[科普中國]-航空航天機(jī)器人

簡介

自英國工業(yè)革命以來，隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，機(jī)械已經(jīng)慢慢取代人力勞動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，減少了工傷事故的發(fā)生。近年來，隨著機(jī)電一體化設(shè)備的不斷發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人因具有一致性和可靠性好，精確度高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械、汽車、化工以及航空航天制造領(lǐng)域。

航空航天機(jī)器人能夠幫助航天員在開擴(kuò)的宇宙空間工作。這項(xiàng)工作與使用遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)和空間站相比在航天工藝技術(shù)方面邁出了新的一步。從機(jī)器人的概念來講，它們能夠幫助人在開擴(kuò)的宇宙空間進(jìn)行實(shí)際工作。它們可以和人一起工作，也可以代替人完成危險(xiǎn)性很大的工作，擴(kuò)大了人類的活動(dòng)范圍。航空航天機(jī)器人在完成具有一定難度的任務(wù)時(shí)沒有專用的夾子，也不用設(shè)計(jì)程序。這一工作完全由地面處于遙測操控狀態(tài)的操縱員來控制。它們最主要的優(yōu)點(diǎn)就是機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，而這正是穿著笨重航天服在開闊的宇宙工作的航天員所欠缺的。1

目前，航空航天領(lǐng)域制造仍是勞動(dòng)密集型，且它對(duì)產(chǎn)品的工藝和精度要求也較嚴(yán)格，生產(chǎn)能力也不足。為此，航空航天領(lǐng)域制造企業(yè)通過工業(yè)機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，企業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)和裝備先進(jìn)制造能力提升具有重要意義。2

航空航天機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)航空航天機(jī)器人沒有腳，但它的軀干、手和頭卻像人類。手是仿照人類制成5個(gè)手指，戴有專用手套，但其運(yùn)動(dòng)幅度卻比航天員大。在研制航空航天機(jī)器人時(shí)考慮到了航天員在國際空間站外表面的標(biāo)準(zhǔn)線路和允許活動(dòng)范圍以及艙室結(jié)構(gòu)?？刂破骱蜋C(jī)械手是采用機(jī)械工藝制造的。在機(jī)械手的每個(gè)環(huán)節(jié)都裝有電子元件，以便減少噪音和干擾。與其它的機(jī)器人系統(tǒng)有區(qū)別的是航空航天機(jī)器人有數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)：所有返回信息都通向中心神經(jīng)系統(tǒng)，并在那里進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。航天機(jī)器人的對(duì)稱性類似生物的兩面性(左，右)，如一對(duì)傳感器、一對(duì)受力元件及運(yùn)動(dòng)學(xué)余度。這就使得航空航天機(jī)器人具有訓(xùn)練的可能性，也可以在機(jī)械狀態(tài)、電狀態(tài)和程序上進(jìn)行優(yōu)化。1

傳感器和遙測操縱控制航空航天機(jī)器人的殼體里安裝了大量不同的傳感器：熱傳感器、聲傳感器、觸覺傳感器、應(yīng)力傳感器，以及測量返回瞬間的儀器，如在機(jī)械手里就安裝了150多個(gè)傳感器。機(jī)器人控制系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)微處理器和電源控制器，實(shí)施觀察的操縱員對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。1

構(gòu)架航空航天機(jī)器人的“骨架”是由高強(qiáng)度的鋁合金連接而成。由于前臂和手掌幾何形狀的復(fù)雜性，先把它們做成形而后按指定誤差進(jìn)行機(jī)械加工。由于硬度限制，手部和手指要用不銹鋼制成。航空航天機(jī)器人身體內(nèi)部安有中心處理器、大的配電板，以及功率交換器、導(dǎo)線和接頭。這些易碎的元件用硬的黑色護(hù)胸和碳纖維做成的網(wǎng)兜防護(hù)。1

殼體航空航天機(jī)器人的高強(qiáng)度鍍金骨架上面用白色織物做成的航天服進(jìn)行密封。該織物能減弱碰撞，也避免其它物質(zhì)落入活動(dòng)關(guān)節(jié)中。所有線路都布置在里面，以免弄亂。航空航天機(jī)器人外面的衣服像艙外活動(dòng)的航天員穿的航天服一樣，并且同樣是柔韌的高強(qiáng)度耐火織物。1

手部航空航天機(jī)器人的手具有和所有工具一起工作的能力，并能到達(dá)指定點(diǎn)，如圖。其俯仰彎轉(zhuǎn)角度超過了帶密封手套的人手。手臂和手指的尺寸與人類相符，在遙控人員的控制下具有準(zhǔn)確的模仿力。所有各組成部分都穩(wěn)定地處于臨界溫度。

工作的每只手都有14個(gè)自由度。前臂直徑為10cm，長接近20cm，里面分布有14個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、電導(dǎo)線、12個(gè)獨(dú)立的安裝圖、2個(gè)自由度的肘部和5個(gè)手指的手(12個(gè)自由度)。手分為兩組功能：手掌彎曲、無名指和小手指1組，而剩下的3個(gè)手指——食指、中指和大母指，每個(gè)手指有3個(gè)自由度，但有不同的操作。1

在航空制造業(yè)的工作在航空航天領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人的廣泛使用，主要是用于機(jī)械加工制造，通過它可以完成航空航天產(chǎn)品的焊接、噴涂、熱處理、裝配等作業(yè)。由于航空航天產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、性能指標(biāo)精度高、環(huán)境潔凈度高、載荷重等特點(diǎn)，因此，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、性能、動(dòng)作流程和可靠性等都提出了更高的要求。

噴涂噴涂是一種用專用設(shè)備把某種固體材料熔化并加速噴射到機(jī)件表面上形成一特制薄膜層，以提高幾件耐蝕、耐磨、耐高溫等性能的表面技術(shù)。飛機(jī)表面的涂層質(zhì)量對(duì)飛機(jī)至關(guān)重要，主要是體現(xiàn)在涂層厚度、表面粗糙度、厚度公差、氣孔率對(duì)于人工噴涂較困難。而采用機(jī)器人技術(shù)則可以較好解決這些問題。機(jī)器人噴涂可以解決涂覆的一致性，用同一設(shè)備即可完成整個(gè)工件，避免了人工多個(gè)區(qū)域操作的差別，另外它可以有效地消除了涂覆后的再打磨和涂層中的氣孔，涂層表面公差更均勻，減少了材料的浪費(fèi)，降低了處理廢料的成本，保護(hù)了操作者免受噴涂材料粉塵的污染。

焊接焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且用或不用填充材料，使連接件達(dá)到原子結(jié)合的加工方法。焊接機(jī)器人是從事焊接的工業(yè)機(jī)器人，它是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。在航空航天制造領(lǐng)域，焊接應(yīng)用越來越多，它用于鋁合金及其航空航天材料的點(diǎn)焊、弧焊、激光焊和攪拌摩擦焊。工業(yè)機(jī)器人焊接可以很大幅度提高焊接過程中的速度和質(zhì)量，同時(shí)能降低焊接成本和復(fù)雜曲面焊接難度，實(shí)現(xiàn)焊接過程自動(dòng)化。機(jī)器人焊接在于離線編程和虛擬仿真技術(shù)，它可以優(yōu)化焊接路徑提高效率。2

熱處理熱處理是通過加熱、保溫、冷卻來改變金屬及其合金表面或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以達(dá)到控制性能的工藝方法。由于航空航天領(lǐng)域材料具有高度的性能，往往要具有耐高溫、輕質(zhì)量、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，所以原始加工的材料必須經(jīng)過熱處理提高其性能。工業(yè)機(jī)器人熱處理可以實(shí)現(xiàn)熱處理生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，保證熱處理工藝產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。在熱處理中的應(yīng)用，促使熱處理工業(yè)機(jī)器人設(shè)備向高效、低成本、柔性化和智能化的方向發(fā)展。此外，熱處理工業(yè)機(jī)器人可以有效地改善工人的勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率。2

裝配裝配是將生產(chǎn)的零部件按照規(guī)定的圖紙技術(shù)組裝起來，經(jīng)過調(diào)試、檢驗(yàn)使之成為最終使用產(chǎn)品的過程。航空航天的裝配包括部裝和總裝兩個(gè)環(huán)節(jié)，部裝主要完成艙體口蓋的修配、托板螺母及支架鉚接、鉆孔等，總裝主要完成成件的安裝以及總裝測試。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用，可以提高航天裝備裝配效率，縮短航天裝備生產(chǎn)周期，保證裝備配質(zhì)量一致性，對(duì)多機(jī)器人協(xié)作、機(jī)器人手眼視覺、機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航等，為航天裝備柔性化只能生產(chǎn)車間建設(shè)打下了技術(shù)基礎(chǔ)。2

技術(shù)要求就精度而言，機(jī)器人技術(shù)在傳統(tǒng)上一直依賴系統(tǒng)的重復(fù)性水平。在過去，機(jī)器人的精度一直沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝可接受的成熟水平。在航空航天制造領(lǐng)域，諸如緊固和鉆孔等關(guān)鍵加工技術(shù)長期以來沒有嚴(yán)格的公差控制。然而，隨著機(jī)器人在這一領(lǐng)域的運(yùn)用，客戶對(duì)高精度加工的需求不斷增長。

高精度在制造過程中，擁有更高精度和高重復(fù)性的機(jī)器人可確保制造出更為精密的零件，即使對(duì)制造過程有所調(diào)整，也能夠獲得可預(yù)測的結(jié)果。高精度機(jī)器人正在成為航空航天制造領(lǐng)域的新寵，它們的身影出現(xiàn)在多種工藝流程中，例如鉆孔、緊固、去毛刺和修整，以及無損檢測、噴涂和合材料疊層處理等。提高制造過程中的機(jī)器人精度可確保零件更換過程更為順暢，不會(huì)中斷生產(chǎn)過程，還可以提高精度，因此可獲得更高的成本效益。3

高重復(fù)性可重復(fù)的機(jī)器人加工路徑和工具運(yùn)用方式意味著可節(jié)約關(guān)鍵材料的成本。另外一個(gè)好處是，機(jī)器人加工過程的固有重復(fù)性有助于提高可預(yù)測性和工藝參數(shù)的控制水平，這有利于更輕松識(shí)別和優(yōu)化影響工件質(zhì)量的工藝參數(shù)。此外，機(jī)器人能夠以極高的速度執(zhí)行復(fù)雜或重復(fù)的加工過程。

近年來，近年來，制造商往往要求針對(duì)那些需頻繁維護(hù)和更換的高磨損零件實(shí)現(xiàn)無縫替換；如果加工或裝配的替換零件完全合乎所需精度等規(guī)格，就能免除進(jìn)一步的修整、去毛刺或其他調(diào)整。降低緊固件公差不僅可提高裝配精度，也有利于減小緊固件的體積和重量，從而降低整體結(jié)構(gòu)的重量。精確加工或裝配的零件將不再需要進(jìn)行這些不必要的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)可預(yù)測的、及時(shí)的零件更換計(jì)劃，降低成本并縮短停機(jī)時(shí)間，同時(shí)也不會(huì)中斷生產(chǎn)過程。3

發(fā)展趨勢當(dāng)前，航空航天領(lǐng)域產(chǎn)品制造仍然處在一個(gè)勞動(dòng)密集、工序繁復(fù)、環(huán)境惡劣等階段。生產(chǎn)的產(chǎn)品精度和生產(chǎn)能力的不足，極大阻礙著航空航天制造領(lǐng)域的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人因其生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的一致性好、可靠性高和適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用汽車、機(jī)械加工行業(yè)、物流、航空航天制造領(lǐng)域等多個(gè)行業(yè)，并且日趨成熟。它不僅有效的提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約了人工勞動(dòng)力以及生產(chǎn)制造的成本，而是更加增強(qiáng)了航空航天領(lǐng)域企業(yè)的生產(chǎn)柔性和競爭力。由于航空航天領(lǐng)域科技的飛速發(fā)展，帶來了航空航天制造企業(yè)的不斷增多，進(jìn)而應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的情況越來越多，技術(shù)發(fā)展也越來越高。

我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及產(chǎn)品不斷在航空部件裝配、航天產(chǎn)品生產(chǎn)線以及衛(wèi)星系列產(chǎn)品生產(chǎn)研制中逐漸得到了廣泛應(yīng)用和推廣，但是與國外技術(shù)發(fā)展相比仍存在著較大的差距，尤其是美國、德國、加拿大、日本等國家已在航空制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)方面投入巨大經(jīng)費(fèi)，獲得了良好效果。目前，航空航天領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人正朝著多樣化方向發(fā)展，移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人、多臂協(xié)同工業(yè)機(jī)器人、末端伺服工業(yè)機(jī)器人、靈巧關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人等將是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的主要產(chǎn)品。同時(shí)對(duì)于一些新型材料、高精加工、復(fù)雜裝配等方面的生產(chǎn)，需要不斷對(duì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)提出要求和改進(jìn)，需要航空航天制造企業(yè)和工業(yè)機(jī)器人研發(fā)機(jī)構(gòu)等根據(jù)生產(chǎn)要求開展技術(shù)研究和突破，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在航空航天制造領(lǐng)域不斷應(yīng)用與創(chuàng)新。2