《中国人工智能学会通讯》——5.6 航空制孔机器人
5.6 航空制孔机器人
装配技术及其装备是飞行器等航空航天复杂产品制造过程中的关键环节。然而我国飞机制造中存在诸多问题，如自动化程度低、装配速度慢、可靠性差、精度低；飞机装配中的连接方式仍大量采用手工劳动；装配技术陈旧、落后，制孔质量、连接质量难以满足飞机性能要求；需要大量采用成套的专用型架，与国外存在较大差距。落后的装配技术已成为制约我国飞行器等复杂产品研制生产能力提高的瓶颈问题之一。
基于机器人等自动化装备的智能柔性装配技术是解决上述问题的重要手段。这种先进的装配技术充分吸收和利用了信息技术、数控技术、精密制造、测量、智能控制等现代高新技术，可以实现飞行器装配过程的数字化、自动化、柔性化、信息化和模块化，产品数据由原来的模拟量传递转变为数字量传递，并最终实现无纸化生产，从而大大提高产品的精度和生产效率。自动化制孔是飞机柔性装配中最关键的一个环节，飞机结构采用的主要连接方式是机械连接；飞机结构件连接质量很大程度上影响了飞机气动外形的准确性和寿命[3] 。在飞机装配中，铆接是机械连接比较常见的方法，钻孔是铆接的第一步工艺，孔的垂直度、孔的精度和孔壁质量等都影响着铆接的强度[4] ，而一架大型飞机上大约有 150~200 万个连接孔[5] 。据统计，在飞机疲劳事故中，70% 是由于连接孔部位的疲劳失效，其中 80％的疲劳裂纹位于联接孔处[6-7] 。因此，机械连接的安全性和可靠性必须保证，飞机制孔质量对飞机的寿命有至关重要的影响。然而传统的手工钻孔不仅加工效率低，劳动强度大，而且孔的一致性和质量难以保证。我国的飞机装配制孔仍以手工制孔为主[8] ，难以满足新型飞机高性能、高效率、低成本的要求，因此必须采用先进的自动化制孔技术，提高飞机装配质量。
国外的飞机制造商纷纷引进先进的机器人技术，制孔机器人已经广泛应用于波音、空客的生产线，制孔效率可达到人工制孔的 6~10 倍[9] 。目前，国外已经有成熟的制孔机器人产品制造商出现，例如美国 EI(Electroimpact) 公司、波音公司以及德国 Broetje 公司、西班牙 M.Torres 公司等。而对机器人制孔的研究，国内起步相对较晚，还没有成熟的产品应用到飞机制造中，其航空企业使用的机器人系统大部分都是国外采购[10] ，如 C919 大型客机研制采用的自动化制孔、钻铆设备也都是国外采购的设备。
世界航空发展的三大趋势之一就是广泛引进机器人[11] ，自动化制孔技术已经在国外航空制造业广泛应用。与传统的制孔设备相比，机器人制孔系统采用工件不动机器人移动的方式，灵活性、柔性、效率得到了极大的提高[12] 。
1 . 制孔机器人系统组成
制孔机器人系统主要包括工业机械臂——自动制孔末端执行器（简称“末端执行器”）、视觉测量系统模块、离线编程系统模块等。
末端执行器安装在工业机器人末端法兰上，使机械臂能够在工件的合适位置进行制孔。首先依靠已有的数模信息，利用激光跟踪仪确定工件坐标系，通过离线编程系统对工业机器人进行路径轨迹规划，对整个制孔系统进行模拟，规避干涉和碰撞；然后，通过双目视觉测量系统识别基准孔，对孔的位置进行补偿。机械臂移动末端执行器，根据机器人定位精度补偿算法，使钻头顶点与制孔点重合。激光传感器测量制孔点法线方向，通过机械臂将钻头轴线调整到与法线方向重合的位置，然后沿着法线方向进给制孔。利用贝加莱控制器控制末端执行器，实现对各个模块的控制以及反馈信号处理。通过离线编程系统对工业机器人进行路径轨迹规划，对整个制孔系统进行模拟，规避干涉和碰撞。采用钻锪一体刀，一次性完成孔的钻、铰、锪加工。通过大量制孔实验，总结出最优的加工工艺参数，最终实现对飞机部件装配的自动制孔工作，保证孔的位置精度和垂直度。其系统工作流程见图 1 。
2 . 末端执行器
末端执行器（见图2）是一个高度集成化的产品，融合了多功能、模块化技术。制孔末端执行器是机器人制孔系统中的关键部件之一，它是与飞机机身直接接触，完成制孔的终端实施者，决定着制孔质量。根据系统的功能需求分析，末端执行器需要具有主轴进给、法线检测、吸屑压紧等功能。
3 . 视觉测量系统
加工孔定位是其位置精度补偿关键技术的重要组成部分。为实现机器人制孔的自主定位，提高自动化和柔性化水平，制孔机器人采用视觉测量系统( 见图 3) 对加工孔进行定位，保证其加工定位精度。
4 . 离线编程系统模块
机器人运动和工作指令的控制程序，通常有示教器编程与离线编程两种编程。一般的工业机器人虽然有着较高的重复定位精度（0.1 mm 左右），但其绝对定位精度较低仅为 1~3 mm。工业机器人在以不同方式工作时，主要的精度指标也不同。例如，当机器人以示教的方式工作时，主要以重复定位精度为主；以离线编程的方式控制时，主要以绝对定位精度为主。随着工业机器人绝对定位精度的提高，以及机器人标定技术的发展，离线编程技术也逐渐成为机器人的主要编程形式，得到了广泛应用。飞机装配过程对装配精度要求较高，需要制孔的数量成千上万，使用工业机器人传统的示教器编程方法效率太低，需要借助离线编程来实现（见图4）。
航空制孔机器人的关键技术还有锪窝深度控制、机器人精度补偿和制孔专家系统等。