1 機器人自動制孔系統[1-2]

自動制孔是航空制造領域應用最廣泛、最成熟的機器人技術，目前已有成熟產品出現。如F-16、F-22、F-2和T-50等飛機的垂尾壁板，C-130飛機的梁腹板，波音F/A-18E/F超級大黃蜂后沿襟翼，F-35飛機機翼上壁板，波音B-747、C-17等飛機的機艙地板，A380機翼壁板等均采用了機器人自動制孔技術。被加工材料涉及鈦合金、鋁合金、碳纖維復合材料等。

機器人配合多功能鉆孔末端執行器及位姿標定系統構成了機器人柔性鉆削系統，具體結構形式有3種(不包括數控系統)：(1) 柔性軌道機器人＋制孔末端執行器＋監測及標定系統；(2) 自主爬行機器人＋制孔末端執行器＋監測及標定系統；(3)工業機械臂＋制孔末端執行器＋監測及標定系統。第1、2 類機器人自動制孔系統適合于大型飛機的大型工件或部件的加工，要求工件表面相對平整且曲率變化較小；第3類機器人自動制孔系統適合于復雜表面的工件加工，制孔的位置精度較高。

機器人自動制孔系統的工作分工由機器人完成末端執行器的精確定位和定姿，由末端執行器完成鉆頭的旋轉及進給，由監測及標定系統對加工過程及定位精度進行實時測量，整個系統由中央控制器控制工藝順序，跟蹤數據(如刀具壽命和孔徑)。末端執行器與傳統的數控機床上的動力頭相比，最大優勢在于它具有壓緊裝置和實時力反饋裝置；其次在于它的獨立性和通用性：獨立性表現在它本身就是個小型的制孔裝置，利用它可進行一些切削實驗；通用性表現在它可以配合不同的移動平臺構成鉆削系統。

機器人自動制孔系統的關鍵技術包括：

（1）壓緊力的設定。

鉆削開始之前，機器人將末端控制器上的鉆頭移動到預定位置和姿態，由末端執行器的壓緊裝置與被加工工件接觸，并施加一定壓緊力。壓緊力的主要作用包括：一是補償重力對末端執行器角度造成的影響；二是消除疊層材料層與層間的間隙，防止層間毛刺的進入；三是使結構緊湊，增加系統的動態剛度。

目前，航空制造業正在應用的機器人自動制孔系統，其壓緊力和鉆削力是耦合的，這樣的設計使得壓腳上的力隨切削力的增大而減小，而作用在機器人上的力始終是壓緊力，這樣就使得機器人在鉆孔時不用承受動態的力，而只承受一個靜態的力，這種設計應保證壓緊力大于切削力，以保證系統的穩定性和孔的質量。但這種設計也存在一個缺點，即會造成工件的變形。原因是在鉆孔前必須先壓緊，而此時作用在工件上的力很大。如何解決這一問題，可以作為未來的一個研究課題。

（2）調整刀具和工件表面的垂直。

被加工件多是大型曲面，在到達指定位置后，需要調整鉆頭與工件的相對姿態，即保證鉆頭和工件的垂直。目前一般采用4個線性位移傳感器（LVDT）或4個激光位移傳感器來調整鉆頭和工件的垂直。如何利用視覺系統或較少的位移傳感器進行鉆頭的調姿( 目的是降低成本，提高效率) 也是值得深入探討的關鍵技術之一。

（3）位置精度補償。

制孔的位置精度即法線精度受到機器人運動學模型、負載、安裝方式、剛度、末端執行器的機械間隙、刀具的磨損、熱效應等因素的影響。如何采用檢測、標定、補償的方式，提高機器人自動制孔的位置及姿態精度也是制約制孔質量的關鍵問題。

2 機器人柔性平臺[3]

飛機的壁板、尾翼、垂翼、舵板等均是復雜曲面，對這些工件進行鉆孔、鉚接、焊接、切割、涂料等加工操作時，必須要求工件表面與加工工具（鉆頭、焊槍、激光器等）垂直。有2種方法可實現這種相對位姿的調整：一種是將工件固定不動，將加工工具安裝在工業機器人上，通過工業機器人的大范圍運動調整加工工具的位置與姿態，使之與被加工工件表面垂直；第二種方法是將被加工工件安裝在工業機械臂上，由機械臂調整被加工工件的位置及姿態，而加工工具可以采用傳統的機床進行。這種加工系統可實現多工藝自動化，被稱之為機器人柔性平臺。由于機器人配備了測量設備，可實時確定夾具和工件的位姿，夾具幾何結構的改變可在生產過程中被實時確定，避免了定期將夾具從生產過程中取出，因此可實現多過程自動化，縮短制品的生產周期。

Airbus、KUKA、Metris和Delmia4家公司聯合開發了一種機器人柔性平臺，用于完成空客某型號飛機工件的柔性加工。該平臺的技術創新在于實現了METRI SK-Series Optical CMM 測量設備和KUKA機器人的在線動態連接，使機器人實現了位置的閉環控制，提高了機器人的定位精度，再通過集成Delmia’s V5和KUKA’s VRC的仿真軟件，使得機器人程序的編制更準確更高效。同時還實現了測量設備在虛擬環境的虛擬測量，以使實際環境適應虛擬環境，使得器人可實現自適應控制，這意味著機器人可以準確地補償動態負載下的機器人變形、溫度波動以及機械的無規則運動引發的定位誤差。

3 機器人涂覆系統[4]

飛機的表面涂層（雷達吸波材料或防結冰涂料）質量對飛機壽命至關重要，尤其是涂層的厚度。厚度公差、表面光潔度、氣孔率、斜度的嚴格保證對于人工涂覆來說非常困難，而采用用機器人技術則能輕而易舉地解決這些問題。目前，世界上最大的機器人涂覆自動化系統是由諾斯羅普·格魯門公司研制Robotic AircraftFinishing System (RAFS)，它由3個固定在地面的機器人和一個可移動的機器人構成，用于B2轟炸機機體的表面涂覆。

機器人涂覆自動化的優勢體現在以下幾個方面：

（1）涂覆的一致性。傳統的人工涂覆，需要很多人員在不同區域進行操作，雖然使用的是同樣的設備，但卻難以保證這些人員具有相同的技術水平，這就必須在涂覆完畢后進行打磨處理，而打磨的費用非常高；機器人涂覆可有效解決這一問題，既保證了涂覆的一致性又控制了成本。
（2）產品質量。機器人涂覆有效地消除了涂覆完的再打磨和材料中的氣孔。
（3）節省材料。機器人可以實現更為精確的表面涂覆，減少了材料的浪費。
（4）環保和安全。機器人涂覆有效地降低了處理廢料的成本，同時也保證了操作者免受材料粉塵的影響。

機器人涂覆系統占地面積大，要求機器人的數量多，屬于大型系統集成，需要做好充分的規劃；同時對單個機器人的工作空間、負載能力都有一定的要求。整個系統對機器人的離線編程和虛擬仿真技術要求高，因此在噴涂前需要做好一個合理的軌跡規劃和姿態檢驗，以保證噴涂質量和工作效率。

4 機器人復合材料加工系統[5]

飛機上的復合材料主要是指碳纖維復合材料，它可使飛機重量更輕、強度更高、耐疲勞耐腐蝕性更好、制造及飛行成本更低。因此現代大型飛機及各式戰斗機已開始廣泛使用復合材料，波音787的復合材料用量已占到結構重量的50%以上。碳纖維的編織、縫合、鋪放、膠粘劑及密封劑涂層等需要設備具有較大的工作空間、復雜的運動軌跡及高度的靈活性，因此復合材料的加工給傳統材料的加工方式提出了新的挑戰，同時也為機器人技術的應用提供了契機。