協作機器人在航空制造中的應用分析

2024年3月28日發(作者：兒童卡通畫)

協作機器人在航空制造中的應用分析

發布時間：2021-07-08T17:07:14.050Z 來源：《基層建設》2021年第11期 作者： 王媛媛

[導讀] 摘要：隨著科學技術的快速發展，為應對經濟需求和社會要求，在工業生產、機械制造等方面逐漸采用機器人來替代以往由人類和

笨重設備承擔的重復與繁雜工作任務。

中航飛機股份有限公司 西安 710089

摘要：隨著科學技術的快速發展，為應對經濟需求和社會要求，在工業生產、機械制造等方面逐漸采用機器人來替代以往由人類和笨

重設備承擔的重復與繁雜工作任務。本文將簡要概述協作機器人，研究協作機器人在航空制造中的關鍵技術，分析協作機器人在航空制造

中的實際應用情況，以期為航空制造的智能機器人發展提供一些參考。

關鍵詞：協作機器人；航空制造；關鍵技術

引言：

航空制造的特定決定了其制造機器人必須要針對特定部件和工藝技術，當前在一些領域中仍然亟待協作機器人提升制造精度和效率，

采用先進制造技術、自動化生產線來保證航空制造質量。

1協作機器人概述

協作機器人的本質也是智能機器人的一種，是在協作環境中應用的機器人。由于協作機器人在進行工作時難免會與人類或其他機器發

生接觸，這就必須要保證協作機器人的安全性，具備識別人類或潛在物體的能力以及計劃規避行動的能力，從而實現快速規劃路徑、自主

移動。而協作機器人在技術方面的要求也更為突出，包括總體設計技術，即人機交互、協作功能設計；機器人控制技術包括自主學習和決

策，自適應能力；機動與操作功能，包括導航、動態路徑規劃；洞察及感知功能，可以進行智能檢測與狀態感知，分析相應的協作內容；

最后則是測試協作機器人系統的驗證和檢測功能。協作機器人本身與工業機器人有一定差異，具有更高的便捷性和小巧靈活的特點，大部

分協作機器人都帶有示教功能，適用于人機交互，為人機協作提供支撐。

2協作機器人在航空制造中的關鍵技術

2.1本體設計

本體設計是確定協作機器人本體的影響及系統標準，例如對協作機器人的硬件進行優化，減輕協作機器人的機身重量，可以有效避免

協作機器人對人類的沖擊危害。或是降低感知和控制的難度，補償一些不確定性。而在軟件方面可以經過模塊化、系統化的處理，運用更

多傳感器來增加機器人的感知能力，比如將力矩傳感器安裝在電機減速器之后，可以快速且準確地檢測出外部載荷，再通過程序算法區分

出是正常作業還是不明碰撞。

2.2感知和控制技術

協作機器人如果能夠確切了解周圍環境，便可以更好地完成系統任務。而在飛機裝配環境中往往具有人員走動、裝配位置變化等因

素，協作機器人會與裝配人員、產品、工具等內容發生干涉，無法準確運作。可以利用相機、力傳感器等部件與感知技術的支持，提高協

作機器人對周圍環境檢測的準確性和頻率，降低與人員、產品、設備的接觸，從而達到自主、安全的作業。柔順控制技術是協作機器人實

現牽引編程、碰撞應急反應、變化剛度操作的關鍵技術，柔順控制的本質是對阻抗的一種控制變化，對剛度和阻尼進行調節，以達到對關

節力矩的精準控制。另外，為了使協作機器人可以在更加復雜的航空制造中應用，還需要優化運動規劃和控制方法，使協作機器人盡可能

迅速適應環境變化[1]。

2.3行為設計

協作機器人的行為設計是在保證安全性的同時，使機器人的運作狀態達到最最佳，以完成各類需要高水平能力的工作。合理設計協作

機器人的行為的關鍵就是人機協作系統的制作。人和機器人都應當是具有各自動力學特性的主體，其行為存在邏輯策略并具有可控制性。

而邏輯策略與可控制的設計條件有兩種。一種是人和機器人動力學特性的差異以及兩者之間作業的協同配合可行性。另一種則是人機交互

中的安全保障。協作機器人將通過對作業環境的認知來優化相應的系統與邏輯算法，使機器人適應動態變化的裝備環境，其行為能夠達到

人機協同作業的要求。

2.4自主學習能力

自主學習能力是機器人進步發展的根本，在航空制造過程中，作業對象會發生改變，協作機器人也具有多種作業任務。通過模擬人類

運動的動態基元控制策略，建立分層控制結構，下層為高速總線變阻抗控制，上層則是由人工神經網絡進行規劃和分析，根據動作空間對

裝配過程進行建模，借助神經網絡來完成非線性任務決策，以實現基于觸覺的動作行為。自主學習的優勢在于可以挖掘出一些非人工設計

的更為優質的操作策略，使協作機器人的作業效益得到提升。

3協作機器人在航空制造中的實際應用

3.1飛機結構裝配

飛機結構裝配是航空制造中的重要組成部分，工作內容是將飛機結構零件、組件、按照設計圖紙和技術要求逐步裝配呈部件的過程。

飛機結構裝備的產品組件尺寸較大、形狀復雜、連接零件數量多，傳統的自動化設備雖然對飛機結構裝配的效率和質量有一定提升，但是

在一些需要人工操作的測量、安裝環節，仍需協作機器人與人工共同完成。通過人機協作方式，利用協作機器人的靈活性實現人工引導機

器人進行半自動作業。例如在輔助制孔作業中，協作機器人的制孔路徑可以由程序提前設定，也可以由操作人員結合施工現場實際情況使

用示教器進行設定。協作機器人配合重量較輕的制孔末端執行器，便可以對一些待裝配的結構件進行制孔，制孔范圍一般小于50mm，可以

在鋁、鈦、復合材料上進行制孔，使用協作機器人配合ADU單元進行制孔的制孔精度可達H7級別，定位精度可在0.02mm以內，一次便可完

成鉆孔、鉸孔工作，有效提升了工效和質量[2]。

3.2擰緊高鎖螺栓

高鎖螺栓是利用螺栓的過盈量與螺母進行干涉配合，有著較高預緊力組合作用，能有效提升接頭疲勞強度的一種螺栓。在過往的高鎖

螺栓擰緊工作中，需要手動操作，使用工具擰緊螺母完成安裝。高鎖螺栓的安裝是一項費力費時的重復性勞動，而且在一些不易操作的位

置，手動擰緊螺栓的工作方式極為不變。使用協作機器人配合電動擰緊工具，可以有效解決在一些狹小空間內的安裝問題，大幅降低高鎖

螺栓的作業時間。

3.3自動測量工作

自動測量依靠相應的系統快速分析航空制造中的尺寸測量問題。將協作機器人用于自動測量工作可以為自動化測量提供柔性方案。為

協作機器人配備三維測量傳感器，在機械臂按照預設路徑進行產品掃描過程中，便能夠獲得被測物體的大小、尺寸、形狀，可以獲得豐富

的測量信息，并且協作機器人自動測量可以克服一些苛刻的生產環境條件，代替人工完成復雜的測量工作。

3.4襯套涂裝作業

在起落架結構中襯套涂裝可以有效防止起落架出現磨損，這就需要在襯套和其他零件接觸表面涂裝均勻無氣泡的密封膠，這對作業質

量要求有著不小的要求。人工進行涂膠不僅需要全身保持高度的注意力和控制力，將密封膠以0.6MPa壓力進行涂裝，不僅勞動強度較大，

還很容易導致質量不穩定，而且密封膠本身帶有一定毒性，不利于人體健康。運用協作機器人后，操作人員只需將密封膠裝入末端執行

器，由協作機器人自行控制噴嘴涂膠的壓力和速度，以保證均勻無氣泡地涂膠。操作人員在這種協作涂膠作業中只需做好協作機器人的示

教編程，檢查涂膠質量并處理操作過程中的異常即可，不僅改善了操作人員的工作環境，而且也提升了生產效率和質量，使操作人員的工

作內容更具有針對性。

結論：

社會經濟的快速發展，也為航空制造領域提出了新的要求，航空制造技術已經成為評定國家科學技術能力的重要標準，應用智能機器

人在航空制造之中是生產制造產業發展的必然趨勢。協作機器人用于飛機結構裝備、人機協作生產、自動測量檢驗等制造流程都取得了顯

著的效果，伴隨著協作機器人的進一步發展，航空制造也將全面步入智能化時代。

參考文獻：

[1]曹巍，張金，李佳駿.協作機器人在飛機結構裝配中的應用綜述[J].今日制造與升級，2020（07）：34-35.

[2]吳丹，趙安安，陳懇，等.協作機器人及其在航空制造中的應用綜述[J].航空制造技術，2019，62（10）：24-34.