制造領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人技術(shù)分析
時(shí)間：2016-04-29作者：蘇州通錦精密工業(yè)有限公司瀏覽：133
1 移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人
汽車、電子、食品等行業(yè)廣泛應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人通常是面向中小規(guī)格產(chǎn)品制造，在航空、船舶以及風(fēng)機(jī)等大尺度產(chǎn)品制造過程中將面臨巨大的挑戰(zhàn)。如果按比例放大工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，其制造和控制成本將非常昂貴。另外，航空航天大尺度產(chǎn)品在制造過程中通常不便移動(dòng)，采用專用、固定基座工業(yè)機(jī)器人的解決方案并不經(jīng)濟(jì)，因此，移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人成為新途徑。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人相比，同一臺(tái)移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人可以在多個(gè)不同的位置上完成同樣的作業(yè)任務(wù)，所需的編程時(shí)間較短，能夠提高機(jī)器人的工作效率和柔性。
面向大尺度產(chǎn)品制造的移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人的一種典型配置是將工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)安裝在移動(dòng)導(dǎo)軌上。根據(jù)安裝位置的不同，該結(jié)構(gòu)又可分為龍門式。
工業(yè)機(jī)器人的精度是由地面參考系到末端執(zhí)行器之間所有關(guān)節(jié)和連桿誤差的積累所決定的。軌道式配置構(gòu)造通常會(huì)受到工作載荷以及結(jié)構(gòu)受力等原因的困擾，造成結(jié)構(gòu)變形并進(jìn)一步影響加工精度。軌道變形具有隨機(jī)性，給位置精度補(bǔ)償也造成很大的困難。此外，軌道結(jié)構(gòu)會(huì)占用較大的工作空間和地面，增加了廠房投入和維護(hù)成本。
移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人的另一種典型配置是在輪或履帶移動(dòng)平臺(tái)上安裝工業(yè)機(jī)器人，從而達(dá)到圍繞零件移動(dòng)制造的目的。這種方案提高了裝備柔性，特別是解決了航空航天大尺度產(chǎn)品不易搬運(yùn)移動(dòng)的問題。與氣墊式、導(dǎo)軌式移動(dòng)平臺(tái)相比，對(duì)廠房基建、氣源供應(yīng)無嚴(yán)格要求，可節(jié)省外部設(shè)備的投入和維護(hù)費(fèi)用。輪或履帶式移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人加工誤差的解決途徑是利用大尺度位置測(cè)量系統(tǒng)提供的非接觸位置數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償機(jī)器人末端執(zhí)行器與加工零件之間的誤差，從而提高加工精度。美國(guó)西南研究院(Southwest Research Institute，SwRI)面向商用或*飛機(jī)噴涂任務(wù)，采用Vetex公司的麥卡納姆輪全向移動(dòng)平臺(tái)、莫托曼工業(yè)機(jī)器人以及尼康的iGPS系統(tǒng)構(gòu)造了移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)MR ROAM 2，其末端精度能夠達(dá)到0.5英寸(1英寸=25.4mm)，可以滿足目前噴涂應(yīng)用要求。如果采用慣性傳感器，其精度有望達(dá)到1mm甚至更高。奧地利航空公司采用KUKA公司的全向移動(dòng)omniMove系統(tǒng)更換空中客車飛機(jī)引擎，其操作時(shí)間從16h減少到5h，移動(dòng)精度可達(dá)毫米級(jí)。卡耐基梅隆大學(xué)國(guó)家機(jī)器人工程中心(NREC)、CTC公司以及空軍研究實(shí)驗(yàn)室采用移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人構(gòu)成軍機(jī)表面涂層激光剝離系統(tǒng)(圖)。該系統(tǒng)根據(jù)機(jī)型大小對(duì)機(jī)器人進(jìn)行靈活編組，不僅代替了傳統(tǒng)的機(jī)械摩擦或化學(xué)腐蝕去除法，避免了有害廢料和空氣污染，還降低了工作量和處理時(shí)間。我國(guó)采用可移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)配以激光跟蹤儀實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星艙板的自動(dòng)和半自動(dòng)模式輔助對(duì)接裝配，解決了艙板翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與艙板停放機(jī)構(gòu)的分離以及多自由度自動(dòng)調(diào)節(jié)和聯(lián)動(dòng)，減少了專用支架車的數(shù)量和維護(hù)成本，滿足了多工位、多時(shí)段的多個(gè)衛(wèi)星裝配使用要求。
移動(dòng)式工業(yè)機(jī)器人在航空航天領(lǐng)域潛在的應(yīng)用還包括大部件裝配，噴涂、噴砂、無損檢測(cè)等表面處理，焊接鉚接，核、生物、化工等環(huán)境的表面清潔以及快速原型制造等。
2 多臂協(xié)同工業(yè)機(jī)器人
盡管單臂工業(yè)機(jī)器人在自動(dòng)化制造中具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其在空間分布性、功能分布性、任務(wù)并行性以及作業(yè)容錯(cuò)性等方面存在局限性，特別是在航空領(lǐng)域大尺度部件制造與裝配中其靈活性、可靠性、抗振性和負(fù)載能力等方面的局限性尤為**，因此，80年代以來多臂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)引起了廣泛重視。
多臂工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)通常被分為松耦合型和緊耦合型[5]。松耦合型多見于汽車制造等自動(dòng)化裝配，每個(gè)工業(yè)機(jī)器人有獨(dú)立的作業(yè)對(duì)象并且不形成整體的閉鏈結(jié)構(gòu);緊耦合型系統(tǒng)各機(jī)器人與作業(yè)對(duì)象直接接觸并形成相互作用力，進(jìn)而構(gòu)成存在內(nèi)力作用的閉鏈機(jī)構(gòu)。采用緊耦合型多工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，能夠有效抑制振動(dòng)、減少變形、替代專用工裝夾具，可用作大型、重載、薄壁、細(xì)軟等易變形部件的搬運(yùn)、調(diào)姿、對(duì)接、裝配等任務(wù)。
雙臂機(jī)器人是多臂協(xié)同機(jī)器人中應(yīng)用較為廣泛的一類，通常模仿人的雙臂結(jié)構(gòu)和交互行為，能夠在較小的工作空間完成靈巧裝配與檢測(cè)任務(wù)，可代替人在有害、易燃、易爆化工產(chǎn)品制備，高潔凈度、高真空度電子產(chǎn)品裝配等環(huán)境中作業(yè)(圖)。面向航空制造領(lǐng)域的雙臂協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)需要具備兩類功能。一類是遙操作功能，能夠根據(jù)操作者的動(dòng)作指令遠(yuǎn)程控制機(jī)器人精確、平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)作業(yè);另一類是根據(jù)機(jī)器人左右臂手交互的力覺感知和任務(wù)流程指令自主完成裝配、檢測(cè)任務(wù)。前者強(qiáng)調(diào)動(dòng)作跟隨的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，后者強(qiáng)調(diào)動(dòng)作的柔順性和協(xié)調(diào)性。
兩個(gè)以上工業(yè)機(jī)器人的協(xié)同控制問題要比雙臂機(jī)器人系統(tǒng)更加復(fù)雜，在應(yīng)用上目前還不如雙臂協(xié)同機(jī)器人廣泛。不過其面向更復(fù)雜操作的能力正逐漸受到研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。日本研究人員采用5個(gè)配備力學(xué)和視覺傳感器的工業(yè)機(jī)器人開發(fā)了可以彎折和捆扎線纜的多臂機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于航空產(chǎn)品的自動(dòng)化布線生產(chǎn)。日本東北大學(xué)、韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)機(jī)械與航空航天學(xué)院圍繞多移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)開展研究，實(shí)現(xiàn)了能夠與人互動(dòng)的協(xié)同作業(yè)能力，可對(duì)同一部件進(jìn)行搬運(yùn)和調(diào)姿操作。
此外，多臂協(xié)同工業(yè)機(jī)器人還可用于航空復(fù)合材料的自動(dòng)鋪放生產(chǎn)，與人工作業(yè)相比，雙臂自動(dòng)鋪放系統(tǒng)可節(jié)約材料75%，部件重量比金屬減重20%。在NASA的敏捷機(jī)械手測(cè)試(DMT)設(shè)備以及阿爾貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的CP-5重水反應(yīng)堆中均用到了液壓驅(qū)動(dòng)的大型雙臂工業(yè)機(jī)器人。通過采用多臂協(xié)同技術(shù)，使得航空大尺度產(chǎn)品制造可以采用常規(guī)工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，從而降低制造、裝配單元的成本和周期，并具有柔性。因此，近年來該技術(shù)受到國(guó)際眾多科研機(jī)構(gòu)的高度重視，國(guó)際**機(jī)器人制造商ABB、KUKA、YASKAWA等也為此紛紛開展相關(guān)裝備的研制。
3 末端伺服工業(yè)機(jī)器人
航空航天產(chǎn)品制造、裝配過程中較至關(guān)重要的就是產(chǎn)品加工精度，特別是大尺度部件制造的**定位精度和路徑精度。目前工業(yè)機(jī)器人的重復(fù)定位精度較高而**定位精度較低，無法滿足飛機(jī)數(shù)字化裝配中**定位精度低于0.5 mm的要求[6]。工業(yè)機(jī)器人通常采用開鏈?zhǔn)酱?lián)關(guān)節(jié)構(gòu)型，由于受到負(fù)載、重力、環(huán)境溫度、機(jī)器人本身的制造精度、插補(bǔ)算法以及加工過程中的振顫等因素影響，末端執(zhí)行器相對(duì)于固定基座坐標(biāo)系的多個(gè)連桿均會(huì)產(chǎn)生誤差積累，而且零部件、工裝夾具與機(jī)器人基座間因加工受力變形也會(huì)產(chǎn)生誤差。通過提高關(guān)節(jié)定位精度和減小連桿變形的方法在改善末端定位精度方面的作用非常有限。因此工業(yè)機(jī)器人需要通過精確引導(dǎo)末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的伺服控制。國(guó)內(nèi)外目前引導(dǎo)機(jī)器人末端執(zhí)行器定位的方式主要有3種：
(1)采用光學(xué)測(cè)量?jī)x器，如激光跟蹤儀，iGPS;
(2)采用立體視覺測(cè)量系統(tǒng)，如雙目或多目視覺;
(3)采用力覺檢測(cè)系統(tǒng)，如加速度計(jì)等。
Premium航空技術(shù)公司在A350飛機(jī)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料機(jī)身制造過程中，采用激光跟蹤儀引導(dǎo)兩臺(tái)工業(yè)機(jī)器人協(xié)同完成桁條粘貼任務(wù)，其18m長(zhǎng)桁條的周向公差可達(dá)±0.3 mm。FANUC America公司采用集成多攝像頭、可遠(yuǎn)程定位的iRVision視覺引導(dǎo)系統(tǒng)、安裝加速度計(jì)的學(xué)習(xí)振動(dòng)控制系統(tǒng)(LVC)以及次級(jí)編碼器，共同作用構(gòu)建了高精度解決方案。不僅通過數(shù)據(jù)修正使末端執(zhí)行器的振動(dòng)降到較小，而且可以對(duì)不同位置上的同型工件進(jìn)行相同的加工過程。既提高了機(jī)器人的生產(chǎn)效率，又節(jié)約了地面作業(yè)空間。
除了采用高精度的測(cè)量?jī)x器外，建立定位誤差模型和補(bǔ)償算法也是提高定位精度的重要手段。德國(guó)寶捷自動(dòng)化公司開發(fā)的包含校準(zhǔn)工藝和補(bǔ)償方法的組合包在不使用外部測(cè)量?jī)x器的情況下，讓一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)機(jī)器人的**定位精度達(dá)到±0.3mm。國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等高校的研究和實(shí)踐表明，采用末端伺服工業(yè)機(jī)器人是解決當(dāng)前航空產(chǎn)品制造**定位精度的重要手段。
4 靈巧關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人
航空產(chǎn)品通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布局緊湊、而且潔凈度要求高，能夠進(jìn)行裝配、檢測(cè)以及清理的工作空間非常有限，因此人工操作難度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低。常規(guī)的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)節(jié)尺寸大無法在狹小空間完成這類作業(yè)。仿象鼻、章魚須或蛇等柔性多節(jié)結(jié)構(gòu)的靈巧關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。英國(guó)OC Robotics公司為空中客車英國(guó)公司開發(fā)了系列蛇形臂機(jī)器人(圖8)，能夠鉆入機(jī)翼內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè)、緊固和密封。
航空大部件產(chǎn)品制造、裝配、維修過程有時(shí)需要運(yùn)用敲擊振動(dòng)過程(圖7)，比如鉚接，有時(shí)又必須避免與作業(yè)環(huán)境或人發(fā)生碰撞。傳統(tǒng)的剛性關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人由于受傳感器測(cè)量帶寬和計(jì)算機(jī)速度的限制，導(dǎo)致其不能對(duì)快速?zèng)_擊及時(shí)響應(yīng)[7]，難以適應(yīng)需要瞬間加速或較大力矩的場(chǎng)合，并且工作空間需要封閉以保證安全性。為此，工業(yè)機(jī)器人的靈巧性還體現(xiàn)在采用柔性關(guān)節(jié)，其內(nèi)部含有彈性環(huán)節(jié)，通過測(cè)量關(guān)節(jié)的輸出力矩構(gòu)成力矩反饋，從而獲得比傳統(tǒng)關(guān)節(jié)更高的力控制精度與穩(wěn)定性。彈性環(huán)節(jié)還可以存儲(chǔ)能量，在瞬間釋放時(shí)可以產(chǎn)生較大的力矩。采用柔性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人具有安全性，能夠與人直接交互，可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的開放性和移動(dòng)性。德國(guó)宇航中心DLR、美國(guó)Meka Robotics 公司、瑞典ABB公司等機(jī)構(gòu)在柔性關(guān)節(jié)領(lǐng)域開展了深入研究，部分產(chǎn)品正逐漸投入市場(chǎng)。