,面向航空航天復雜裝備的柔性生產,工業機器人需要解決末端執行器快換裝置、離線編程、柔性裝配工藝規劃和加工過程同步檢測等技術的開發。

結束語

面對航空航天制造領域大尺度、高精度、多品種、小批量的生產特點,提高質量、降低成本、快速反應是航空航天制造企業應對市場競爭和行業發展的重要手段。工業機器人在企業生產模式轉型升級、提升裝備先進制造能力方面將發揮著重要角色。當前新型材料、高精加工、復雜裝配對工業機器人的技術應用、制造理念和管理規劃提出了新的要求,需要制造企業和機器人研發團隊密切合作,針對應用中面臨的各項關鍵技術探索突破,從而實現工業機器人技術在航空航天制造領域不斷創新。


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