韓鋮熹

在不斷推進(jìn)的流水線上，頗具科幻感的機(jī)械臂，于電光火石之間裝配好一個(gè)又一個(gè)產(chǎn)品……這是新聞中常出現(xiàn)的場(chǎng)景。從20世紀(jì)60年代開始，隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣、應(yīng)用程度愈來(lái)愈深。汽車制造就是最典型的一個(gè)例子，從毛坯制造到機(jī)械加工，從焊接到打磨，從表面熱處理到噴漆，工業(yè)機(jī)器人幾乎參與了每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

與汽車工業(yè)相比，航空工業(yè)顯得有些神秘，但作為集眾多先進(jìn)技術(shù)于一身的高端復(fù)雜制造業(yè)，航空工業(yè)一樣少不了各種先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人。與一般的制造業(yè)不同的是，航空產(chǎn)品具有尺寸大、載荷重、材料特殊、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能指標(biāo)精度高等特點(diǎn)。因此，航空工業(yè)使用的機(jī)器人，其形態(tài)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)使用的機(jī)器人有所不同，工作能力也獨(dú)具特色。

又快又好的打孔機(jī)

在飛機(jī)裝配中，鉆鉚是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。傳統(tǒng)的手工制孔面臨著時(shí)間長(zhǎng)、精度低、質(zhì)量控制難等問(wèn)題，所以很早就有公司嘗試使用自動(dòng)化技術(shù)。但是，一般的工業(yè)機(jī)器人制孔精度達(dá)不到飛機(jī)制造的要求。

經(jīng)過(guò)多年探索，波音、空客等飛機(jī)制造商已經(jīng)開發(fā)出性能優(yōu)異的制孔機(jī)器人。如今，飛機(jī)生產(chǎn)線上的制孔機(jī)器人已經(jīng)將單個(gè)鉆鉚時(shí)間從原來(lái)的每釘15秒變?yōu)槊酷?秒，再算上銜接時(shí)間，制孔效率可以達(dá)到人工的6～10倍。同時(shí)，鉆鉚的位置控制也更加精準(zhǔn)，如美國(guó)EI公司在其自主研發(fā)的機(jī)器人自動(dòng)鉆鉚設(shè)備中使用了精度補(bǔ)償技術(shù)，使定位精度達(dá)到±0.25毫米。

為了進(jìn)一步提高效率，人們還改變思路，不再一味追求單個(gè)機(jī)械臂的能力全面，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)了環(huán)繞機(jī)身的導(dǎo)軌系統(tǒng)，讓“打孔機(jī)”在導(dǎo)軌上做圓周運(yùn)動(dòng)。這種技術(shù)最早由空客研發(fā)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域。該系統(tǒng)一般由柔性導(dǎo)軌、末端執(zhí)行器、檢測(cè)及標(biāo)定系統(tǒng)組成，其工作原理是——將柔性導(dǎo)軌吸附在筒形機(jī)身上，導(dǎo)軌上裝有鉆鉚機(jī)器人，機(jī)器人在導(dǎo)軌上爬行并自動(dòng)鉆孔。

一條生產(chǎn)線上可以分段配置多個(gè)導(dǎo)軌，每根導(dǎo)軌上安裝若干個(gè)鉆鉚機(jī)器人，使整個(gè)鉆鉚工作得以有條不紊地進(jìn)行。利用環(huán)形導(dǎo)軌不僅能有效減少鉆鉚機(jī)的數(shù)量，避免刀具過(guò)熱，延長(zhǎng)刀具壽命，還可以消除復(fù)合材料鉆孔中的分層以及金屬鉆孔中的毛刺，獲得更高的表面光潔度，減少材料中的碎屑損傷。未來(lái)，環(huán)形導(dǎo)軌將可能沿著機(jī)身軸線前后移動(dòng)，這樣每個(gè)鉆鉚機(jī)器人都可以對(duì)機(jī)身任何一個(gè)角落打孔。

天衣無(wú)縫的對(duì)接

飛機(jī)部段上好鉚釘之后，接下來(lái)就要進(jìn)行焊接和膠接的工作了，在這兩種加工方式中，機(jī)器人技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。目前，點(diǎn)焊、弧焊、激光焊等常見的焊接工藝都使用機(jī)器人。比如，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的焊接就可以利用機(jī)器人完成操作。

航空制造業(yè)中有大量的涂膠和注膠工作。采用機(jī)器人進(jìn)行涂膠和點(diǎn)膠，可以顯著提高效率，大幅降低成本。為了確保飛機(jī)各部件無(wú)縫對(duì)接，通過(guò)精加工把零部件邊緣修整平滑是非常重要的。過(guò)去，飛機(jī)壁板修邊是采用手工或笨重的切邊機(jī)進(jìn)行的，現(xiàn)在這道工序已經(jīng)用上了機(jī)器人，能更高效、更便捷、更精準(zhǔn)地完成零組件的切邊。此外，火焰切割、等離子切割和激光切割等技術(shù)也都實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人化。

切割之后的去毛刺、磨削、拋光等工作，過(guò)去主要采用手工方式，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，零部件重修率高?，F(xiàn)在利用機(jī)器人系統(tǒng)的計(jì)算能力，對(duì)零部件表面進(jìn)行建模仿真，不但快速、精確，而且可以識(shí)別人眼無(wú)法分辨的瑕疵。同時(shí)，系統(tǒng)還可以合理規(guī)劃精整工作程序，控制機(jī)器人在零部件表面進(jìn)行處理。機(jī)器人應(yīng)用力反饋系統(tǒng)，對(duì)工作時(shí)的力量輸出進(jìn)行調(diào)整，防止對(duì)零部件造成損傷。

不知疲倦的搬運(yùn)工

飛機(jī)是由上百萬(wàn)個(gè)零部件組成的大家伙，在總裝過(guò)程中，零部件的搬運(yùn)往往是個(gè)大問(wèn)題。如今，無(wú)論是小鉚釘?shù)拈L(zhǎng)距離運(yùn)輸，還是大部段的精確移動(dòng)，機(jī)器人都在其中大顯身手。

機(jī)器人輔助移動(dòng)平臺(tái)可以極大地提高飛機(jī)部件的運(yùn)輸和裝配效率。目前，這類平臺(tái)主要有兩種：一種是利用AGV（自動(dòng)導(dǎo)引小車）實(shí)現(xiàn)大范圍搬運(yùn)。安裝了機(jī)器人手臂的AGV，在iGPS（室內(nèi)GPS）系統(tǒng)的導(dǎo)引下，可以快速到達(dá)指定位置，準(zhǔn)確抓取零部件并運(yùn)送到目標(biāo)位置。另一種是將高精度測(cè)量設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，在夾持工件上設(shè)置關(guān)鍵測(cè)量點(diǎn)，用高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、位姿等進(jìn)行監(jiān)控，機(jī)器人按預(yù)定的軌跡被裝配工件移動(dòng)到位。波音787的D-NOSE組件在鉆鉚機(jī)上就是采用機(jī)器人進(jìn)行搬運(yùn)的。

空客在裝配A380時(shí)，必須運(yùn)送長(zhǎng)15米、重90噸的飛機(jī)部件，高載荷、高精度的要求和有限的廠房空間對(duì)運(yùn)送任務(wù)提出了很高的挑戰(zhàn)。為此，空客使用了德國(guó)KUKA公司制造的兩輛高性能移動(dòng)式omniMove重載型運(yùn)輸車。這種特殊車輛具有專門設(shè)計(jì)的全向輪，每個(gè)輪子都能獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，因此可以從停止?fàn)顟B(tài)朝任意方向平移或轉(zhuǎn)向，具有很高的機(jī)動(dòng)性。

另一方面，精確的控制系統(tǒng)保證了每一次移動(dòng)和轉(zhuǎn)向都能實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度，有效消除了有限空間內(nèi)的碰撞隱患。毫不夸張地說(shuō)，omniMove為A380這種世界上最大的商用飛機(jī)出廠立下了汗馬功勞。

飛機(jī)維修的好幫手

波音777這樣的大型寬體客機(jī)，其垂直尾翼離地高度達(dá)到18.5米，超過(guò)6層樓，即使是機(jī)身離地高度也有3層樓，使得飛機(jī)的日常檢查和維修具有較高的難度。如果采用人工方式對(duì)波音777進(jìn)行檢查，需要使用升降梯將工作人員抬升，有一定的危險(xiǎn)性。為此，新西蘭航空公司采用一種爬墻式攝影機(jī)器人進(jìn)行機(jī)體檢查。這種由Invert Robotics公司設(shè)計(jì)的機(jī)器人，最初用于檢查大型牛奶罐。

這種機(jī)器人使用獨(dú)特的履帶附著技術(shù)，可以行走在不銹鋼、鋁、復(fù)合材料等光滑的材料表面，對(duì)機(jī)體的各個(gè)角落進(jìn)行巡視。同時(shí)，機(jī)器人搭載的高清攝像頭可以分辨很多肉眼容易忽視的雷擊點(diǎn)和裂紋等損傷，工作人員只需在地面屏幕上查看由機(jī)器人傳回的高分辨率圖像即可。此前，一些航空公司曾考慮用無(wú)人機(jī)進(jìn)行機(jī)體檢查，但鑒于覆蓋范圍和辨識(shí)精度等方面的原因，最后證明爬行機(jī)器人更適用于無(wú)損檢測(cè)。

與飛機(jī)外部不同，飛機(jī)機(jī)身內(nèi)部有很多不易接近的地方，比如機(jī)頭部位的電子電氣艙（EE艙），由于空間狹窄，人工維護(hù)非常不便，這時(shí)候一種帶吸盤的機(jī)器人就成了很好的幫手，它可以輕松地爬行到目標(biāo)區(qū)域，而且不受諸如高溫、缺氧等惡劣環(huán)境的影響。機(jī)器人到達(dá)指定區(qū)域后，將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳回后方控制室，由工作人員進(jìn)行核查。

在后勤保障方面，機(jī)器人也在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。德國(guó)漢莎技術(shù)公司是一家大型飛機(jī)維修企業(yè)，從2011年起陸續(xù)投入300萬(wàn)歐元研發(fā)了一款機(jī)器人，用于自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)和檢索系統(tǒng)，并將其命名為Auto Store。Auto Store采用緊湊倉(cāng)儲(chǔ)的概念，搭建立體框架結(jié)構(gòu)，將飛機(jī)備件放在最優(yōu)位置，由自動(dòng)機(jī)器人根據(jù)計(jì)劃按需抓取，極大地提高了倉(cāng)儲(chǔ)密度和周轉(zhuǎn)效率。

目前，在漢莎技術(shù)位于德國(guó)漢堡的維修廠房中，已有19臺(tái)機(jī)器人“奔跑”在鋁制格架上，不知疲倦地執(zhí)行小部件倉(cāng)儲(chǔ)和接收工作。利用Auto Store系統(tǒng)，漢堡倉(cāng)庫(kù)節(jié)省了50%的空間，24 000個(gè)格架僅占地700平方米，可以存放215 000個(gè)部件。