航空制造业的高精度自动化

航空制造业的高精度自动化

工业机器人在许多行业中已经很成熟，并且通常与现代先进的制造系统相关联。然而，航空航天制造仍然严重依赖熟练的手工工作。在航空航天领域采用机器人的一个主要障碍是缺乏准确性。随着精度的提高，预计航空航天工业自动化的使用将大幅增加。

航空航天自动化：面临的挑战

很多人都惊讶地发现飞机装配仍然是一个很大程度上是手动的过程。航空航天通常被认为是先进制造业的巅峰之作，因此令人惊讶的是，它在某些方面落后于传统汽车工业。考虑到航空航天和汽车装配之间的相似之处，这更令人惊讶。

当大多数人想到工业机器人时，他们会考虑汽车装配。但是，机器人现在几乎可以做任何事情。

根据如何确定装配的形式，装配可分为三种类型：

在确定（或决定性）装配中，仅部件确定装配的最终形状。这通常用于组装的组件或脊状部件，例如发动机或变速箱。这有点像建立乐高。

在夹具构建中，外部框架确定装配的最终形状。将柔性或具有可移动界面的部件装入夹具中，该夹具将新出现的组件保持在所需形状中。这些部件就地固定以形成刚性组件，然后将整个组件从夹具上移除。

在测量辅助组件中，使用可移动的夹具和固定装置将柔性和/或具有可移动界面的部件相对于彼此保持。然后使用测量来引导部件的位置和取向，以产生所需的组件形状。这些部件就地固定以形成刚性组件，并且移除夹具和固定装置。建筑物通常以这种方式建造。

汽车车身和机身结构通常都是通过夹具制造的。它们都涉及带滑动界面的薄型柔性面板。将这些面板夹在夹具中然后固定在一起。在汽车装配中，面板通常使用点焊连接，而在航空航天中，它们通常在夹具中钻孔并填充铆钉或螺栓。在航空航天装配中，通常还需要对组件之间的接口进行填充。垫片用于填充间隙，而修补则意味着加工多余的材料。两者都增加了重量，因为修饰意味着必须包括修补限额，并不总是被删除。

在夹具中手动钻孔和填充航空航天组件

近年来，航空航天制造中的钻孔和填充操作已经进行了大量的自动化。然而，这主要使用基于定制龙门架的机器而不是灵活的自动化。这更像是一个非常大的机床而不是焊接机器人。这种方法的问题在于它需要在单一设计中进行大量投资 - 这就像过时的大规模生产而不是现代精益自动化。当需要重新配置生产系统时，缺乏灵活性会导致巨大的问题。

在航空航天领域使用灵活自动化涉及许多挑战。钻孔会引起反作用力和振动，这可能需要更严格的机械。需要比当前机器人更高的精确度。与其他行业相比，航空航天装配复杂且体积小，涉及大量独特的操作，以生产相对较少的最终产品。这意味着必须生成大量的机器人程序。另一个困难是因为最终结构庞大且复杂，所以必须同时执行多个操作。这意味着人类可能需要在机器人附近工作，这需要大大增强安全系统。

减少反应力的钻井

传统的钻孔存在高轴上反作用力和振动水平的问题。这使得工业机器人的相对柔性结构难以产生高质量，精确的孔。也可以通过使用具有较小直径切削工具的铣床内插圆形路径来生产孔。这导致较低的反作用力和较低的振动。然而，能够在大型机身中钻孔的重型机床对于精益生产系统而言不够灵活或不可重新配置。相反，由于刚度和惯性效应以及间隙和伺服不匹配的结合，工业机器人不能足够精确地插补圆。

轨道钻孔提供了一种使用灵活自动化插补加工孔的方法。它有效地使用了一个非常小的机床，它沿着每个轴有足够的运动来插入一个孔。然后将该轨道钻孔机定位在需要孔的位置，其方式与传统钻孔机的定位方式相同。该机器足够轻，可供机器人操作，在大型组件内实现灵活和可重新配置的钻孔。

对于静态定位，工业机器人可以具有几微米的短期可重复性。但是，重复操作会导致重复定位随时间漂移。因此，机器人的可重复性应表示为时间的函数。几微秒的重复性可能是几分钟，但是这些可以在数小时内增加到数百微米，并且通常在几天内增加到几毫米。最好的高精度机器人具有小于0.1毫米的长期可重复性。可重复性可被视为准确性的限制因素。

还有许多其他精度要求。机器人的离线和自动编程需要绝对精确度，而不仅仅是可重复性。精度需要相对复杂的校准，因为机器人可以使用许多不同的动作来达到相同的末端执行器位置。使用运动学校准，其中机器人的末端执行器的许多观察被用于求解机器人的运动学模型，其包含表示每个链路的六个自由度的误差参数。

经典的四参数DH约定图。

加工以及较小程度的钻孔需要动态路径跟随精度。这受到以下几个因素的强烈影响：

惯性力由最小路径半径和速度决定

能够克服由于刚度和电机扭矩引起的惯性力

控制器反馈回路的时间分辨率

机械间隙

测量机器人精度的最佳工具是激光跟踪器和球杆。激光跟踪仪最初是为机器人校准而发明的，但是，尽管它现在已经发现了许多其他应用，但它仍然是这个目的的理想选择。激光跟踪仪可以测量机器人工作体积内的坐标，只需几微米。然而，为了测量动态路径跟踪精度，激光跟踪器不太适合。为此，球杆更适合。如果您想知道机器人钻孔或加工曲面的准确程度，那么实际在测试零件中生成该特征。此类研究应多次创建特征，然后测量零件以确定过程中的偏差和变化。

按重要性排序，影响准确性的最重要因素是：

传统的4 DH运动学参数

用于围绕y轴旋转的附加运动学参数

扭转关节顺应性和关于z轴的反弹

由于温度变化，热膨胀和形状发生变化

通过商业高精度机器人校正1和2，实现0.5 mm路径跟踪精度 - 这些也可以纠正3.热效应在任何商用系统中都不被认为是可以纠正的。研究表明，精度可低至0.1毫米。

自适应控制 - 改变的参数

自适应控制涉及在操作期间更新控制模型中的参数。这不应与自适应机器人控制混淆，实际上是具有固定参数的闭环控制。为工业机器人实施，这将涉及校准稳定的影响并将其包括在控制模型中并校正瞬态影响。密歇根大学的研究使用了固定参数的组合，包括增强的DH参数和模拟为线性弹簧的关节刚度，以及由温度传感器更新的热膨胀自适应参数。这种自适应控制实现了0.1毫米的精度。

光学计量系统的位置反馈

实现非常高的静态定位精度的一种解决方案是提供来自激光跟踪器的实时反馈。激光跟踪器通常用于校准每个关节中的机器人和角度编码器，然后向关节的电机提供反馈。在操作期间提供位置反馈可以使孔能够以0.05mm的精度钻孔。

由于用于机器人的动态控制的限制因素是固有的惯性效应，因此需要额外的致动来改进。换句话说，机器人不可能足够快地响应它收到的反馈。因此，提高反馈的准确性或频率无济于事。

结论

轨道钻井和高精度机器人等先进技术为飞机和航天器提供了灵活，精益的自动化生产系统。还在开展工作，以满足人类在机器人附近操作的需要，以及为高复杂产品编程许多独特操作的挑战。使用自适应控制和混合反馈的进一步发展将导致机器人在未来几年的适用性进一步提高。