近年来，工业机器人因其反复精度高、牢靠性好、适用性强等优点，曾经在汽车、电子、食品、化工、物流等多个行业普遍使用并日趋成熟，无效进步了产质量量和消费效率、浪费了休息力和制形成本、加强了消费柔性和企业竞争力。此外，对保证人身平安、改善休息环境、加重休息强度、降低资料耗费发扬了非常重要的作用。而目前航空航天产品制造进程依旧是休息密集、工序繁复、工况恶劣、辅以少量工装夹具并以手工制造为主。自动化消费才能缺乏，已成为制约进步武器配备牢靠性和消费才能的瓶颈。在我国鼎力开展航空航天的时代背景下，航空航天制造企业使用工业机器人停止自动化消费，对企业消费形式转型晋级、配备先进制造才能提升具有非常重要的意义和价值。

　　在航空航天制造范畴，工业机器人不只要完成典型的点胶、焊接、喷涂、热处置、搬运、拆卸以及检测等作业，还要停止钻孔、铆接、密封、修整、复合资料铺敷、无损探伤等特种作业义务。与传统制造行业不同，航空航天产品制造具有尺寸大、构造复杂、功能目标精度高、载荷重、环境干净度高以及资料特殊等特点，对工业机器人的构造、功能、举措流程和牢靠性等都提出了更高的要求。此外，航天产品多种类、小批量的消费特点还要求工业机器人具有良好的作业柔性和可扩展性，经过疾速重构可构成顺应新环境、新义务的机器人零碎。

　　国际外开展状况

　　针对行业特种需求，国外工业机器人企业与航空航天制造企业曾经亲密协作，面向部件拆卸和人机协作等使用展开工业机器人零碎专项研制，以进步企业竞争力。2012年底，在欧盟第七框架方案（FP7）“将来工厂”项目的赞助下，德国、奥天时、西班牙等国度结合发起VALERI方案，其目的是在3年内完成机器人先进辨认和人机协作，并可以集成到航空部件消费中，使机器人可以直接与人并肩任务，消弭人机之间的防护隔离，将人从复杂单调的任务中束缚出来，进而从事更有附加值的任务。该方案参与单位包括弗劳恩霍夫工业操作和自动化研讨院、KUKA实验室、FACC、Profactor、IDPSA、PRODINTEC、空客军机等多家航空和机器人研讨与制造企业。英国复合资料中心NCC与GKN等航空航天企业协作投资4百万美元开发双机械臂式自动纤维铺放零碎，不只比手任务业浪费资料，同时也替代了龙门式工装，降低了投资本钱。此外，美国、加拿大、日本等国度的制造企业也纷繁投巨资开发面向航空制造范畴的工业机器人零碎。

　　21世纪以来，国际有一大批企业开端自主研制或与科研院所协作研制工业机器人并曾经步入初步产业化阶段[3]。但在总体技术上我国工业机器人与国外先进程度相比还有很大差距，仅相当于国外90年代中期的程度。由于高功能交流伺服电机和高精细加速器等关键单元部件和器件一直依赖出口，我国工业机器人产品的本钱居高不下。瑞典的ABB，日本的FANUC、YASKAWA、MOTOMAN，德国的KUKA，美国的AdeptTechnology，意大利COMAU等品牌工业机器人占据了我国90%的使用市场。受其影响，国际面向航空航天产品制造和拆卸的公用工业机器人零碎研制才刚刚起步，还没无形成规模和较齐备的品种。

　　虽然我国工业机器人技术及产品在航空部件拆卸、航天产品消费线以及卫星产品批量研制中逐步失掉使用和推行，与国外技术开展相比仍面临着宏大应战。本文经过剖析和梳理近年来国际外航空航天制造范畴的工业机器人技术研讨停顿和开展趋向，讨论其在非传统制造范畴的技术需求以及我国工业机器人技术研讨在该范畴亟需处理的关键技术。

　　技术需求剖析

　　汽车、电子、食品等行业普遍使用的工业机器人通常是面向中小规格产品制造，在航空、船舶以及风机等大尺度产品制造进程中将面临宏大的应战。假如按比例缩小工业机器人零碎，其制造和控制本钱将十分昂贵。另外，航空航天大尺度产品在制造进程中通常方便挪动，采用公用、固定基座工业机器人的处理方案并不经济，因而，挪动式工业机器人成为新途径。与传统工业机器人相比，同一台挪动式工业机器人可以在多个不同的地位上完成异样的作业义务，所需的编程工夫较短，可以进步机器人的任务效率和柔性。

　　面向大尺度产品制造的挪动式工业机器人的一种典型配置是将工业机器人零碎装置在挪动导轨上。依据装置地位的不同，该构造又可分为龙门式（图1（a））和地轨式。

　　工业机器人的精度是由空中参考系到末端执行器之间一切关节和连杆误差的积聚所决议的。轨道式配置结构通常会遭到任务载荷以及构造受力等缘由的困扰，形成构造变形并进一步影响加工精度。轨道变形具有随机性，给地位精度补偿也形成很大的困难。此外，轨道构造会占用较大的任务空间和空中，添加了厂房投入和维护本钱。

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　　挪动式工业机器人的另一种典型配置是在轮或履带挪动平台上装置工业机器人，从而到达围绕零件挪动制造的目的。这种方案进步了配备柔性，特别是处理了航空航天大尺度产品不易搬运挪动的成绩。与气垫式、导轨式挪动平台相比，对厂房基建、气源供给无严厉要求，可节省内部设备的投入和维护费用。轮或履带式挪动工业机器人加工误差的处理途径是应用大尺度地位测量零碎提供的非接触地位数据，实时补偿机器人末端执行器与加工零件之间的误差，从而进步加工精度。美国东北研讨院（SouthwestResearchInstitute，SwRI）面向商用或军用飞机喷涂义务，采用Vetex公司的麦卡纳姆轮全向挪动平台、莫托曼工业机器人以及尼康的iGPS零碎结构了挪动式工业机器人零碎MRROAM2，其末端精度可以到达0.5英寸（1英寸=25.4mm），可以满足目前喷涂使用要求。假如采用惯性传感器，其精度无望到达1mm甚至更高。奥天时航空公司采用KUKA公司的全向挪动omniMove零碎改换空中客车飞机引擎，其操作工夫从16h增加到5h，挪动精度可达毫米级。卡耐基梅隆大学国度机器人工程中心（NREC）、CTC公司以及空军研讨实验室采用挪动式工业机器人构成军机外表涂层激光剥离零碎（图）。该零碎依据机型大小对机器人停止灵敏编组，不只替代了传统的机械摩擦或化学腐蚀去除法，防止了无害废料和空气净化，还降低了任务量和处置工夫。我国采用可挪动式工业机器人零碎配以激光跟踪仪完成了卫星舱板的自动和半自动形式辅佐对接拆卸，处理了舱板翻转机构与舱板停放机构的别离以及多自在度自动调理和联动，增加了公用支架车的数量和维护本钱，满足了多工位、多时段的多个卫星拆卸运用要求。

　　挪动式工业机器人在航空航天范畴潜在的使用还包括大部件拆卸，喷涂、喷砂、无损检测等外表处置，焊接铆接，核、生物、化工等环境的外表清洁以及疾速原型制造等。

　　多臂协同工业机器人

　　虽然单臂工业机器人在自动化制造中具有诸多优点，但其在空间散布性、功用散布性、义务并行性以及作业容错性等方面存在局限性，特别是在航空范畴大尺度部件制造与拆卸中其灵敏性、牢靠性、抗振性和负载才能等方面的局限性尤为突出，因而，80年代以来多臂工业机器人零碎惹起了普遍注重。

　　多臂工业机器人零碎通常被分为松耦合型和紧耦合型[5]。松耦合型多见于汽车制造等自动化拆卸，每个工业机器人有独立的作业对象并且不构成全体的闭链构造；紧耦合型零碎各机器人与作业对象直接接触并构成互相作用力，进而构成存在内力作用的闭链机构。采用紧耦合型多工业机器人零碎停止协同作业，可以无效抑制振动、增加变形、替代公用工装夹具，可用作大型、重载、薄壁、细软等易变形部件的搬运、调姿、对接、拆卸等义务。

　　双臂机器人是多臂协同机器人中使用较为普遍的一类，通常模拟人的双臂构造和交互行为，可以在较小的任务空间完成乖巧拆卸与检测义务，可替代人在无害、易燃、易爆化工产品制备，高干净度、高真空度电子产品拆卸等环境中作业（图）。面向航空制造范畴的双臂协同机器人零碎需求具有两类功用。一类是遥操作功用，可以依据操作者的举措指令近程控制机器人准确、颠簸地完成作业；另一类是依据机器人左右臂手交互的力觉感知和义务流程指令自主完成拆卸、检测义务。前者强调举措跟随的精确性和波动性，后者强调举措的柔顺性和协调性。

　　两个以上工业机器人的协同控制成绩要比双臂机器人零碎愈加复杂，在使用上目前还不如双臂协同机器人普遍。不过其面向更复杂操作的才能正逐步遭到研讨机构的关注。日本研讨人员采用5个装备力学和视觉传感器的工业机器人开发了可以弯折和捆扎线缆的多臂机器人零碎。该零碎可用于航空产品的自动化布线消费。日本西南大学、韩国首尔国立大学机械与航空航天学院围绕多挪动工业机器人协同作业的构造和控制技术展开研讨，完成了可以与人互动的协同作业才能，可对同一部件停止搬运和调姿操作。

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　　此外，多臂协同工业机器人还可用于航空复合资料的自动铺放消费，与人任务业相比，双臂自动铺放零碎可浪费资料75%，部件分量比金属减重20%。在NASA的矫捷机械手测试（DMT）设备以及阿尔贡国度实验室的CP-5重水反响堆中均用到了液压驱动的大型双臂工业机器人。经过采用多臂协同技术，使得航空大尺度产品制造可以采用惯例工业机器人零碎，从而降低制造、拆卸单元的本钱和周期，并具有柔性。因而，近年来该技术遭到国际众多科研机构的高度注重，国际知名机器人制造商ABB、KUKA、YASKAWA等也为此纷繁展开相关配备的研制。

　　末端伺服工业机器人

　　航空航天产品制造、拆卸进程中最至关重要的就是产品加工精度，特别是大尺度部件制造的相对定位精度和途径精度。目前工业机器人的反复定位精度较高而相对定位精度较低，无法满足飞机数字化拆卸中相对定位精度低于0.5mm的要求[6]。工业机器人通常采用开链式串联关节构型，由于遭到负载、重力、环境温度、机器人自身的制造精度、插补算法以及加工进程中的振颤等要素影响，末端执行器绝对于固定基座坐标系的多个连杆均会发生误差积聚，而且零部件、工装夹具与机器人基座间因加工受力变形也会发生误差。经过进步关节定位精度和减小连杆变形的办法在改善末端定位精度方面的作用十分无限。因而工业机器人需求经过准确引导末端执行器完成运动轨迹的伺服控制。国际外目前引导机器人末端执行器定位的方式次要有3种：

　　（1）采用光学测量仪器，如激光跟踪仪，iGPS；

　　（2）采用平面视觉测量零碎，如双目或多目视觉；

　　（3）采用力觉检测零碎，如减速度计等。

　　Premium航空技术公司在A350飞机碳纤维加强复合资料机身制造进程中，采用激光跟踪仪引导两台工业机器人协同完成桁条粘贴义务，其18m长桁条的周向公差可达±0.3mm。FANUCAmerica公司采用集成多摄像头、可近程定位的iRVision视觉引导零碎、装置减速度计的学习振动控制零碎（LVC）以及次级编码器，共同作用构建了高精度处理方案。不只经过数据修正使末端执行器的振动降到最小，而且可以对不同地位上的同型工件停止相反的加工进程。既进步了机器人的消费效率，又浪费了空中作业空间。

　　除了采用高精度的测量仪器外，树立定位误差模型和补偿算法也是进步定位精度的重要手腕。德国宝捷自动化公司开发的包括校准工艺和补偿办法的组合包在不运用内部测量仪器的状况下，让一台规范工业机器人的相对定位精度到达±0.3mm。国际北京航空航天大学、浙江大学、南京航空航天大学等高校的研讨和理论标明，采用末端伺服工业机器人是处理以后航空产品制造相对定位精度的重要手腕。

　　乖巧关节工业机器人

　　航空产品通常构造复杂、规划紧凑、而且干净度要求高，可以停止拆卸、检测以及清算的任务空间十分无限，因而人工操作难度高，休息强度大，效率低。惯例的工业机器人零碎关节尺寸大无法在狭小空间完成这类作业。仿象鼻、章鱼须或蛇等柔性多节构造的乖巧关节工业机器人应运而生。英国OCRobotics公司为空中客车英国公司开发了系列蛇形臂机器人（图8），可以钻入机翼外部停止检测、紧固和密封。

　　OCRobotics公司蛇形臂机器人

　　航空大部件产品制造、拆卸、维修进程有时需求运用敲击振动进程，比方铆接，有时又必需防止与作业环境或人发作碰撞。传统的刚性关节工业机器人由于受传感器测量带宽和计算机速度的限制，招致其不能对疾速冲击及时呼应，难以顺应需求霎时减速或较鼎力矩的场所，并且任务空间需求封锁以保证平安性。为此，工业机器人的乖巧性还表现在采用柔性关节，其外部含有弹性环节，经过测量关节的输入力矩构成力矩反应，从而取得比传统关节更高的力控制精度与波动性。弹性环节还可以存储能量，在霎时释放时可以发生较大的力矩。采用柔性关节的工业机器人具有平安性，可以与人直接交互，可以完成作业现场的开放性和挪动性。德国宇航中心DLR、美国MekaRobotics公司、瑞典ABB公司等机构在柔性关节范畴展开了深化研讨，局部产品正逐步投入市场。

　　亟需处理的关键技术

　　1工业机器人末端执行器准确伺服

　　串联合构工业机器人通常采用谐波加速器，关节刚性较差，为进步定位精度首先需求对机器人的关节刚度、地位误差、温度惹起的变形等停止参数辨识，取得误差模型或误差矩阵。其次，经过精度补偿算法对末端执行器的定位提供伺服修正，其补偿方式包括离线和在线两种方式。离线方式经过事后测量等手腕，将空间网格误差、刚度误差、温度误差等补偿数据预置在控制算法中；在线方式借助多种实时测量手腕，比方激光跟踪仪、平面视觉零碎、力或减速度计等传感器对末端地位停止闭环控制。此外，在制造进程中，大尺度部件的振颤或许挪动平台的震动对机器人加工精度和质量的影响也不容无视。为此，工业机器人关节刚度、地位误差、温度补偿的疾速高效辨识、光视力觉多传感器在线交融空间配置技术、振颤抖态抑制办法以及定位精度补偿算法是处理工业机器人末端执行器准确伺服的关键技术。

　　2冗余自在度机器人运动规划与力/位控制

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　　挪动式工业机器人和紧耦合多臂协同工业机器人均属于具有冗余自在度的机器人零碎。关于挪动式工业机器人，既需求对挪动局部停止定位和部分运动轨迹规划，又需求对工业机器人末端轨迹停止准确规划。在喷涂、检测等静态使用中，需求挪动式工业机器人上下局部实时规划、协同运动。在制孔、铆接等力/位伺服使用中，由于挪动局部与空中没有锚接，机器人在单边压力操作进程中的力反应控制成为关键。多机器人零碎自在度高度冗余，既惹起运动学上的不确定性（不同位姿机器人的操作对象处于同一空间位姿）又惹起动力学上的不确定性（操作同一对象的各个机器人末端作用力并不独一）。单机器人零碎的控制方式无法直接使用于冗余自在度机器人的运动协调，必需深化剖析多机器人零碎的运动学和动力学特性，树立可以描绘整个协调零碎动力学特性的数学模型，才干完成准确的协调运动控制。因而，冗余自在度机器人运动学建模和多种约束条件下的狭义坐标求解、机器人载荷分配、闭链内力协调与关节驱动力优化、与环境静态交互的逆动力学控制以及操作细长、薄壁柔性负载的控制是冗余自在度机器人运动规划和力/位控制面临的关键技术。

　　3工业机器人乖巧构造与柔性关节

　　包括法向检测、切削清算、刀具光滑以及属具快换等安装的末端执行器通常体积和分量大。为此串联合构工业机器人各杆段的体积、功耗也相应逐步增大，为了取得较大的刚度和自振频率、降低非线性搅扰，工业机器人往往设计有臂杆均衡机构，因而整个机器人制造零碎体积大、构造重、功耗大、负载-自重比低，在工装上可以布置的空间无限，不利于多机器人协作和进步效率。而目后面向航空复杂、狭隘构造部件拆卸、检测的串联多关节式仿活力械臂还有待进一步进步负载才能和刚性。另外，被加工复合资料或薄壁部件易变形，在制造进程中为避免接触力过大而招致机器人或被加工部件受损，机器人与部件之间需求采取柔顺控制。随着制造环境的逐步开放，机器人随同人任务业的方式成为趋向，人机交互进程中的平安性也成为重要成绩。因此机器人的碰撞检测必不可少。鉴于这些需求，工业机器人必需从构造、驱动上增强设计优化，降低功耗、进步负载/自重比；关节必需模块化集成，充沛思索碰撞力检测和自动柔顺控制。为此，新型机器人构造设计、轻量模块化构造设计、包括弹性环节的柔性关节设计和控制、新型碰撞检测传感器设计与配置、智能避碰实时检测与疾速呼应等成为面向航空航天制造工业机器人的关键技术。

　　4机器人全向挪动平台

　　挪动式平台是工业机器人进步柔性制造才能的重要根底。除此之外，挪动式平台自身作为一种半自主机器人，在航空航天制造进程的总装对接和工序流转中异样也发扬着重要作用。它可以替代大尺度产品运输、拆卸中通常运用的各种导轨、气垫和轮式公用运输架车，成为航空航天制造范畴载重运输平台的新趋向。KUKA公司的全向挪动平台已用于PremiumAEROTEC公司的机身成型模具运输。德国CFT公司研制的MC-DriveTP200、MC-DriveTP60、MC-drivePT200-WHT等全向挪动平台已用于英、美、德等国度的机身、机翼运输和引擎加工。这类平台通常需求满足以下技术要求：

　　（1）立体全向挪动才能，包括恣意方向平移和恣意定点回转，作业空间要求低；

　　（2）承载才能和支撑尺度大，可以满足大型部件的运输和作业工况下的波动支撑；

　　（3）具有三维调姿、定位才能且调理精度高（地位精度±1mm，俯仰、偏航调整精度优于0.02°，程度度调整精度优于0.2mm/m）；

　　（4）运动速度快，调速范围宽，流转效率高；

　　（5）动力、控制、执行等零碎集成度高，构造紧凑；

　　（6）拓展性好，可以承载多种作业配备；

　　（7）操控简便，自动化水平高，增加人工干涉。

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　　为此，机器人全向挪动平台在构造方面需求处理全向轮、车架的重载构造设计，柔性支撑构造设计，通用化构造设计以及挪动平台的运动波动性。在控制方面应思索液压或电机驱动的全向轮牵引才能设计与控制，思索紧凑性、维护性的控制、动力与执行零碎模块化设计以及作业平台的高精细定位与伺服控制。全向挪动平台还能够与现有的气垫式、电磁式、导轨式等挪动方式构成复合式挪动平台，以满足复杂的使用需求。除此之外，满足行业规范和标准的工业现场电、液、气辅佐安装的配套设备规划技术也是全向挪动平台设计中必不可少的内容。

　　5工业机器人智能工艺规划

　　航空航天复杂配备一方面向小型化、轻量化和精细化方向开展，其填充密度和拆卸精度要求高、拆卸难度大，通常采用虚拟拆卸技术进步一次性成功率和拆卸质量。另一方面，航空航天产品多种类、小批量特征要求制造消费线具有柔性制造才能。一台工业机器人要可以装备不同规格的末端执行器，对不同型号产品停止类似的制造和拆卸作业。采用工业机器人停止柔性自动化拆卸时，对拆卸顺序、拆卸途径、末端执行器选配应停止工艺规划，并经过离线编程完成干预检验和指令生成。此外，航空航天零部件的配合关系多样、尺寸链接复杂。在离线编程的根底上，必需结合前道消费进程实时信息，对后续加工进程停止同步伐整。为此，面向航空航天复杂配备的柔性消费，工业机器人需求处理末端执行器快换安装、离线编程、柔性拆卸工艺规划和加工进程同步检测等技术的开发。

 　　完毕语

　　面对航空航天制造范畴大尺度、高精度、多种类、小批量的消费特点，进步质量、降低本钱、疾速反响是航空航天制造企业应对市场竞争和行业开展的重要手腕。工业机器人在企业消费形式转型晋级、提升配备先进制造才能方面将发扬着重要角色。以后新型资料、高精加工、复杂拆卸对工业机器人的技术使用、制造理念和管理规划提出了新的要求，需求制造企业和机器人研发团队亲密协作，针对使用中面临的各项关键技术探究打破，从而完成工业机器人技术在航空航天制造范畴不时创新。