工业机器人技术在航空制造业的应用与发展

随着飞机结构设计复杂度的不断提高以及数字化装配技术的难度不断加大，越来越多的装配工作或其他依赖人工的复杂制造工序已经无法再通过传统方式完成。随着集成制造技术的发展，工业机器人技术开始受到航空制造业越来越多的重视和运用。

1.工业机器人技术的发展

工业智能机器人是一种能够自动定位、控制，能够搬运物料、零部件或搬运工具的作业机械，而且这种机电设备正向智能化方向发展，融入到目前的飞机数字化柔性装配技术体系中，能够适应各种复杂装配环节的工作，能够更加快速、准确地进行运动和操作。

自20世纪60年代初世界上第一台机器人在美国问世以来飞行器数字化装配技术，全球销售额的33%属于机器人自动化系统及相关服务，涉及约225家公司，其年营业额超过130亿欧元，并以每年1%的速度增长。

我国从20世纪80年代开始对机器人进行研究开发，但尚未形成自主研制的完整的实用技术体系。特别是在航空领域，尚无针对飞机装配特定环节的专用机器人/机械臂。我国航空公司使用的机器人系统大部分从国外购买，国内尚无该方面的自主研发设备和技术。另外，由于航空工业对高精度、高效率、低成本的要求，系统技术在航空专用制造领域尚未得到充分运用：在多自由度专用机械臂技术研究中，我国起步较晚，存在质量和性能上的不足，研究品种比较单调，实用性和专用价值不高。未来国际工程实用工业机器人系统的发展将主要包括以下四个方面：

（1）优化结构设计：结构更加灵活，采用新型高强度轻质材料，进一步提高其载重自重比，同时机构进一步向模块化、可重构方向发展。

（2）直接控制、多传感器融合、远程控制和监控技术的实际应用。

（3）智能化、并行机器人技术发展，多智能体协调控制技术应用，实现多机械手、机器人、人与机器之间的协同工作。

（4）开发面向高技术、高精尖工业领域的专用机械臂或机器人系统。

2 工业机器人技术在飞机装配中的重要价值

传统工业机器人在汽车工业中得到广泛应用，其特点是灵巧性好、柔性好、机动性好、环境适应性强、生产效率高、成本低、维护方便、精度有限、负载能力弱，但精度、刚性、负载不足长期制约其在飞机装配中的应用。但随着数字化技术和机器人技术的发展，机器人已发展成为智能装备，具有自主性、智能性、机动性、可操作性的智能机器人应运而生。智能机器人技术可以满足飞机装配的需要，作为一种灵巧、高柔性、低成本的自动化设备，可以克服传统数控机床的不足，融入飞机自动化柔性装配系统，能适应各种复杂装配环节的工作，能更快速、准确地进行移动、定位、调整和操作（如制孔、测量、铆接、安装、涂胶、焊接等）。目前，智能机器人在国外飞机制造，特别是在装配领域的应用正在不断扩大。

智能工业机器人技术在国产飞机制造特别是飞机装配中的应用，具有以下六大战略意义和价值：

（1）提高飞机制造自动化、数字化、柔性化水平，克服手工装配的局限性，实现新一代飞机结构长寿命、高可靠性、装配质量稳定性的要求，满足飞机设计性能技术指标；

（2）应用基于机器人的自动化装配系统，可以提高飞机装配的生产效率和产能，满足批量生产要求，实现飞机产品的准时供应，增强市场竞争力；

（3）立足自主创新，突破和掌握自动化装配系统关键技术，打破国外技术封锁，形成具有自主知识产权的内部自动化装配技术体系，提高国内航空工业的国际竞争力：

（4）掌握自动化装配技术关键技术，为国际合作、技术/装备的引进、消化提供技术基础和保障，发挥主动作用；

（5）为国产自动化装配系统发展奠定基础，节省引进成本；

（六）推动国内机器人、数字化技术、自动化装备制造等相关产业发展，提升国内技术水平，辐射带动相关产业高新技术发展。

由于机器人的优势和特点，其经济价值体现在以下11个方面：

（1）节省场地费用；

（2）节省固定资产投资；

（3）机动性好，灵活方便，免除重复投资；

（4）生产准备时间短；

（5）更换不同的执行机构，实现多种用途：

（6）维护成本低；

（7）投资回报快，制造周期短；

（8）投资回报率高；

（9）安装调试时间短，生产启动快；

（10）可重构性好，适合飞机多品种、小批量生产；

（11）可在恶劣的环境下工作，大大减少对人体的伤害，从而减少企业的劳保费用。

3 智能工业机器人在飞机装配领域的主要应用技术案例

飞机装配中的主要工作环节可分为板级装配、半壳体装配、段及舱段装配、舱段对接装配和翼身对接装配五个部分。由于机器人可以携带一定数量、不同功能的梁端执行器进行作业，该部分的许多工作内容已经或将借助智能机器人技术实现数字化装配。具体来说，包括以下8种主要技术。

3.1 自动切割

切割机器人可以满足零件切割的高精度要求，完成高质量的工作，包括火焰切割、等离子切割、激光切割等。此外，它还可以实现飞机壁板的自动修整。飞机壁板在加工成型时总会留有一定的余量，在组装前要按照特定的配合关系进行修整。利用工业智能机器人可以更高效、方便、准确地完成部件的修整，如图1所示。它取代了传统的人工修整或笨重的修整机。

1机器人修整铝合金零件

3.2 机器人自动制孔及连接技术

在装配过程中，部件、零件的装配需要大量的打孔、铆接等连接工作。先进的飞机装配技术经历了革命性的发展和创新，机器人实现了自动完成钻孔、铆接、焊接等工作，并逐渐应用于飞机装配中。大型飞机壁面上数以万计的紧固件的孔和铆钉，人工钻孔、铆接是非常费时费力的。但利用机器人带动钻铆末端执行器或爬行机器人就可以轻松实现，效率是人工的6-10倍。

现代飞机大量使用复合材料、钛合金等难加工材料，大型飞机对大尺寸孔的制备精度要求更高，因此，自动化制孔技术被广泛应用，以满足结构的长寿命、隐身、互换性等要求。如图2、图3所示，机器人自动制孔系统可用于壁板、机翼、舱段及大型构件的对接。

2串联机器人钻孔

3.并联机器人钻孔

自动化连接按方式分为机械连接、焊接和腔体连接三种。图4为机器人在发动机短舱上完成焊接工作。按连接对象可分为部件连接、零件装配和对接装配。对于机器人来说，只需要更换一组末端执行器，稍加修改工作动作指令程序，就可以轻松实现多种连接工作。

4 机器人机舱的焊接工作

3.3 测量辅助机器人数字化装配定位