本文摘要：摘要：機器人型裝備具有自動化程度高、運動靈活性好、定位精度高以及生產布置柔性等諸多優勢，在航空產品裝配工藝環節具有廣泛應用。從大型部件自動化對接、機器人裝配理論、人機協作互動裝配、柔性自適應工裝夾具、人工智能輔助裝配以及自動引導車等方面，綜述了機器
摘要：機器人型裝備具有自動化程度高、運動靈活性好、定位精度高以及生產布置柔性等諸多優勢，在航空產品裝配工藝環節具有廣泛應用。從大型部件自動化對接、機器人裝配理論、人機協作互動裝配、柔性自適應工裝夾具、人工智能輔助裝配以及自動引導車等方面，綜述了機器人型裝備在航空產品自動化裝配環節的應用現狀。在此基礎上，詳細分析了機構構型在對接裝配類裝備中的演進歷程與發展趨勢，并從應用場景、技術成熟度以及裝備性能等方面系統地比較了國內外航空工業在自動化裝配領域的技術差距。最后，概括總結了航空裝配中機器人型裝備的技術挑戰、發展趨勢以及與工業4.0、智能制造等新興技術相融合的發展機遇。
關鍵詞：航空工業;裝配自動化;機器人型裝備;人機協作;人工智能
航空工業的發展水平是衡量一個國家科學技術、工業發展和綜合國力的重要標志。航空產品裝配具有結構形式復雜，組成零件種類多、數量大以及作業任務繁復等特點，以大型客機為例，其部件裝配工作量占整個產品制造周期0%以上1]。
因此，裝配技術的先進性很大程度上決定了航空產品的制造成本、生產周期和最終質量，是一個國家航空工業發展水平的核心指標。由于零件形狀復雜、大小各異，裝配作業任務需求迥異且工作空間狹小(特別是機身內部封閉環境)，難以采用通用工裝設備對不同類型零件實現高效自動化裝配。因此，航空產品零部件裝配目前仍以工人手動作業為主，導致裝配精度低、生產效率慢以及質量一致性差等諸多問題，成為制約航空工業發展的重要技術瓶頸。
航空論文范例： 樞紐航空公司機隊與航線網絡的聯合規劃方法
機器人型裝備具有自動化程度高、運動靈活性好、定位精度高以及生產布置柔性可重構等諸多優點，而且可以與大行程龍門行車、移動GVutomatedGuidedVehicle作業平臺等相互配合，實現大范圍、高精度、高柔性和自適應裝配作業。因此，機器人型裝備成為提高航空工業零部件裝配自動化水平和柔性化程度的重要途徑，也是當前國際機器人機構學領域的研究熱點。
本文從大部件自動化對接、人機協作裝配與人工智能輔助作業等方面，綜述了機器人型裝備應用于航空裝配的研究現狀，分析了裝備構型的演進歷程，發展趨勢和國內外航空工業在零部件自動化裝配領域的技術差距，系統概括了機器人型裝備開發和研制的技術挑戰，以及與工業4.0、智能制造等新興技術相融合的發展機遇。
1大部件自動對接裝備
1.1國外研究和應用現狀
20世紀80年代開始，為了提高大型客機的生產效率，國外航空工業大力發展飛機機身、機翼等大型部件的自動化對接裝配技術。發展至今，在波音公司和空中客車公司等國外主流航空制造企業中，基于柔性調姿裝備的大型部件自動化對接裝配技術已完全取代傳統的利用專用剛性工裝進行定位的對接方式，集成了高精度激光測量、自動化調姿匹配和柔性化伺服定位等先進技術，大部件自動對接技術大大提高了航空產品制造的對接精度和裝配效率。
自動化對接技術發展初期，以空中客車公司和波音公司為代表的國外先進航空制造企業著力推動了數字化裝配技術，發展了一套由激光測量單元、伺服定位機構、最優匹配算法以及自動控制軟件等組成的大部件自動對接裝配系統，并成功應用于大型客機的機身、機翼等大型部段的對接裝配。20世紀80年代末，美國先進集成技術公司(AdvancedIntegrationTechnology，AIT)研制了一套用于飛機大部段裝配的自動對接平臺，其定位機構為由機械傳動裝置和控制系統組成的一套自動化千斤頂。
其中，每臺定位器可實現沿X、Y、Z三個方向的精確伺服運動，同時通過多臺定位器之間的協調運動，即可按預定規劃方式實現飛機大部段的整體調姿定位。此套自動化對接裝配系統已被波音公司所采納，并成功應用于787機型的總段對接裝配中[2]。此后，波音公司將數字化大部件自動對接技術作為其降低飛機制造成本、提高裝配質量和生產效率的主要戰略措施。
利用此項技術對波音737800等一系列機型的裝配流程進行了大幅度改進，并利用室內iGPS、激光跟蹤儀等大場景、高精度數字化測量技術輔助完成了飛機部件直接對接，實現了大型客機機身、機翼全數字化對接裝配的驗證。 同時，歐洲空中客車公司在大型客機自動化對接裝配技術研究方面緊隨其后[6-9]。空中客車公司首先在其A340機型上采用柔性自動化對接平臺取代了大型專用對接工裝，此套柔性對接系統能夠適應不同尺寸的機身、機翼結構，體現了定位工裝的通用性，從而大幅減少了用于飛機大部段對接裝配的工裝類型和數目，也縮減了工裝準備時間。
上述大型客機的大部段自動化對接系統采用多個定位器共同支撐的整體托架形式，此類托架結構往往采用具備保形功能的剛性固定托架與機體相連，從而增加了定位器與飛機部件之間的接觸面積，減小了對接部位的接觸壓強，避免大部件由于集中受力而導致的結構變形。因此，此類托架式對接系統特別適用于結構尺寸大、部件質量重的大型寬體客機的大部段自動化對接裝配。然而，由于采用整體式托架與機體相連，此類自動對接系統存在占地面積大，結構形式復雜，且通用性較差等問題。
針對上述不足，德國道尼爾公司在其小型支線客機728機型的翼身裝配中，采用了分布式定位工裝，采用多個定位器分布放置、獨立相連的方式實現了機身、機翼等部段的柔性調姿定位。分布式定位器采用向上支撐的柱式結構，每臺定位器可實現三個方向上精確伺服運動，通過多臺定位器之間協調運動可實現大部件姿態的精確調整。
此類分布式自動對接工裝直接與機體相連，具有結構簡單緊湊、占地面積小以及布置靈活等諸多優勢。然而，每個定位器獨立支撐機體部件也導致接觸面積小，在對接裝配過程中往往需要考慮定位器對部件的作用力，以免造成部件的接觸變形與損傷。因此，此類分布式系統往往適用于中小型客機型號的機身、機翼部件的柔性自動化對接裝配。
隨著數字化對接技術在航空工業成熟應用，大部件自動對接裝備與系統在航天領域也逐漸得到應用。美國太空探索公司(SpaceX)采用托架式調姿架車輔助獵鷹運載火箭燃料貯箱的自動化對接裝配[1。展示了獵鷹號運載火箭的筒段對接裝配現場，各子級均置于托架式調姿架車上，由多臺激光跟蹤儀測量各個部段相對位姿，利用調姿架車的全向位姿調節功能，實現筒段姿態的伺服閉環控制和精確調整，并通過測量匹配調姿的過程反復迭代，直至對接精度符合裝配工藝要求。采用上述柔性自動化對接系統極大地提高了運載火箭的裝配效率和各子級之間的對接精度，也為可回收利用火箭的高效檢修與重復裝配提供了裝備支撐。
1.2國內研究和應用現狀
中國航空工業對于大部件自動對接技術研究起步較晚，由于前期技術基礎較為薄弱以及投入資金不足，導致在大部件自動化對接技術方面與國外先進企業相比仍然存在較大差距。很長一段時間內，飛機裝配仍然以傳統專用剛性工裝為主，且缺乏精密測量設備，調姿匹配主要依賴工人經驗，從而導致裝配精度低，調姿周期長，嚴重影響了裝配質量和效率，導致航空產品制造質量不穩定、一致性差等諸多問題。
近年來，中國航空工業相關企業在引進、消化和吸收國外先進技術的基礎上，通過與國內知名高校和科研院所深入合作，在航空大部件自動對接裝配領域取得了長足進步，研制了適用于不同應用場景的自動化調姿裝備和對接控制系統。浙江大學郭志敏團隊[18-20]深入研究了基于三坐標POGO柱的航空部件對接調姿技術與系統。單臺POGO柱具備三個方向上的精密伺服運動，通過多個POGO柱之間的協調運動與同步控制，可實現航空大部件位置和姿態的精密調整，同時配合激光跟蹤儀對部段靶標進行實時測量和運動反饋控制，實現了航空大部段的自動化對接裝配。
此套自動對接裝備與控制系統已成功應用于中國多型軍機的關鍵裝配環節。與此同時，沈陽飛機工業集團、西安飛機工業集團等中國重點航空企業在與高校和科研院所的通力合作下，也已建成或正在建設航空大部件柔性自動化對接系統[21]，顯著提升了中國航空工業的裝備自動化水平。
沈陽飛機工業集團與北京航空航天大學合作，設計了飛機機身部段的柔性自動化裝配工裝，并建立了基于激光跟蹤儀測量反饋的數字化定位技術，實現了機身部件的數字化柔性裝配。在此基礎上，沈陽飛機工業集團與大連四達公司聯合研制了相應的航空大部件柔性自動對接裝配平臺系統。
該系統也采用三坐標POGO柱實現飛機部段的調姿定位，整個裝配工位分為頭段、中段、尾段三部分，平行布置于航向導軌上，可實現沿方向的大范圍移動與、方向的小范圍調整。通過調節導軌間距和托架形式，可適應不同機型的裝配要求。通過結合iGPS定位系統和激光跟蹤儀，該對接平臺可實現飛機部件的六自由度精確調姿，與傳統剛性工裝相比，裝配效率提高50%以上。
上海交通大學在傳統塔式定位器的基礎上，借助并聯機構結構剛度大、定位精度高以及運動控制簡單等優勢，開發了新型六自由度并聯構型的自動對接平臺。在此基礎上，開發了高效并聯機構運動精度標定方法，研制了集測量標定匹配調姿于一體的自動對接系統，實現了航空大部件的六自由度高效、精確定位，拓展了大部件自動化對接裝備開發的新思路。此外，上海交通大學與天津長征火箭制造公司合作，在航空大部件自動化對接技術基礎上，聯合研制了大型運載火箭貯箱部段的自動化對接裝備與成套控制系統。
與飛機部件裝配有所不同，該套系統采用具有冗余驅動能力的定位架車實現火箭部段的姿態調節，具備更好的載荷承載能力、運動靈活性和剛度、精度性能。通過主、被動架車的協調運動，可實現火箭部段空間六自由度位置和姿態的高精度調節。上述系統已成功應用于中國長征五號運載火箭的部段級自動化對接裝配，大幅提升了中國運載火箭總裝環節的對接精度和裝配效率。
1.3小結
從國內外研究與應用現狀來看，航空大部件對接裝配技術已邁入自動化時代，逐漸形成了集“測量匹配調姿”于一體的自動化對接裝備與成套控制系統。其中，整體托架式和分布支撐式工裝分別適用于大型和中小型飛機的自動化對接裝配技術。雖然在對接裝配系統的成熟度和系列化方面國內航空工業與國外先進企業還存在一定的技術差距，特別是在測量設備、伺服控制系統等核心單元技術方面，但是在自動對接技術的應用程度和系統迭代改進速度等方面正在穩步發展，逐漸縮小與國外的差距。
2機器人裝配理論
隨著中國航空事業不斷發展，對飛機的可靠性、耐用性的要求不斷提高。航空零部件的制造質量對飛機的壽命和性具有重要影響。飛機裝配是制造過程中的重要環節，具有精度要求高，工序復雜度高等特點。在現有航空零部件設計和零件加工情況下，精度高，可靠性強，一致性好的裝配對飛機的性能質量有顯著提升。以工業機器人為載體進行自動化裝配是航空制造業的重要發展趨勢。
3人機協作技術應用于航空裝配
人機協作是指人與機器人在共享工作空間中協同作業，共同完成操作任務，從而達到減輕勞動強度，提高生產效率的目的。不同于傳統操作人員單向控制機器人，人機協作過程中機器設備會反饋載荷、位置和力覺等相關信息，再根據操作人員的判斷決策指導機器人操作，從而實現人與機器人的交互作業。人機協作技術充分發揮了機器人與操作人員各自優勢，在保證作業精度和效率的前提下，可以進一步提升操作安全性，避免意外事故發生，因此在航空零部件裝配作業中具有廣泛的應用。
4人工智能輔助技術航空裝配
4.1人工智能輔助裝配技術簡介
大型客機等航空產品在裝配過程中各類零部件的裝配位置和連接形式復雜多樣，手工操作仍是其零部件裝配的主要形式。然而，由于航空裝配的工作環境緊湊和操作要求精密，手工裝配往往受到各種限制。為了提高手工裝配的效率，基于人工智能的輔助裝配技術在航空裝配中發揮了重要作用。智能輔助裝配技術采用自動化、程序化硬件系統，借助虛擬增強現實、數字孿生等手段，以可視化方式協助完成復雜多樣裝配工藝。根據系統組成、操作方式和適用環境的不同，人工智能輔助裝配技術大體上可分為以下兩類：
1)現實環境下的輔助裝配系統
在此類輔助裝配系統中，裝配過程在真實作業環境中進行，操作人員可以借助測量設備和智能系統的分析結果直接或者操作設備來完成零部件的人工裝配。該類智能輔助系統需要借助激光、視覺等傳感器來實時獲取裝配現場數據，利用圖像識別等人工智能算法對裝配信息進行分析判斷，通過參考后臺工藝規范數據庫，對后續裝配作業過程進行輔助決策，并利用終端面板、輔助投影以及AR眼鏡等手段以圖形化界面方式與操作人員進行交互，有效地提高了裝配準確程度和作業效率。
2)虛擬場景中的輔助裝配系統
與現實環境操作不同，此類輔助裝配系統中，操作人員在虛擬增強混合現實場景中操作虛擬設備，與裝配對象不直接交互。按照限制條件，虛擬場景輔助裝配技術可進一步細分為基于操作約束和基于物理特性兩類�；诓僮骷s束的裝配根據零件的最終安裝位置和零件幾何特征約束來確定最終裝配位置和規劃方向，適用于精確零件定位。而基于物理特性的虛擬裝配則主要考慮現實世界的物理特性、摩擦力和接觸力，適用于在干涉和碰撞等情況下進行軌跡的模擬仿真。
除了在作業過程中直接進行裝配工藝指導，人工智能輔助裝配系統通常還備有作業記錄、質量評估以及工藝優化等功能，為后續的功能擴展和推廣應用提供了巨大空間。隨著人工智能技術的不斷發展，智能輔助裝配系統也被越來越廣泛地應用在飛機等航空產品的裝配過程中。
5航空裝配領域裝備機構構型發展趨勢
5.1工業機器人
工業機器人由于其出色的定位精度、結構剛度和操作靈巧性，在航空部件自動化裝配領域的應用最為廣泛。目前國際工業機器人行業四大主流品牌，包括ABB，發那科、庫卡和安川等都已經在航空裝配領域得到實際應用。美國Electroimpact公司采用發那科機器人為波音公司研制了一套戰斗機自動制孔系統，定位精度可達±.5mm64。
Premium公司在空客350機型碳纖維增強復合材料制造過程中，采用兩臺工業機器人協同作業完成18長桁的粘貼任務，周向公差滿足±0.3mm的裝配工藝要求。發那科公司采用iRVision視覺引導技術構建了一套高精度自動裝配系統。通過測量數據修正降低了末端執行器的振動，提高了該套系統在不同場景下的適用性65。特別地，庫卡大載荷工業機器人臂在大型零部件裝備中得到了廣泛應用。
6航空裝配中的特殊工裝夾具
在航空產品制造過程中，裝配工藝環節工作量巨大，約占總體制造過程時間一半。航空大部件裝配，如機身部段、發動機和機翼等，具有載荷重、體積大、種類多以及精度要求高等特點。因此，這些零部件的拼裝對接需要使用特殊專用工裝夾具來支撐和固定，以保證在不發生變形或損壞的前提下達到裝配精度要求。傳統工裝夾具只針對單一產品，生產準備周期長、成本高，而且自動化程度較低，因此亟需針對地開發適用于航空裝配的特殊專用工裝。
6.1自適應柔性曲面夾具
自適應柔性曲面工裝夾具這一概念是基于產品數字尺寸協調體系的模塊化、可重組自動裝配工裝技術。其目的是免除設計和制造各種用于零部裝配的專用固定夾具，可降低工裝制造成本、縮短工裝準備時間、減少生產占用空間，并且能夠大幅度提高裝配生產率。目前應用較為廣泛的主要是多點陣吸盤柔性工裝夾具。西班牙TORRES公司開發了用于飛機薄板蒙皮加工的柔性工裝系統Torresmill[75]。
該工裝系統采用多點陣列吸盤方式夾持和支撐壁板類零件，具有較好地生產柔性和定位精度，能夠適應不同外形壁板曲面要求。類似地，美國NA公司研制了基于POGO單元曲面自適應柔性支撐工裝，該工裝能夠夾持金屬或者復合材料薄板零件，在薄板類零件的生產加工中，降低了工裝夾具的成本和制造周期。
7AGV在航空裝配領域的應用發展
自動導引運輸車是一種按照預先設定路徑或者根據任務命令實時進行自動行駛的搬運設備，具有運動靈活性好、工作效率高以及安全可靠等諸多優點。航空裝配部件具有尺寸大、精度高、種類多和工序復雜等特點，而傳統機器人需要安裝于固定位置，難以滿足飛機裝配要求，因此GV正成為提高航空裝配自動化水平的重要技術。
8結論
在航空裝配中，自動化技術取代傳統人工作業模式已成為趨勢，因此機器人型裝備在航空自動化裝配中展現了巨大優勢。從航空裝配中的大部件自動對接技術、機器人裝配理論、人機協作裝配以及人工智能輔助裝配等方面回顧了國內外發展現狀。
雖然中國在航空自動化裝配技術方面起步較晚，但近年來，隨著國家戰略層面重視和相關行業重點企業與科研院所等深入合作，在某些領域已實現了相關技術的完全自主可控，很多方面雖然仍存在差距，但正逐步縮小。并以自動對接機構、柔性自適應工裝以及GV等關鍵技術為對象，探討了機器人型裝備于推動航空裝配領域發展的重要作業以及廣闊應用前景。因此，可以說在未來航空裝配領域，機器人型裝備自主創新是提高中國航空自動化裝配的必經之路。
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作者：王皓1,2,*，陳根良1,2
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