機器人技術在航空維修中的應用探索

舒 送，趙桂芳，張小輝

（國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007）

1 引言

航空維修是指現(xiàn)役飛機到達一定壽命周期時被送往大修基地進行全面維修的活動。區(qū)別于航空制造廠完全從無到有的純制造模式，航空維修則是一種修造結合的綜合模式，其重點在于對可維修零部件的性能恢復。

在航空制造領域，為解決大量重復性勞動，國外航空制造企業(yè)很早就開始從事機器人技術相關應用研究，其早期工作主要集中在蒙皮覆蓋件自動化制孔上。如上世紀末洛馬公司與波音公司就分別利用機器人在F-16復合材料垂尾壁板和F/A-18E/F超級大黃蜂后沿襟翼上實現(xiàn)了機器人自動制孔、锪窩、孔檢測等操作。進入二十一世紀以來，更多的機器人應用方向被拓展，如全機自動噴涂等[1]。相比之下，國內航空制造企業(yè)此類研究工作起步較晚，雖然也取得了一定成果，但總體效果仍不夠顯性化，后續(xù)發(fā)展空間巨大[2-4]。作為行業(yè)下游的航空維修企業(yè)，無論是國外或國內，其相關應用研究都鮮有報道，工程化應用差距較大[5]。隨著部隊飛機數(shù)量的不斷擴充與新機服役，其對維修質量和維修周期要求越來越高，給傳統(tǒng)航空維修生產方式提出了更多挑戰(zhàn)。為應對這些挑戰(zhàn)，越來越多的航空維修企業(yè)也已經開始了探索之路。

2 航空維修特點分析

區(qū)別于航空制造，在航空維修過程有如下特點：（1）很大一部分工作量是對服役后零部件進行外觀缺損檢查、表面缺陷檢查、幾何尺寸測量等，此類工作目前大部分仍依靠人工完成，自動化程度與工作效率都很低，這對基于機器視覺的自動檢測技術需求迫切。（2）航空維修零件一般都存在多品種、小批量問題，難以簡單歸門別類，無法通過固定單一方式或方法進行批量化修理，單一零件個性化修理現(xiàn)象比較普遍，這對所采用機器人技術的柔性化程度要求更高。（3）航空維修過程中涉及到飛機整機拆解與除漆等大量在飛機制造中沒有的工序過程，其工作方式與特點都與正常飛機制造有著很大差異，引入機器人技術時很難找到借鑒。（4）由于行業(yè)間的利益競爭關系，處在行業(yè)鏈下游的航空維修企業(yè)難以獲得維修產品設計與制造過程中涉及的大量原始信息，如產品數(shù)模信息等，這可能會對機器人技術應用過程中造成不利影響。

3 機器人技術在航空維修中的應用現(xiàn)狀與探索方向

雖然相比航空制造企業(yè)，航空修理企業(yè)對機器人技術的相關研究工作起步更晚，投入更少，但仍取得了一些應用成果。下面以國內某航空維修基地為例，分別從實際已實施典型案例和未來可應用方向這兩個方面來闡述機器人技術在航空維修領域的應用現(xiàn)狀和探索方向。

3.1 典型應用案例

3.1.1 工業(yè)機器人在機械零件特殊修理過程中的應用

在航空維修過程中，為實現(xiàn)航空零件缺損部位的低熱輸入焊接、表面尺寸恢復等修復目標，大量采用了激光熔覆技術與熱噴涂技術。由于各種零件間的外形差異大、損傷部位也各不相同，這給修理過程中激光熔覆頭或噴槍的快速準確定位帶來了難度，但利用工業(yè)機器人的高度柔性化，很好的解決這一難題，如圖1、圖2所示。

圖1 激光熔覆維修中工業(yè)機器人的應用Fig.1 The Application of Industrial Robot in Laser Cladding Repairing

圖2 熱噴涂維修中工業(yè)機器人的應用Fig.2 The Application of Industrial Robot in Thermal Spraying Repairing

3.1.2 機器視覺技術在零件外觀與尺寸檢測上的應用

在某型飛機進氣道防護柵維修過程中，需通過目視對近十萬個小孔進行裂紋檢測，如圖3所示。其工作量不言而喻，而其過程又易受人為因素干擾，導致修理質量難以控制，容易發(fā)生裂紋漏檢漏修現(xiàn)象，給最終飛機修理質量帶來不確定因素。為解決此問題，研究采用了以機器視覺檢測代替人眼檢測防護柵是否存在裂紋，通過機器視覺將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，依靠一系列的圖像處理技術，實現(xiàn)防護柵裂紋的自動識別、自動標記和存儲功能。

圖3 防護柵一角與裂紋圖示Fig.3 Protection Barrier Corner Shown with Crack

圖4 防護柵裂紋機器視覺檢查設備Fig.4 The Machine Vision Inspection Equipment for Protection Barrier with Crack

在橡膠零件檢測中，由于橡膠本身的彈性導致要準確測量其幾何尺寸變得很困難，實施效率也很低。為此采用了OGP影像測量系統(tǒng)，如圖5所示。該系統(tǒng)集精密光學技術、先進電子技術、強大的軟件功能及精密機械為一體，可高精準地顯示任何零件的影像，以達到準確的測量效果。該系統(tǒng)利用機器視覺與圖像處理技術成功實現(xiàn)了橡膠零件的非接觸式測量，比單一點接觸系統(tǒng)提供了更詳細的零件數(shù)據(jù)，有效解決了小型橡膠零件難以快速準確測量的難題。

圖5 OGP影像測量系統(tǒng)Fig.5 OGP Image Measurement System

3.1.3 全向移動技術在飛機大部件運輸裝配中的應用

在航空維修過程中，某些大部件的運輸裝配一直是較難解決的問題，其過程中與配套工裝調整對接需花費大量時間。為此，基于麥克拉姆輪全向移動技術開發(fā)了運輸裝配全向車。該車采用了速度伺服、多軸運動精確控制、無源無線等多項先進技術，可實現(xiàn)車輛在平面上三自由度的任意方向精確移動，目前已成功運用于航空修理工廠作業(yè)過程中的發(fā)動機、機載部附件以及武器裝備系統(tǒng)運輸與裝配，取得了不錯的應用效果，如圖6所示。

圖6 全向移動技術應用案例Fig.6 The Application of Omni-Mobile Technology

3.2 未來應用探索方向

3.2.1 基于機器人智能提舉的重物搬運與裝配

在航空維修過程中，有不少場合涉及到重物的短距離運輸與吊裝裝配，傳統(tǒng)方式均采用廠房行車進行吊裝作業(yè)，其控制精度與柔性均較差，難以滿足實際工作需要。為此可采用機器人智能提舉系統(tǒng)來進行相關作業(yè)操作，一方面能大大減輕一線工人勞動強度，同時也可以增加大部件運輸裝配過程的柔性與精度，如圖7所示。

圖7 機器人智能提舉示例Fig.7 The Example of Intelligent Robot Lifting

3.2.2 基于機器人技術的自動除漆、噴漆

隨著我軍新機的不斷服役，尤其是最新一代隱身戰(zhàn)機的服役，由于其隱身涂層的特殊性，對漆層去除與噴涂都有很多苛刻的要求，航空維修現(xiàn)有工藝方法與人工作業(yè)模式將很難勝任，這給未來維修中的除漆、噴漆工作帶來了巨大挑戰(zhàn)，為解決這一難題，引入并消化基于機器人技術的自動除漆、噴漆將是必然趨勢?；谕瑯釉?，美軍早在上世紀末就開始了基于機器人的除漆與噴漆相關研究工作并取得了工程化應用[6]，如圖8所示。

圖8 機器人技術在軍機除漆中的應用Fig.8 The Application of Robotics Technology in Lacquer Removing for Military Aircraft

3.2.3 基于機器人技術的航空零部件精密打磨

在航空維修過程中，大量零部件服役一段時間后存在劃傷、腐蝕等表面缺陷，需人工打磨去除，這對于小型零件處理起來不算復雜，但對于大型零件，如座艙蓋覆蓋件，由于其對打磨后厚度均勻性有較高要求，其處理過程不但勞動強度大，對工人技能水平要求也很高。研究如何利用機器人來代替人工以提高作業(yè)效率與產品質量，將是后期機器人技術重點應用發(fā)展方向。傳統(tǒng)飛機座艙蓋人工打磨方式，如圖9所示。

圖9 傳統(tǒng)飛機座艙蓋人工打磨方式Fig.9 Traditional Cockpit Cover Polishing with Artificial Way

4 需突破的關鍵技術

4.1 快速逆向測量技術

在大部分工業(yè)機器人操作過程中，只有基于目標產品幾何外形數(shù)據(jù)才能計算出機器人運動軌跡與路徑，但在航空維修過程中，由于上游企業(yè)技術封鎖，很多目標產品原始圖紙與數(shù)字化幾何模型雙重缺失，在此種條件下，只用通過專業(yè)逆向測量設備對目標產品外形進行逆向測繪以獲取其幾何外形數(shù)據(jù)信息，如何通過快速逆向數(shù)據(jù)處理與專業(yè)編輯技術來獲取合格的三維數(shù)模，是一項關鍵支撐技術。

4.2 機器視覺技術

機器視覺技術是機器人技術與照相測量技術的融合。在航空維修過程中，由于大量目視檢查工作存在，對機器視覺技術的需求可能比其他行業(yè)更為廣泛也更加迫切。理論上講，一切目視檢查內容均可以通過機器視覺技術來實現(xiàn)，而且完成質量和效率可以比目視模式更高，尤其是在效率上，可以呈現(xiàn)幾個數(shù)量級的提升。這其中涉及的圖像處理和后續(xù)軟件開發(fā)定制是該項技術的關鍵，需要重點突破。

4.3 離線編程與仿真技術

機器人的最終執(zhí)行是通過程序驅動的，傳統(tǒng)示教編程精度差、效率低，也無法與目標產品幾何模型數(shù)據(jù)進行有效對接，在復雜航空產品的定制化維修過程中使用限制很大。要成功實現(xiàn)對機器人的精確柔性化控制，滿足實際應用過程中的各種限制條件，杜絕可能產生的各種干涉與碰撞，同時提高編程效率，必須對機器人離線編程系統(tǒng)進行深入研究與應用。

4.4 高精度測量定位技術

在航空維修某些特殊過程中，如整機除漆、噴漆，其作業(yè)區(qū)域很大，遠遠超過主流工業(yè)機器人工作半徑，但同時其精度要求卻又很高，而現(xiàn)有工業(yè)機器人的絕對定位精度較低，無法滿足其作業(yè)過程中對空間定位精度的要求，因此需要高精度測量裝置引導機器人末端執(zhí)行器實現(xiàn)運動軌跡的伺服控制。目前來看，除了采用采用傳統(tǒng)的激光跟蹤儀外，大膽啟用室內GPS（indoor GPS，iGPS）技術是個不錯的選擇，其特別適合于大尺寸測量，可以在整個作業(yè)空間內建立測量場，還可根據(jù)現(xiàn)場需求添加額外機器人卻不增加額外測量費用，能大大減少固定工裝的投入費用。

5 結束語

由于航空維修與航空制造差異較大，在機器人技術引進過程中，不能簡單生搬硬套，一味追逐最新、最尖端的機器人技術，而應重點研究為現(xiàn)有成熟機器人技術，如機器視覺、機器人智能提舉等，在航空維修中尋找到合適的應用點，只有這樣才能逐步擴展機器人技術在航空維修領域的應用深度與廣度。雖然現(xiàn)今航空維修中機器人技術應用還處在起步階段，但也不斷有一些好的應用案例涌現(xiàn)，也證明了機器人技術在航空維修領域有著廣闊的應用前景。隨著未來航空維修市場競爭的不斷升級，借助先進的機器人技術來提升企業(yè)的核心競爭能力已成為航空維修企業(yè)的必然選擇。

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