航空制造業(yè)的高精度自動化

航空制造業(yè)的高精度自動化

工業(yè)機(jī)器人在許多行業(yè)中已經(jīng)很成熟，并且通常與現(xiàn)代先進(jìn)的制造系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)。然而，航空航天制造仍然嚴(yán)重依賴熟練的手工工作。在航空航天領(lǐng)域采用機(jī)器人的一個主要障礙是缺乏準(zhǔn)確性。隨著精度的提高，預(yù)計(jì)航空航天工業(yè)自動化的使用將大幅增加。

航空航天自動化：面臨的挑戰(zhàn)

很多人都驚訝地發(fā)現(xiàn)飛機(jī)裝配仍然是一個很大程度上是手動的過程。航空航天通常被認(rèn)為是先進(jìn)制造業(yè)的巔峰之作，因此令人驚訝的是，它在某些方面落后于傳統(tǒng)汽車工業(yè)。考慮到航空航天和汽車裝配之間的相似之處，這更令人驚訝。

當(dāng)大多數(shù)人想到工業(yè)機(jī)器人時，他們會考慮汽車裝配。但是，機(jī)器人現(xiàn)在幾乎可以做任何事情。

根據(jù)如何確定裝配的形式，裝配可分為三種類型：

在確定（或決定性）裝配中，僅部件確定裝配的最終形狀。這通常用于組裝的組件或脊?fàn)畈考绨l(fā)動機(jī)或變速箱。這有點(diǎn)像建立樂高。

在夾具構(gòu)建中，外部框架確定裝配的最終形狀。將柔性或具有可移動界面的部件裝入夾具中，該夾具將新出現(xiàn)的組件保持在所需形狀中。這些部件就地固定以形成剛性組件，然后將整個組件從夾具上移除。

在測量輔助組件中，使用可移動的夾具和固定裝置將柔性和/或具有可移動界面的部件相對于彼此保持。然后使用測量來引導(dǎo)部件的位置和取向，以產(chǎn)生所需的組件形狀。這些部件就地固定以形成剛性組件，并且移除夾具和固定裝置。建筑物通常以這種方式建造。

汽車車身和機(jī)身結(jié)構(gòu)通常都是通過夾具制造的。它們都涉及帶滑動界面的薄型柔性面板。將這些面板夾在夾具中然后固定在一起。在汽車裝配中，面板通常使用點(diǎn)焊連接，而在航空航天中，它們通常在夾具中鉆孔并填充鉚釘或螺栓。在航空航天裝配中，通常還需要對組件之間的接口進(jìn)行填充。墊片用于填充間隙，而修補(bǔ)則意味著加工多余的材料。兩者都增加了重量，因?yàn)樾揎椧馕吨仨毎ㄐ扪a(bǔ)限額，并不總是被刪除。

在夾具中手動鉆孔和填充航空航天組件

近年來，航空航天制造中的鉆孔和填充操作已經(jīng)進(jìn)行了大量的自動化。然而，這主要使用基于定制龍門架的機(jī)器而不是靈活的自動化。這更像是一個非常大的機(jī)床而不是焊接機(jī)器人。這種方法的問題在于它需要在單一設(shè)計(jì)中進(jìn)行大量投資 - 這就像過時的大規(guī)模生產(chǎn)而不是現(xiàn)代精益自動化。當(dāng)需要重新配置生產(chǎn)系統(tǒng)時，缺乏靈活性會導(dǎo)致巨大的問題。

在航空航天領(lǐng)域使用靈活自動化涉及許多挑戰(zhàn)。鉆孔會引起反作用力和振動，這可能需要更嚴(yán)格的機(jī)械。需要比當(dāng)前機(jī)器人更高的精確度。與其他行業(yè)相比，航空航天裝配復(fù)雜且體積小，涉及大量獨(dú)特的操作，以生產(chǎn)相對較少的最終產(chǎn)品。這意味著必須生成大量的機(jī)器人程序。另一個困難是因?yàn)樽罱K結(jié)構(gòu)龐大且復(fù)雜，所以必須同時執(zhí)行多個操作。這意味著人類可能需要在機(jī)器人附近工作，這需要大大增強(qiáng)安全系統(tǒng)。

減少反應(yīng)力的鉆井

傳統(tǒng)的鉆孔存在高軸上反作用力和振動水平的問題。這使得工業(yè)機(jī)器人的相對柔性結(jié)構(gòu)難以產(chǎn)生高質(zhì)量，精確的孔。也可以通過使用具有較小直徑切削工具的銑床內(nèi)插圓形路徑來生產(chǎn)孔。這導(dǎo)致較低的反作用力和較低的振動。然而，能夠在大型機(jī)身中鉆孔的重型機(jī)床對于精益生產(chǎn)系統(tǒng)而言不夠靈活或不可重新配置。相反，由于剛度和慣性效應(yīng)以及間隙和伺服不匹配的結(jié)合，工業(yè)機(jī)器人不能足夠精確地插補(bǔ)圓。

軌道鉆孔提供了一種使用靈活自動化插補(bǔ)加工孔的方法。它有效地使用了一個非常小的機(jī)床，它沿著每個軸有足夠的運(yùn)動來插入一個孔。然后將該軌道鉆孔機(jī)定位在需要孔的位置，其方式與傳統(tǒng)鉆孔機(jī)的定位方式相同。該機(jī)器足夠輕，可供機(jī)器人操作，在大型組件內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈活和可重新配置的鉆孔。

對于靜態(tài)定位，工業(yè)機(jī)器人可以具有幾微米的短期可重復(fù)性。但是，重復(fù)操作會導(dǎo)致重復(fù)定位隨時間漂移。因此，機(jī)器人的可重復(fù)性應(yīng)表示為時間的函數(shù)。幾微秒的重復(fù)性可能是幾分鐘，但是這些可以在數(shù)小時內(nèi)增加到數(shù)百微米，并且通常在幾天內(nèi)增加到幾毫米。最好的高精度機(jī)器人具有小于0.1毫米的長期可重復(fù)性?？芍貜?fù)性可被視為準(zhǔn)確性的限制因素。

還有許多其他精度要求。機(jī)器人的離線和自動編程需要絕對精確度，而不僅僅是可重復(fù)性。精度需要相對復(fù)雜的校準(zhǔn)，因?yàn)闄C(jī)器人可以使用許多不同的動作來達(dá)到相同的末端執(zhí)行器位置。使用運(yùn)動學(xué)校準(zhǔn)，其中機(jī)器人的末端執(zhí)行器的許多觀察被用于求解機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型，其包含表示每個鏈路的六個自由度的誤差參數(shù)。

經(jīng)典的四參數(shù)DH約定圖。

加工以及較小程度的鉆孔需要動態(tài)路徑跟隨精度。這受到以下幾個因素的強(qiáng)烈影響：

慣性力由最小路徑半徑和速度決定

能夠克服由于剛度和電機(jī)扭矩引起的慣性力

控制器反饋回路的時間分辨率

機(jī)械間隙

測量機(jī)器人精度的最佳工具是激光跟蹤器和球桿。激光跟蹤儀最初是為機(jī)器人校準(zhǔn)而發(fā)明的，但是，盡管它現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多其他應(yīng)用，但它仍然是這個目的的理想選擇。激光跟蹤儀可以測量機(jī)器人工作體積內(nèi)的坐標(biāo)，只需幾微米。然而，為了測量動態(tài)路徑跟蹤精度，激光跟蹤器不太適合。為此，球桿更適合。如果您想知道機(jī)器人鉆孔或加工曲面的準(zhǔn)確程度，那么實(shí)際在測試零件中生成該特征。此類研究應(yīng)多次創(chuàng)建特征，然后測量零件以確定過程中的偏差和變化。

按重要性排序，影響準(zhǔn)確性的最重要因素是：

傳統(tǒng)的4 DH運(yùn)動學(xué)參數(shù)

用于圍繞y軸旋轉(zhuǎn)的附加運(yùn)動學(xué)參數(shù)

扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順應(yīng)性和關(guān)于z軸的反彈

由于溫度變化，熱膨脹和形狀發(fā)生變化

通過商業(yè)高精度機(jī)器人校正1和2，實(shí)現(xiàn)0.5 mm路徑跟蹤精度 - 這些也可以糾正3.熱效應(yīng)在任何商用系統(tǒng)中都不被認(rèn)為是可以糾正的。研究表明，精度可低至0.1毫米。

自適應(yīng)控制 - 改變的參數(shù)

自適應(yīng)控制涉及在操作期間更新控制模型中的參數(shù)。這不應(yīng)與自適應(yīng)機(jī)器人控制混淆，實(shí)際上是具有固定參數(shù)的閉環(huán)控制。為工業(yè)機(jī)器人實(shí)施，這將涉及校準(zhǔn)穩(wěn)定的影響并將其包括在控制模型中并校正瞬態(tài)影響。密歇根大學(xué)的研究使用了固定參數(shù)的組合，包括增強(qiáng)的DH參數(shù)和模擬為線性彈簧的關(guān)節(jié)剛度，以及由溫度傳感器更新的熱膨脹自適應(yīng)參數(shù)。這種自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)了0.1毫米的精度。

光學(xué)計(jì)量系統(tǒng)的位置反饋

實(shí)現(xiàn)非常高的靜態(tài)定位精度的一種解決方案是提供來自激光跟蹤器的實(shí)時反饋。激光跟蹤器通常用于校準(zhǔn)每個關(guān)節(jié)中的機(jī)器人和角度編碼器，然后向關(guān)節(jié)的電機(jī)提供反饋。在操作期間提供位置反饋可以使孔能夠以0.05mm的精度鉆孔。

由于用于機(jī)器人的動態(tài)控制的限制因素是固有的慣性效應(yīng)，因此需要額外的致動來改進(jìn)。換句話說，機(jī)器人不可能足夠快地響應(yīng)它收到的反饋。因此，提高反饋的準(zhǔn)確性或頻率無濟(jì)于事。

結(jié)論

軌道鉆井和高精度機(jī)器人等先進(jìn)技術(shù)為飛機(jī)和航天器提供了靈活，精益的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。還在開展工作，以滿足人類在機(jī)器人附近操作的需要，以及為高復(fù)雜產(chǎn)品編程許多獨(dú)特操作的挑戰(zhàn)。使用自適應(yīng)控制和混合反饋的進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致機(jī)器人在未來幾年的適用性進(jìn)一步提高。