[科普中国]-航空航天机器人

简介

自英国工业革命以来，随着生产力的发展，机械已经慢慢取代人力劳动。工业机器人的出现，实现了生产的自动化，提高生产效率，减少了工伤事故的发生。近年来，随着机电一体化设备的不断发展，工业机器人因具有一致性和可靠性好，精确度高等特点被广泛应用在机械、汽车、化工以及航空航天制造领域。

航空航天机器人能够帮助航天员在开扩的宇宙空间工作。这项工作与使用远程操纵系统和空间站相比在航天工艺技术方面迈出了新的一步。从机器人的概念来讲，它们能够帮助人在开扩的宇宙空间进行实际工作。它们可以和人一起工作，也可以代替人完成危险性很大的工作，扩大了人类的活动范围。航空航天机器人在完成具有一定难度的任务时没有专用的夹子，也不用设计程序。这一工作完全由地面处于遥测操控状态的操纵员来控制。它们最主要的优点就是机动性强，而这正是穿着笨重航天服在开阔的宇宙工作的航天员所欠缺的。1

目前，航空航天领域制造仍是劳动密集型，且它对产品的工艺和精度要求也较严格，生产能力也不足。为此，航空航天领域制造企业通过工业机器人来实现自动化生产，企业生产模式转型升级和装备先进制造能力提升具有重要意义。2

航空航天机器人结构机械结构航空航天机器人没有脚，但它的躯干、手和头却像人类。手是仿照人类制成5个手指，戴有专用手套，但其运动幅度却比航天员大。在研制航空航天机器人时考虑到了航天员在国际空间站外表面的标准线路和允许活动范围以及舱室结构。控制器和机械手是采用机械工艺制造的。在机械手的每个环节都装有电子元件，以便减少噪音和干扰。与其它的机器人系统有区别的是航空航天机器人有数据控制系统：所有返回信息都通向中心神经系统，并在那里进行数据处理。航天机器人的对称性类似生物的两面性(左，右)，如一对传感器、一对受力元件及运动学余度。这就使得航空航天机器人具有训练的可能性，也可以在机械状态、电状态和程序上进行优化。1

传感器和遥测操纵控制航空航天机器人的壳体里安装了大量不同的传感器：热传感器、声传感器、触觉传感器、应力传感器，以及测量返回瞬间的仪器，如在机械手里就安装了150多个传感器。机器人控制系统包括实时数据微处理器和电源控制器，实施观察的操纵员对机器人进行远距离控制。1

构架航空航天机器人的“骨架”是由高强度的铝合金连接而成。由于前臂和手掌几何形状的复杂性，先把它们做成形而后按指定误差进行机械加工。由于硬度限制，手部和手指要用不锈钢制成。航空航天机器人身体内部安有中心处理器、大的配电板，以及功率交换器、导线和接头。这些易碎的元件用硬的黑色护胸和碳纤维做成的网兜防护。1

壳体航空航天机器人的高强度镀金骨架上面用白色织物做成的航天服进行密封。该织物能减弱碰撞，也避免其它物质落入活动关节中。所有线路都布置在里面，以免弄乱。航空航天机器人外面的衣服像舱外活动的航天员穿的航天服一样，并且同样是柔韧的高强度耐火织物。1

手部航空航天机器人的手具有和所有工具一起工作的能力，并能到达指定点，如图。其俯仰弯转角度超过了带密封手套的人手。手臂和手指的尺寸与人类相符，在遥控人员的控制下具有准确的模仿力。所有各组成部分都稳定地处于临界温度。

工作的每只手都有14个自由度。前臂直径为10cm，长接近20cm，里面分布有14个发动机、电导线、12个独立的安装图、2个自由度的肘部和5个手指的手(12个自由度)。手分为两组功能：手掌弯曲、无名指和小手指1组，而剩下的3个手指——食指、中指和大母指，每个手指有3个自由度，但有不同的操作。1

在航空制造业的工作在航空航天领域工业机器人的广泛使用，主要是用于机械加工制造，通过它可以完成航空航天产品的焊接、喷涂、热处理、装配等作业。由于航空航天产品的生产和制造具有结构复杂、尺寸大、性能指标精度高、环境洁净度高、载荷重等特点，因此，对工业机器人的结构、性能、动作流程和可靠性等都提出了更高的要求。

喷涂喷涂是一种用专用设备把某种固体材料熔化并加速喷射到机件表面上形成一特制薄膜层，以提高几件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的表面技术。飞机表面的涂层质量对飞机至关重要，主要是体现在涂层厚度、表面粗糙度、厚度公差、气孔率对于人工喷涂较困难。而采用机器人技术则可以较好解决这些问题。机器人喷涂可以解决涂覆的一致性，用同一设备即可完成整个工件，避免了人工多个区域操作的差别，另外它可以有效地消除了涂覆后的再打磨和涂层中的气孔，涂层表面公差更均匀，减少了材料的浪费，降低了处理废料的成本，保护了操作者免受喷涂材料粉尘的污染。

焊接焊接是通过加热或加压，或两者并用，并且用或不用填充材料，使连接件达到原子结合的加工方法。焊接机器人是从事焊接的工业机器人，它是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。在航空航天制造领域，焊接应用越来越多，它用于铝合金及其航空航天材料的点焊、弧焊、激光焊和搅拌摩擦焊。工业机器人焊接可以很大幅度提高焊接过程中的速度和质量，同时能降低焊接成本和复杂曲面焊接难度，实现焊接过程自动化。机器人焊接在于离线编程和虚拟仿真技术，它可以优化焊接路径提高效率。2

热处理热处理是通过加热、保温、冷却来改变金属及其合金表面或内部组织结构，以达到控制性能的工艺方法。由于航空航天领域材料具有高度的性能，往往要具有耐高温、轻质量、高强度等特点，所以原始加工的材料必须经过热处理提高其性能。工业机器人热处理可以实现热处理生产过程的自动化，保证热处理工艺产品的一致性和稳定性。在热处理中的应用，促使热处理工业机器人设备向高效、低成本、柔性化和智能化的方向发展。此外，热处理工业机器人可以有效地改善工人的劳动条件，提高产品质量和劳动生产率。2

装配装配是将生产的零部件按照规定的图纸技术组装起来，经过调试、检验使之成为最终使用产品的过程。航空航天的装配包括部装和总装两个环节，部装主要完成舱体口盖的修配、托板螺母及支架铆接、钻孔等，总装主要完成成件的安装以及总装测试。工业机器人的应用，可以提高航天装备装配效率，缩短航天装备生产周期，保证装备配质量一致性，对多机器人协作、机器人手眼视觉、机器人自动导航等，为航天装备柔性化只能生产车间建设打下了技术基础。2

技术要求就精度而言，机器人技术在传统上一直依赖系统的重复性水平。在过去，机器人的精度一直没有达到标准生产工艺可接受的成熟水平。在航空航天制造领域，诸如紧固和钻孔等关键加工技术长期以来没有严格的公差控制。然而，随着机器人在这一领域的运用，客户对高精度加工的需求不断增长。

高精度在制造过程中，拥有更高精度和高重复性的机器人可确保制造出更为精密的零件，即使对制造过程有所调整，也能够获得可预测的结果。高精度机器人正在成为航空航天制造领域的新宠，它们的身影出现在多种工艺流程中，例如钻孔、紧固、去毛刺和修整，以及无损检测、喷涂和合材料叠层处理等。提高制造过程中的机器人精度可确保零件更换过程更为顺畅，不会中断生产过程，还可以提高精度，因此可获得更高的成本效益。3

高重复性可重复的机器人加工路径和工具运用方式意味着可节约关键材料的成本。另外一个好处是，机器人加工过程的固有重复性有助于提高可预测性和工艺参数的控制水平，这有利于更轻松识别和优化影响工件质量的工艺参数。此外，机器人能够以极高的速度执行复杂或重复的加工过程。

近年来，近年来，制造商往往要求针对那些需频繁维护和更换的高磨损零件实现无缝替换；如果加工或装配的替换零件完全合乎所需精度等规格，就能免除进一步的修整、去毛刺或其他调整。降低紧固件公差不仅可提高装配精度，也有利于减小紧固件的体积和重量，从而降低整体结构的重量。精确加工或装配的零件将不再需要进行这些不必要的调整，从而实现可预测的、及时的零件更换计划，降低成本并缩短停机时间，同时也不会中断生产过程。3

发展趋势当前，航空航天领域产品制造仍然处在一个劳动密集、工序繁复、环境恶劣等阶段。生产的产品精度和生产能力的不足，极大阻碍着航空航天制造领域的发展。工业机器人因其生产过程中产品的一致性好、可靠性高和适用性强等优点，已经广泛应用汽车、机械加工行业、物流、航空航天制造领域等多个行业，并且日趋成熟。它不仅有效的提高了产品质量和生产效率，节约了人工劳动力以及生产制造的成本，而是更加增强了航空航天领域企业的生产柔性和竞争力。由于航空航天领域科技的飞速发展，带来了航空航天制造企业的不断增多，进而应用工业机器人的情况越来越多，技术发展也越来越高。

我国工业机器人技术及产品不断在航空部件装配、航天产品生产线以及卫星系列产品生产研制中逐渐得到了广泛应用和推广，但是与国外技术发展相比仍存在着较大的差距，尤其是美国、德国、加拿大、日本等国家已在航空制造领域工业机器人系统方面投入巨大经费，获得了良好效果。目前，航空航天领域工业机器人正朝着多样化方向发展，移动式工业机器人、多臂协同工业机器人、末端伺服工业机器人、灵巧关节工业机器人等将是工业机器人发展的主要产品。同时对于一些新型材料、高精加工、复杂装配等方面的生产，需要不断对工业机器人应用技术提出要求和改进，需要航空航天制造企业和工业机器人研发机构等根据生产要求开展技术研究和突破，进而实现工业机器人技术在航空航天制造领域不断应用与创新。2