王立文，曾祥瑞，魯 鑫

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津300300）

1 引言

航空發(fā)動機(jī)葉片原位打磨技術(shù)是當(dāng)發(fā)動機(jī)處于裝機(jī)狀態(tài)時將安裝好打磨頭的桿伸入孔探孔內(nèi)對葉片進(jìn)行打磨［1］，葉片原位打磨能在內(nèi)窺鏡監(jiān)測下對葉片上的微小損傷或裂紋進(jìn)行打磨修復(fù)，使葉片原有超標(biāo)損傷恢復(fù)到可用狀態(tài)。

目前發(fā)動機(jī)葉片原位打磨主要依靠維修人員手動打磨。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)形成了比較成熟的技術(shù)及產(chǎn)品。機(jī)器人打磨具有通用性強(qiáng)、靈活性好、成本低等優(yōu)點，在葉片的打磨除垢中得到了的越來越多的應(yīng)用。但是由于機(jī)器人的剛性不足、重復(fù)定位精度較低，極大地影響了葉片原位打磨表面質(zhì)量和型面精度［2］。設(shè)計開發(fā)高效率、高柔性、高精度的葉片原位打磨機(jī)器人對于提高葉片打磨精度具有重要的意義。

打磨力控制和軌跡規(guī)劃是葉片原位打磨機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人的定位精度較低且剛性較大，無法滿足原位打磨作業(yè)需求，需要對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行力控制［3］。可以添加力控制模塊使機(jī)器人感知外界環(huán)境中力的變化，做出實時動態(tài)響應(yīng)以保證打磨過程的柔順性。在打磨過程中要選擇適合的方法對葉片打磨機(jī)器人的運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃［4］，使其保持平穩(wěn)無震動，還要保證打磨頭的運動軌跡符合葉片輪廓和精度要求。

針對上述問題，對發(fā)動機(jī)葉片原位打磨智能化設(shè)備和打磨機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，在此基礎(chǔ)上對發(fā)動機(jī)葉片原位打磨技術(shù)的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

2 葉片原位打磨智能化設(shè)備

現(xiàn)階段針對發(fā)動機(jī)葉片原位打磨主要依靠維修人員手持打磨設(shè)備進(jìn)行打磨，手持設(shè)備柔性不足、可達(dá)性差、檢測效率低下，今后發(fā)動機(jī)葉片原位打磨必須依靠小型化智能裝備。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)致力于葉片原位打磨手持設(shè)備和葉片打磨機(jī)器人的研究，為發(fā)展發(fā)動機(jī)葉片原位打磨技術(shù)提供了很好的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2.1 手持設(shè)備

德國Richard Wolf公司研制了一種手持式打磨設(shè)備，可通過發(fā)動機(jī)孔探檢測通道對發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行不拆卸的打磨修理［5］。葉片原位打磨修復(fù)儀基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。葉片原位打磨修復(fù)儀的軸穿過孔探孔，磨頭向前延伸并調(diào)節(jié)至垂直角度，可以完成對葉片的打磨。馬達(dá)驅(qū)動磨頭的轉(zhuǎn)速最高可達(dá)5000 RPM，整個打磨過程可通過高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)和內(nèi)窺鏡視頻系統(tǒng)觀察。

圖1 葉片原位打磨修復(fù)儀基本結(jié)構(gòu)Fig.1 The Basic Structure of Blade In?Situ Repair Instrument

文獻(xiàn)［6］設(shè)計了一款可以通過發(fā)動機(jī)孔探孔進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部的氣動打磨設(shè)備，可通過內(nèi)窺鏡觀察葉片的損傷情況并調(diào)節(jié)打磨頭的姿態(tài)對葉片的不同損傷部位進(jìn)行修磨。氣動打磨儀結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2所示。操作人員手持操作手柄，將操作桿通過發(fā)動機(jī)觀察孔深入發(fā)動機(jī)內(nèi)部，到達(dá)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片處，通過內(nèi)窺鏡觀察葉片損傷情況，打開氣路系統(tǒng)，由氣壓驅(qū)動打磨頭組件旋轉(zhuǎn)完成打磨。文獻(xiàn)［7］設(shè)計一種渦輪葉片原位打磨工具，可對葉片表面進(jìn)行原位打磨。渦輪葉片原位打磨工具結(jié)構(gòu)簡圖，如圖3所示。當(dāng)固定片與連接座之間呈一定角度時，限位針在彈簧的彈力下，可插入到與固定片底端相連塊體的限位孔中，便于打磨渦輪葉片。桿為長度可伸縮的桿件，固定片的彎曲半徑大于渦輪葉片，表面積大于渦輪葉片表面積，能覆蓋整個渦輪葉片表面。連接座與固定片鉸接，可旋轉(zhuǎn)不同角度以打磨整個葉片。

圖2 氣動打磨儀結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structural Sketch of Pneumatic Grinding Instrument

圖3 渦輪葉片原位打磨工具結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Structural Sketch of Turbine Blade In?Situ Grinding Tool

上述三種手持打磨設(shè)備各自的特點，如表1所示。手持打磨設(shè)備航空公司一直難以應(yīng)用，主要有以下三點原因：（1）使用困難、效率極低，以打磨一個10mm的壓氣機(jī)葉尖裂紋為例，修復(fù)成損傷容限可接受的（10×10）mm的光缺口，需兩名工程師配合、一人一直保持站立姿勢夾持工具，耗時8h才能完成，對工程師身心素質(zhì)提出了極大挑戰(zhàn)；（2）對缺口和卷邊的常規(guī)打磨，表面存在微細(xì)裂紋，加工質(zhì)量不高；（3）因發(fā)動機(jī)型號的不同，不同的航空公司所使用的打磨設(shè)備也不相同，例如韋林只能與德國Wolf打磨工具匹配使用。因此，需要找到一種效率更高、修復(fù)效果更好原位打磨修復(fù)方法。

表1 三種手持設(shè)備特點比較Tab.1 Comparison of Characteristics of Three Handheld Devices

2.2 葉片打磨機(jī)器人

航空發(fā)動機(jī)葉片原位自動打磨需要依靠小型化智能裝備。增加小型機(jī)器人的柔性與智能性可以提高引導(dǎo)管的可達(dá)性，減緩技術(shù)人員的勞動強(qiáng)度，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)原位打磨的效率、精度及準(zhǔn)確率。

文獻(xiàn)［8］利用硅彈性體、聚芳綸織物以及中空玻璃微粒研制了一種氣動機(jī)器人，利用機(jī)器人內(nèi)的壓縮空氣網(wǎng)提供動力，該方法需要發(fā)展新型材料，對控制系統(tǒng)要求較高。文獻(xiàn)［9］研究了一種由柔性關(guān)節(jié)連接的蛇型機(jī)器人，如圖4所示。該機(jī)器人采用多段式結(jié)構(gòu)，包括支撐結(jié)構(gòu)和彎曲運動的骨架，剛性接頭以及電纜。并在此基礎(chǔ)上提出一種可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)維修的雙樞軸柔性蛇形機(jī)器人，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中導(dǎo)航，執(zhí)行6個自度的動作。

圖4 諾丁漢大學(xué)蛇形機(jī)器人Fig.4 Snake Robot Developed by University of Nottingham

目前發(fā)動機(jī)葉片原位打磨儀器大多采用剛性直桿結(jié)構(gòu)，操作困難且效率低下。諾丁漢大學(xué)與羅?羅公司合作開發(fā)了一種五自由度的打磨裝置，增加了視頻感知和遠(yuǎn)程人機(jī)交互功能，簡化操作，提高了作業(yè)效率，可實現(xiàn)對損傷葉片的3D磨削加工［10］。漢莎技術(shù)公司與弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所合作，開發(fā)了用于銑削和焊接的機(jī)器人［11］，如圖5所示，用于修理燃燒室部件、機(jī)匣和風(fēng)扇葉片［11］。但上述兩種機(jī)器人仍采用剛性直桿結(jié)構(gòu)和常規(guī)磨削方法，僅具有視覺感知能力，可達(dá)性和加工能力與Wolf公司的手工打磨設(shè)備沒有明顯進(jìn)步。

圖5 漢莎公司自動檢測和修理機(jī)器人Fig.5 Automatic Detect and Repair Robot Developed by Lufthansa

英國OC機(jī)器人公司現(xiàn)（已被GE航空收購）研發(fā)的蛇形臂機(jī)器人［11］，如圖6 所示。該蛇形臂機(jī)器人的機(jī)械臂長度可以超過3m，累計彎曲可以達(dá)到180°以上［11］。這種機(jī)器人在配備合適的工具后，可以孔探孔內(nèi)可開展檢查、緊固、清洗及其他一些作業(yè)任務(wù)。蛇形臂機(jī)器人主要用于受限的和難以到達(dá)的區(qū)域，可以根據(jù)要完成的任務(wù)進(jìn)行定制。

圖6 蛇形臂機(jī)器人進(jìn)行激光切割Fig.6 Snake Arm Robot with Laser Cutting

美國GE公司與英國RR公司提出了利用蛇形柔性機(jī)器人結(jié)合人工智能快速檢測葉片故障［12?13］和通過釋放Swarm完成發(fā)動機(jī)局部檢測［12?13］，如圖7所示。小型化機(jī)器人技術(shù)結(jié)合人工智能方法為維修設(shè)備的小型化和智能化奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖7 RR公司研制的蛇形柔性機(jī)器人Fig.7 Snakelike Flexible Robot Developed by Rolls?Royce Ltd

上述機(jī)構(gòu)研發(fā)的小型機(jī)器人各自的特點，如表2所示。綜上所述，小型機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快，但能真正用于發(fā)動機(jī)原位打磨并接近實用化的只有RR，但它功能單一、修復(fù)能力較弱。對于葉片原位打磨設(shè)備，目前還缺乏一種智能化、多功能、實用化的裝備。隨著小型機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，急需設(shè)計出一種功能多樣、修復(fù)能力強(qiáng)，可用于自主探傷、除垢和葉片修復(fù)的小型智能一體化裝備。

表2 小型機(jī)器人特點比較Tab.2 Comparison of Characteristics of Small Robots

3 葉片原位打磨關(guān)鍵技術(shù)

打磨力控制和軌跡規(guī)劃是葉片原位打磨機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器人進(jìn)行打磨除垢時需要添加恒力控制模塊以保證打磨過程的柔順型，打磨機(jī)器人要選擇適合的方法對其運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，以保證運動的平穩(wěn)性。

3.1 打磨力控制

葉片原位打磨機(jī)器人在進(jìn)行打磨作業(yè)時，必須保持打磨力的實時可控［14］。恒力控制技術(shù)有主動柔順控制、被動柔順控制、阻抗控制和導(dǎo)納控制等研究策略。

主動柔順控制是指利用機(jī)器人控制器結(jié)合力控算法實現(xiàn)力的控制。機(jī)器人主動控制方式有力/位混合控制以及阻抗控制等方式，但這兩種方式難以應(yīng)用到市場上的位置控制型機(jī)器人，并且存在力順應(yīng)控制帶寬小以及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題。文獻(xiàn)［15］在控制策略中添加了位控和力控回路，形成了可靠的閉環(huán)控制并實現(xiàn)了環(huán)境交互。文獻(xiàn)［16］提出了一種基于機(jī)器人末端執(zhí)行器的主動柔順控制方式，如圖8所示。該控制方法采用智能算法實現(xiàn)工件打磨位移和力的精確控制，可適應(yīng)不同打磨工具的安裝及不同工件的打磨。

圖8 主動柔順裝置Fig.8 Active Compliance Device

被動柔順控制是利用緩沖、儲能的輔助柔性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)與外界環(huán)境的順應(yīng)柔性。奧迪利Ferro?botic 公司以及美國Pushcorp公司推出的工業(yè)氣動柔順裝置［17］通過氣泵調(diào)節(jié)氣腔中的氣壓實現(xiàn)對輸出端剛度和力的調(diào)節(jié)，主要應(yīng)用于機(jī)器人自動化打磨、裝配及清洗過程中的力控制。但這類裝置剛度/力調(diào)節(jié)響應(yīng)慢、力?變形特性非線性劇烈，同時控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和實施成本較高。文獻(xiàn)［18］開發(fā)了基于被動柔順裝置的磨光系統(tǒng)，如圖9所示。該系統(tǒng)開發(fā)過程比較繁瑣，需要通過實驗來標(biāo)定裝置多個設(shè)備的指標(biāo)。

圖9 基于被動柔順裝置的磨光系統(tǒng)Fig.9 Grinding System Based on Passive Compliance Device

阻抗控制是通過控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的扭矩來控制末端接觸力偏差?；陉P(guān)節(jié)力矩測量的DLR Justin 機(jī)器人和KUKA 的LBR iiwa機(jī)器人都應(yīng)用到了阻抗控制［19］。由于阻抗控制需要對機(jī)器人本體進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)和接觸環(huán)境的建模，所以開發(fā)較為困難。目前，文獻(xiàn)［20?21］在研究關(guān)節(jié)電機(jī)電流、轉(zhuǎn)矩等阻抗控制要調(diào)整的物理量［20］，如圖10所示。這些需調(diào)整物理量的研發(fā)可以提高打磨過程的精度和準(zhǔn)確性，提高阻抗控制技術(shù)的研究水平。

圖10 曲面恒力跟蹤測試場景Fig.10 Impedance Controlled Surface Constant Force Tracking Test Scene

導(dǎo)納控制是通過控制機(jī)械臂末端位移或速度來控制末端接觸力偏差。文獻(xiàn)［22］運用力傳感器和力控軟件算法進(jìn)行了導(dǎo)納控制，實現(xiàn)了恒力和變速打磨、裝配任務(wù)等多種應(yīng)用。張昱東［23］提出一種機(jī)器人力/位置控制方法［20］，如圖11所示。該控制方法提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)對外力信息的追蹤效果，并增強(qiáng)了機(jī)器人對接觸環(huán)境的柔順性。目前，國內(nèi)在理論方面的研究創(chuàng)新不多，大都是集中在對導(dǎo)納控制模型的改進(jìn)，實際應(yīng)用中成功案例很少，與國外存在一定差距。

圖11 力控示教系統(tǒng)控制框圖Fig.11 Control Block Diagram of Force Control Teaching System

綜上所述，機(jī)器人打磨具有靈活性好、易于調(diào)度、通用性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，是發(fā)動機(jī)葉片原位打磨的發(fā)展趨勢。目前，因為絕大多數(shù)力控策略中的阻抗參數(shù)很難準(zhǔn)確確定，所以力控策略沒有通用的解決方案。因此，靈活選擇主動柔順控制中合適的力控策略，找到合理的阻抗參數(shù)選取方法對提高葉片原位打磨柔順性有著重大的意義。

3.2 軌跡規(guī)劃方法

為保證打磨頭平穩(wěn)順利地進(jìn)入孔探孔內(nèi)對葉片進(jìn)行打磨，需要對葉片原位打磨機(jī)器人的機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃能保證機(jī)械臂運動的平穩(wěn)性，是控制系統(tǒng)的重要組成部分。

文獻(xiàn)［24］研究了一種CAD/CAM的位置/力控制器，可以通過力反饋值修正曲面運動軌跡以提高軌跡的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)［25］提出了基于操縱性與姿態(tài)穩(wěn)定性的軌跡規(guī)劃方法，并分析了機(jī)械臂末端的軌跡和位姿。文獻(xiàn)［26］提出了一種基于隨機(jī)采樣的軌跡規(guī)劃方法［26］，如圖12所示。該方法可以避開空間中的障礙物，具有很好的實時性。文獻(xiàn)［27］提出了一種新的分段插值軌跡規(guī)劃算法“B?5?B算法”，該算法提高了工業(yè)機(jī)械臂的角速度與角加速度曲線的平滑性，降低了角加速度突變引起的機(jī)械系統(tǒng)沖擊力。文獻(xiàn)［28］提出了一種離線情況下關(guān)節(jié)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃編程方法，如圖13所示。運用該方法可以分析關(guān)節(jié)機(jī)器人離線編程原理并開發(fā)適用于空間軌跡規(guī)劃算法。文獻(xiàn)［29］提出了蜂巢柵格模型與動態(tài)分級蟻群算法結(jié)合的路徑規(guī)劃方法，提高了機(jī)器人工作路徑質(zhì)量并減少算法運行時間。文獻(xiàn)［30］采用基于邊和基于面相結(jié)合的特征提取算法，實現(xiàn)焊接仿真特征邊線的提取，并對機(jī)器人進(jìn)行了運動軌跡規(guī)劃。該特征提取算法有效的實現(xiàn)機(jī)器人自動焊接仿真，避免人工示教的復(fù)雜操作。

圖12 機(jī)器人避障的仿真示意圖Fig.12 Robot Obstacle Avoidance Simulation Diagram

圖13 機(jī)器人離線編程路徑規(guī)劃Fig.13 Offline Programming Path Planning for Robot

綜上所述，國內(nèi)外對移動式機(jī)械臂軌跡規(guī)劃的研究都有一定的局限性。研究學(xué)者們所提出的方法不是全部適合關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間軌跡規(guī)劃，目前的研究也沒有將機(jī)器人工藝參數(shù)和空間軌跡規(guī)劃結(jié)合起來。對于最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法也都有著各自的缺陷，有的只針對局部的搜索算法，性能主要受起始條件選擇的影響，有的算法無法在得到的軌跡中的已知點進(jìn)行插值操作。對于關(guān)節(jié)型機(jī)器人的軌跡優(yōu)化算法尚有待進(jìn)一步的研究。

4 總結(jié)

這里針對航空發(fā)動機(jī)葉片原位打磨技術(shù)，重點闡述了葉片原位打磨智能化設(shè)備、打磨力控制技術(shù)、軌跡規(guī)劃技術(shù)的研究現(xiàn)狀。機(jī)器人柔性磨削系統(tǒng)可以成為葉片原位打磨的有效手段，研發(fā)高柔性與智能性的葉片原位打磨機(jī)器人，配合先進(jìn)的力控制策略和軌跡規(guī)劃方法，可以緩解工作人員的勞動強(qiáng)度，提高葉片原位打磨的效率、精度和準(zhǔn)確率。今后航空發(fā)動機(jī)葉片原位打磨技術(shù)發(fā)展方向有以下三個：

（1）發(fā)動機(jī)葉片原位打磨設(shè)備智能化。需要研究加工質(zhì)量和柔性化程度更高，可達(dá)性更強(qiáng)，且具備缺口磨削、表面強(qiáng)化、定向除垢、自主定位、避障、葉片材料性能感知等實用化原位打磨功能的葉片原位打磨機(jī)器人。可以研究能夠彎曲且有一定承載能力的形狀記憶合金關(guān)節(jié)來滿足磨削、強(qiáng)化和定向除垢功能，在柔性桿的一端安裝打磨頭對葉片進(jìn)行打磨，以提高原位打磨的效率與修復(fù)能力。

（2）發(fā)動機(jī)葉片原位打磨機(jī)器人力控制技術(shù)。今后恒力打磨控制會向著主動柔順控制與智能控制算法結(jié)合的方向發(fā)展。主動柔順控制需要結(jié)合現(xiàn)場條件，靈活選擇合適的力控策略，在保證結(jié)果的精度要求下簡化建模和計算難度，從而使打磨頭獲得較好的運動調(diào)節(jié)性能，提升打磨質(zhì)量。

（3）發(fā)動機(jī)葉片原位打磨機(jī)器人軌跡規(guī)劃技術(shù)。柔性機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃可以借鑒參考關(guān)節(jié)機(jī)器人的運動軌跡研究方法。為了使得最優(yōu)軌跡規(guī)劃更簡易的完成，需要找到一種通用的軌跡插補算法來完成空間軌跡規(guī)劃中多種類別的插補。針對發(fā)動機(jī)原位打磨作業(yè)場景未知，打磨頭位姿實時變化等問題，需要研究自主避障與場景定位算法，分析并規(guī)劃打磨頭運動軌跡，以保證原位打磨的平穩(wěn)性。