本文摘要：摘要：机器人型装备具有自动化程度高、运动灵活性好、定位精度高以及生产布置柔性等诸多优势，在航空产品装配工艺环节具有广泛应用。从大型部件自动化对接、机器人装配理论、人机协作互动装配、柔性自适应工装夹具、人工智能辅助装配以及自动引导车等方面，综述了机器
摘要：机器人型装备具有自动化程度高、运动灵活性好、定位精度高以及生产布置柔性等诸多优势，在航空产品装配工艺环节具有广泛应用。从大型部件自动化对接、机器人装配理论、人机协作互动装配、柔性自适应工装夹具、人工智能辅助装配以及自动引导车等方面，综述了机器人型装备在航空产品自动化装配环节的应用现状。在此基础上，详细分析了机构构型在对接装配类装备中的演进历程与发展趋势，并从应用场景、技术成熟度以及装备性能等方面系统地比较了国内外航空工业在自动化装配领域的技术差距。最后，概括总结了航空装配中机器人型装备的技术挑战、发展趋势以及与工业4.0、智能制造等新兴技术相融合的发展机遇。
关键词：航空工业;装配自动化;机器人型装备;人机协作;人工智能
航空工业的发展水平是衡量一个国家科学技术、工业发展和综合国力的重要标志。航空产品装配具有结构形式复杂，组成零件种类多、数量大以及作业任务繁复等特点，以大型客机为例，其部件装配工作量占整个产品制造周期0%以上1]。
因此，装配技术的先进性很大程度上决定了航空产品的制造成本、生产周期和最终质量，是一个国家航空工业发展水平的核心指标。由于零件形状复杂、大小各异，装配作业任务需求迥异且工作空间狭小(特别是机身内部封闭环境)，难以采用通用工装设备对不同类型零件实现高效自动化装配。因此，航空产品零部件装配目前仍以工人手动作业为主，导致装配精度低、生产效率慢以及质量一致性差等诸多问题，成为制约航空工业发展的重要技术瓶颈。
航空论文范例： 枢纽航空公司机队与航线网络的联合规划方法
机器人型装备具有自动化程度高、运动灵活性好、定位精度高以及生产布置柔性可重构等诸多优点，而且可以与大行程龙门行车、移动GVutomatedGuidedVehicle作业平台等相互配合，实现大范围、高精度、高柔性和自适应装配作业。因此，机器人型装备成为提高航空工业零部件装配自动化水平和柔性化程度的重要途径，也是当前国际机器人机构学领域的研究热点。
本文从大部件自动化对接、人机协作装配与人工智能辅助作业等方面，综述了机器人型装备应用于航空装配的研究现状，分析了装备构型的演进历程，发展趋势和国内外航空工业在零部件自动化装配领域的技术差距，系统概括了机器人型装备开发和研制的技术挑战，以及与工业4.0、智能制造等新兴技术相融合的发展机遇。
1大部件自动对接装备
1.1国外研究和应用现状
20世纪80年代开始，为了提高大型客机的生产效率，国外航空工业大力发展飞机机身、机翼等大型部件的自动化对接装配技术。发展至今，在波音公司和空中客车公司等国外主流航空制造企业中，基于柔性调姿装备的大型部件自动化对接装配技术已完全取代传统的利用专用刚性工装进行定位的对接方式，集成了高精度激光测量、自动化调姿匹配和柔性化伺服定位等先进技术，大部件自动对接技术大大提高了航空产品制造的对接精度和装配效率。
自动化对接技术发展初期，以空中客车公司和波音公司为代表的国外先进航空制造企业着力推动了数字化装配技术，发展了一套由激光测量单元、伺服定位机构、最优匹配算法以及自动控制软件等组成的大部件自动对接装配系统，并成功应用于大型客机的机身、机翼等大型部段的对接装配。20世纪80年代末，美国先进集成技术公司(AdvancedIntegrationTechnology，AIT)研制了一套用于飞机大部段装配的自动对接平台，其定位机构为由机械传动装置和控制系统组成的一套自动化千斤顶。
其中，每台定位器可实现沿X、Y、Z三个方向的精确伺服运动，同时通过多台定位器之间的协调运动，即可按预定规划方式实现飞机大部段的整体调姿定位。此套自动化对接装配系统已被波音公司所采纳，并成功应用于787机型的总段对接装配中[2]。此后，波音公司将数字化大部件自动对接技术作为其降低飞机制造成本、提高装配质量和生产效率的主要战略措施。
利用此项技术对波音737800等一系列机型的装配流程进行了大幅度改进，并利用室内iGPS、激光跟踪仪等大场景、高精度数字化测量技术辅助完成了飞机部件直接对接，实现了大型客机机身、机翼全数字化对接装配的验证。 同时，欧洲空中客车公司在大型客机自动化对接装配技术研究方面紧随其后[6-9]。空中客车公司首先在其A340机型上采用柔性自动化对接平台取代了大型专用对接工装，此套柔性对接系统能够适应不同尺寸的机身、机翼结构，体现了定位工装的通用性，从而大幅减少了用于飞机大部段对接装配的工装类型和数目，也缩减了工装准备时间。
上述大型客机的大部段自动化对接系统采用多个定位器共同支撑的整体托架形式，此类托架结构往往采用具备保形功能的刚性固定托架与机体相连，从而增加了定位器与飞机部件之间的接触面积，减小了对接部位的接触压强，避免大部件由于集中受力而导致的结构变形。因此，此类托架式对接系统特别适用于结构尺寸大、部件质量重的大型宽体客机的大部段自动化对接装配。然而，由于采用整体式托架与机体相连，此类自动对接系统存在占地面积大，结构形式复杂，且通用性较差等问题。
针对上述不足，德国道尼尔公司在其小型支线客机728机型的翼身装配中，采用了分布式定位工装，采用多个定位器分布放置、独立相连的方式实现了机身、机翼等部段的柔性调姿定位。分布式定位器采用向上支撑的柱式结构，每台定位器可实现三个方向上精确伺服运动，通过多台定位器之间协调运动可实现大部件姿态的精确调整。
此类分布式自动对接工装直接与机体相连，具有结构简单紧凑、占地面积小以及布置灵活等诸多优势。然而，每个定位器独立支撑机体部件也导致接触面积小，在对接装配过程中往往需要考虑定位器对部件的作用力，以免造成部件的接触变形与损伤。因此，此类分布式系统往往适用于中小型客机型号的机身、机翼部件的柔性自动化对接装配。
随着数字化对接技术在航空工业成熟应用，大部件自动对接装备与系统在航天领域也逐渐得到应用。美国太空探索公司(SpaceX)采用托架式调姿架车辅助猎鹰运载火箭燃料贮箱的自动化对接装配[1。展示了猎鹰号运载火箭的筒段对接装配现场，各子级均置于托架式调姿架车上，由多台激光跟踪仪测量各个部段相对位姿，利用调姿架车的全向位姿调节功能，实现筒段姿态的伺服闭环控制和精确调整，并通过测量匹配调姿的过程反复迭代，直至对接精度符合装配工艺要求。采用上述柔性自动化对接系统极大地提高了运载火箭的装配效率和各子级之间的对接精度，也为可回收利用火箭的高效检修与重复装配提供了装备支撑。
1.2国内研究和应用现状
中国航空工业对于大部件自动对接技术研究起步较晚，由于前期技术基础较为薄弱以及投入资金不足，导致在大部件自动化对接技术方面与国外先进企业相比仍然存在较大差距。很长一段时间内，飞机装配仍然以传统专用刚性工装为主，且缺乏精密测量设备，调姿匹配主要依赖工人经验，从而导致装配精度低，调姿周期长，严重影响了装配质量和效率，导致航空产品制造质量不稳定、一致性差等诸多问题。
近年来，中国航空工业相关企业在引进、消化和吸收国外先进技术的基础上，通过与国内知名高校和科研院所深入合作，在航空大部件自动对接装配领域取得了长足进步，研制了适用于不同应用场景的自动化调姿装备和对接控制系统。浙江大学郭志敏团队[18-20]深入研究了基于三坐标POGO柱的航空部件对接调姿技术与系统。单台POGO柱具备三个方向上的精密伺服运动，通过多个POGO柱之间的协调运动与同步控制，可实现航空大部件位置和姿态的精密调整，同时配合激光跟踪仪对部段靶标进行实时测量和运动反馈控制，实现了航空大部段的自动化对接装配。
此套自动对接装备与控制系统已成功应用于中国多型军机的关键装配环节。与此同时，沈阳飞机工业集团、西安飞机工业集团等中国重点航空企业在与高校和科研院所的通力合作下，也已建成或正在建设航空大部件柔性自动化对接系统[21]，显著提升了中国航空工业的装备自动化水平。
沈阳飞机工业集团与北京航空航天大学合作，设计了飞机机身部段的柔性自动化装配工装，并建立了基于激光跟踪仪测量反馈的数字化定位技术，实现了机身部件的数字化柔性装配。在此基础上，沈阳飞机工业集团与大连四达公司联合研制了相应的航空大部件柔性自动对接装配平台系统。
该系统也采用三坐标POGO柱实现飞机部段的调姿定位，整个装配工位分为头段、中段、尾段三部分，平行布置于航向导轨上，可实现沿方向的大范围移动与、方向的小范围调整。通过调节导轨间距和托架形式，可适应不同机型的装配要求。通过结合iGPS定位系统和激光跟踪仪，该对接平台可实现飞机部件的六自由度精确调姿，与传统刚性工装相比，装配效率提高50%以上。
上海交通大学在传统塔式定位器的基础上，借助并联机构结构刚度大、定位精度高以及运动控制简单等优势，开发了新型六自由度并联构型的自动对接平台。在此基础上，开发了高效并联机构运动精度标定方法，研制了集测量标定匹配调姿于一体的自动对接系统，实现了航空大部件的六自由度高效、精确定位，拓展了大部件自动化对接装备开发的新思路。此外，上海交通大学与天津长征火箭制造公司合作，在航空大部件自动化对接技术基础上，联合研制了大型运载火箭贮箱部段的自动化对接装备与成套控制系统。
与飞机部件装配有所不同，该套系统采用具有冗余驱动能力的定位架车实现火箭部段的姿态调节，具备更好的载荷承载能力、运动灵活性和刚度、精度性能。通过主、被动架车的协调运动，可实现火箭部段空间六自由度位置和姿态的高精度调节。上述系统已成功应用于中国长征五号运载火箭的部段级自动化对接装配，大幅提升了中国运载火箭总装环节的对接精度和装配效率。
1.3小结
从国内外研究与应用现状来看，航空大部件对接装配技术已迈入自动化时代，逐渐形成了集“测量匹配调姿”于一体的自动化对接装备与成套控制系统。其中，整体托架式和分布支撑式工装分别适用于大型和中小型飞机的自动化对接装配技术。虽然在对接装配系统的成熟度和系列化方面国内航空工业与国外先进企业还存在一定的技术差距，特别是在测量设备、伺服控制系统等核心单元技术方面，但是在自动对接技术的应用程度和系统迭代改进速度等方面正在稳步发展，逐渐缩小与国外的差距。
2机器人装配理论
随着中国航空事业不断发展，对飞机的可靠性、耐用性的要求不断提高。航空零部件的制造质量对飞机的寿命和性具有重要影响。飞机装配是制造过程中的重要环节，具有精度要求高，工序复杂度高等特点。在现有航空零部件设计和零件加工情况下，精度高，可靠性强，一致性好的装配对飞机的性能质量有显著提升。以工业机器人为载体进行自动化装配是航空制造业的重要发展趋势。
3人机协作技术应用于航空装配
人机协作是指人与机器人在共享工作空间中协同作业，共同完成操作任务，从而达到减轻劳动强度，提高生产效率的目的。不同于传统操作人员单向控制机器人，人机协作过程中机器设备会反馈载荷、位置和力觉等相关信息，再根据操作人员的判断决策指导机器人操作，从而实现人与机器人的交互作业。人机协作技术充分发挥了机器人与操作人员各自优势，在保证作业精度和效率的前提下，可以进一步提升操作安全性，避免意外事故发生，因此在航空零部件装配作业中具有广泛的应用。
4人工智能辅助技术航空装配
4.1人工智能辅助装配技术简介
大型客机等航空产品在装配过程中各类零部件的装配位置和连接形式复杂多样，手工操作仍是其零部件装配的主要形式。然而，由于航空装配的工作环境紧凑和操作要求精密，手工装配往往受到各种限制。为了提高手工装配的效率，基于人工智能的辅助装配技术在航空装配中发挥了重要作用。智能辅助装配技术采用自动化、程序化硬件系统，借助虚拟增强现实、数字孪生等手段，以可视化方式协助完成复杂多样装配工艺。根据系统组成、操作方式和适用环境的不同，人工智能辅助装配技术大体上可分为以下两类：
1)现实环境下的辅助装配系统
在此类辅助装配系统中，装配过程在真实作业环境中进行，操作人员可以借助测量设备和智能系统的分析结果直接或者操作设备来完成零部件的人工装配。该类智能辅助系统需要借助激光、视觉等传感器来实时获取装配现场数据，利用图像识别等人工智能算法对装配信息进行分析判断，通过参考后台工艺规范数据库，对后续装配作业过程进行辅助决策，并利用终端面板、辅助投影以及AR眼镜等手段以图形化界面方式与操作人员进行交互，有效地提高了装配准确程度和作业效率。
2)虚拟场景中的辅助装配系统
与现实环境操作不同，此类辅助装配系统中，操作人员在虚拟增强混合现实场景中操作虚拟设备，与装配对象不直接交互。按照限制条件，虚拟场景辅助装配技术可进一步细分为基于操作约束和基于物理特性两类。基于操作约束的装配根据零件的最终安装位置和零件几何特征约束来确定最终装配位置和规划方向，适用于精确零件定位。而基于物理特性的虚拟装配则主要考虑现实世界的物理特性、摩擦力和接触力，适用于在干涉和碰撞等情况下进行轨迹的模拟仿真。
除了在作业过程中直接进行装配工艺指导，人工智能辅助装配系统通常还备有作业记录、质量评估以及工艺优化等功能，为后续的功能扩展和推广应用提供了巨大空间。随着人工智能技术的不断发展，智能辅助装配系统也被越来越广泛地应用在飞机等航空产品的装配过程中。
5航空装配领域装备机构构型发展趋势
5.1工业机器人
工业机器人由于其出色的定位精度、结构刚度和操作灵巧性，在航空部件自动化装配领域的应用最为广泛。目前国际工业机器人行业四大主流品牌，包括ABB，发那科、库卡和安川等都已经在航空装配领域得到实际应用。美国Electroimpact公司采用发那科机器人为波音公司研制了一套战斗机自动制孔系统，定位精度可达±.5mm64。
Premium公司在空客350机型碳纤维增强复合材料制造过程中，采用两台工业机器人协同作业完成18长桁的粘贴任务，周向公差满足±0.3mm的装配工艺要求。发那科公司采用iRVision视觉引导技术构建了一套高精度自动装配系统。通过测量数据修正降低了末端执行器的振动，提高了该套系统在不同场景下的适用性65。特别地，库卡大载荷工业机器人臂在大型零部件装备中得到了广泛应用。
6航空装配中的特殊工装夹具
在航空产品制造过程中，装配工艺环节工作量巨大，约占总体制造过程时间一半。航空大部件装配，如机身部段、发动机和机翼等，具有载荷重、体积大、种类多以及精度要求高等特点。因此，这些零部件的拼装对接需要使用特殊专用工装夹具来支撑和固定，以保证在不发生变形或损坏的前提下达到装配精度要求。传统工装夹具只针对单一产品，生产准备周期长、成本高，而且自动化程度较低，因此亟需针对地开发适用于航空装配的特殊专用工装。
6.1自适应柔性曲面夹具
自适应柔性曲面工装夹具这一概念是基于产品数字尺寸协调体系的模块化、可重组自动装配工装技术。其目的是免除设计和制造各种用于零部装配的专用固定夹具，可降低工装制造成本、缩短工装准备时间、减少生产占用空间，并且能够大幅度提高装配生产率。目前应用较为广泛的主要是多点阵吸盘柔性工装夹具。西班牙TORRES公司开发了用于飞机薄板蒙皮加工的柔性工装系统Torresmill[75]。
该工装系统采用多点阵列吸盘方式夹持和支撑壁板类零件，具有较好地生产柔性和定位精度，能够适应不同外形壁板曲面要求。类似地，美国NA公司研制了基于POGO单元曲面自适应柔性支撑工装，该工装能够夹持金属或者复合材料薄板零件，在薄板类零件的生产加工中，降低了工装夹具的成本和制造周期。
7AGV在航空装配领域的应用发展
自动导引运输车是一种按照预先设定路径或者根据任务命令实时进行自动行驶的搬运设备，具有运动灵活性好、工作效率高以及安全可靠等诸多优点。航空装配部件具有尺寸大、精度高、种类多和工序复杂等特点，而传统机器人需要安装于固定位置，难以满足飞机装配要求，因此GV正成为提高航空装配自动化水平的重要技术。
8结论
在航空装配中，自动化技术取代传统人工作业模式已成为趋势，因此机器人型装备在航空自动化装配中展现了巨大优势。从航空装配中的大部件自动对接技术、机器人装配理论、人机协作装配以及人工智能辅助装配等方面回顾了国内外发展现状。
虽然中国在航空自动化装配技术方面起步较晚，但近年来，随着国家战略层面重视和相关行业重点企业与科研院所等深入合作，在某些领域已实现了相关技术的完全自主可控，很多方面虽然仍存在差距，但正逐步缩小。并以自动对接机构、柔性自适应工装以及GV等关键技术为对象，探讨了机器人型装备于推动航空装配领域发展的重要作业以及广阔应用前景。因此，可以说在未来航空装配领域，机器人型装备自主创新是提高中国航空自动化装配的必经之路。
参考文献
[1]邹冀华,刘志存,范玉青.大型飞机部件数字化对接装配技术研究[J].计算机成制造系统,2007,13(7):1367-1373.ZOUJH,LIUZC,FANYQ.Large-sizeairplanepartsdigitalassemblytechnology[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2007,13(7):1367-1373(inChinese).
[2]黄翔,李泷杲,陈磊,等.民用飞机大部件数字化对接关键技术[J].航空制造技术,2010(3):54-56.HUANGX,LILG,CHENL,etal.Keytechnologiesofdigitalfinalassemblyforcivilaircraft[J].AeronauticalManufacturingTechnology,2010(3):54-56(inChinese).
[3]AUSTINW.Assemblyautomationtakesoffinaerospaceindustry[EB/OL].(2015-04-02)[2021-09-05].
[4]HARTMANNJ,MEEKERC,WELLERM.Determinateassemblyoftoolingallowsconcurrentdesignofairbuswingsandmajorassemblyfixtures[J].SAETechnicalPaper,2004(1):28-32.
[5]ZETUD,BANERJEEP,THOMPSOND.Extendedrangehybridtrackerandapplicationstomotionandcameratrackinginmanufacturingsystems[J].IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,2000,16(3):281-293.
[6]MULLERR,ESSERM,VETTEM.Reconfigurablehandlingsystemsasanenablerforlargecomponentsinmasscustomizedproduction[J].JournalofIntelligentManufacturing,2013,24(5):977-990.
[7]MCKEOWNC,WEBBP.Areactivereconfigurabletoolforaerospacestructures[J].AssemblyAutomation,2011,31(4):334-343.
作者：王皓1,2,*，陈根良1,2
转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jjlw/29078.html
