精彩的“混搭”

施俊丹

近年來，機(jī)器人在航空制造領(lǐng)域的使用愈來愈普遍，其承擔(dān)的任務(wù)也愈來愈繁重。同時，與機(jī)器人配套的新技術(shù)也愈來愈復(fù)雜，3D打印、VR等新技術(shù)層出不窮。隨著機(jī)器人與這些新技術(shù)的結(jié)合越來越緊密，機(jī)器人的智能化水平得到明顯提高，在很大程度上改變了航空制造業(yè)的面貌。

機(jī)器人+3D打印

3D打印是一項前沿技術(shù)，目前正在大規(guī)模普及，已經(jīng)在很多行業(yè)有成功應(yīng)用的案例。航空工業(yè)作為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，自然也不例外，2017年5月首飛的C919大型客機(jī)上就有3D打印零部件的身影。C919機(jī)翼的主要承重部件——機(jī)翼中央椽條，以及前機(jī)身和中后機(jī)身登機(jī)門、服務(wù)門、前后貨艙門上使用的23個金屬部件，都來自3D打印。

2016年，空客推出了一款全3D打印的驗證飛機(jī)——Thor（雷神）。該飛機(jī)的非電子部分，如發(fā)動機(jī)、起落架等均采用綿綸制造。

3D打印技術(shù)的發(fā)展，離不開工業(yè)機(jī)器人。正是因為有不斷發(fā)展的機(jī)器人技術(shù)，才使得3D打印從理論走向現(xiàn)實、從傳統(tǒng)工業(yè)走進(jìn)航空工業(yè)。

洛克希德·馬丁公司和美國機(jī)器人集成商Wolf Robotics合作，開發(fā)了一款驗證平臺，計劃通過不斷添加組件，進(jìn)行迭代開發(fā)以增強(qiáng)其功能，以便更好地適應(yīng)未來工廠的制造需求。平臺最近的形態(tài)是由兩臺縱向排列的ABB公司的機(jī)器人構(gòu)成。

第一臺機(jī)器人用來進(jìn)行3D打印，其機(jī)械臂前端有一根用來“吐珠子”的管子，可以連續(xù)釋放球狀高分子材料，鋪滿一層后繼續(xù)鋪上面一層，直到結(jié)構(gòu)成型。

另一臺機(jī)器人是多功能的，其前端的工具更換系統(tǒng)可以切換三種功能，分別用來移除第一臺機(jī)器人在物件表面鋪放的多余材料，或者通過光學(xué)掃描裝置監(jiān)測整個3D打印過程，還可以換上一個鉗子處理其他任務(wù)。利用這個鉗子，第二臺機(jī)器人可以抓起一臺體積更小的3D打印機(jī)，將它懸在第一臺機(jī)器人打印好的物件表面進(jìn)行“精雕細(xì)琢”，仿佛是第二臺機(jī)器人的手臂延長了。

如果使用傳統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行上述3D打印工作，流程通常是串行的，先制造好，然后切削，再添加組件，如此循環(huán)往復(fù)?，F(xiàn)在把機(jī)器人和3D打印結(jié)合在一起，利用強(qiáng)大的控制軟件，這些過程可以并行完成，有條不紊，效率大大提升。

利用特殊設(shè)計的機(jī)器人，而不是預(yù)定義的打印設(shè)備進(jìn)行3D打印，可以快速開發(fā)出新的金屬零件，不需要增加額外的模具成本就可以進(jìn)行設(shè)計更改，并且只有很低的初期制造成本，這些優(yōu)點(diǎn)讓制造過程更加自由，浪費(fèi)更少。

GE航空結(jié)合自身實踐，在這方面進(jìn)行了積極探索。在其研發(fā)的先進(jìn)螺旋槳發(fā)動機(jī)上，GE的設(shè)計師將855個獨(dú)立零件成功地減少為12個，發(fā)動機(jī)超過三分之一的部件都是3D打印的。

機(jī)器人+VR

除了能自動作業(yè)的機(jī)器人外，還有很多工業(yè)機(jī)器人需要操作者和機(jī)器同處一地進(jìn)行操作。但隨著科技的快速發(fā)展，會不會有一天這些機(jī)器人可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制呢？

近期，在波音和美國國家自然基金會的資助下，麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)與人工智能實驗室（CSAIL）設(shè)計了一套利用Oculus Rift頭盔遠(yuǎn)程操控機(jī)器人的VR系統(tǒng)。使用者待在安裝有多個視覺傳感器的控制室內(nèi)，系統(tǒng)讓其感到仿佛置身于機(jī)器人的“頭”里。使用者做出手勢向機(jī)器人傳遞信息，機(jī)器人通過復(fù)制使用者的動作完成不同的任務(wù)，這套系統(tǒng)最終可以幫助人類遠(yuǎn)距離管理機(jī)器人。

使用VR進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，通常有兩種方法。一種是“直接”模式，使用者的視覺直接和機(jī)器人的狀態(tài)進(jìn)行耦合，可以理解為“第一人稱視角”。但是，由于傳輸延遲等原因，有可能會導(dǎo)致使用者出現(xiàn)嘔心、頭痛等問題，使用者的視野也受限于機(jī)器人的視角，所獲取的信息較少。另一種是“數(shù)字-物理”模式，使用者和機(jī)器人相互獨(dú)立，轉(zhuǎn)而和一個虛擬形態(tài)的機(jī)器人及其所處的環(huán)境進(jìn)行交互，可以理解為“第三人稱視角”。用戶不僅能看到機(jī)器人視野中的東西，還能對機(jī)器人本身進(jìn)行觀察。但是，這種模式需要大量的傳感器以及更多的數(shù)據(jù)支持。

CSAIL設(shè)計的VR系統(tǒng)介于上述兩種模式之間。這項技術(shù)一旦成熟，在航空制造業(yè)中將有很好的發(fā)展前景。比如，它能很好地解決航空公司的定制涂裝問題，既能把工人從有毒的環(huán)境中解放出來，又能彌補(bǔ)自動機(jī)器人在噴涂不同圖案時存在的問題。

機(jī)器人+復(fù)合材料

波音在制造777X的機(jī)翼時，使用了自動纖維敷設(shè)機(jī)，這是用機(jī)器人處理復(fù)合材料的典型案例。其實，換一個角度來看，復(fù)合材料不僅可以為飛機(jī)部件減重，也可以為生產(chǎn)飛機(jī)部件的機(jī)器人減重。

2017年，英國謝菲爾德大學(xué)和波音共同創(chuàng)建的先進(jìn)制造研究中心（AMRC）推出了世界上首個可重構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料機(jī)器人。這種機(jī)器人采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，可以由兩個人輕松地拆卸并移動。

工業(yè)機(jī)器人的兩個重要指標(biāo)是承載能力和精度，使用金屬材料去追求承載能力，勢必會增加機(jī)器人手臂等承力部件的重量，而重量增加帶來慣性增大，會拖累精度。為了維持精度，反過來又要增加一些補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。這樣一來，對機(jī)器人的制造工藝提出了很高的要求。

復(fù)合材料出現(xiàn)后，機(jī)器人的負(fù)載和自重比有了質(zhì)的飛躍，能夠有效解決上述問題。碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般都不少于3 500兆帕，是鋼材的7～9倍，抗拉彈性模量為23 000～43 000兆帕，密度卻不到鋼材的四分之一，這種高承載能力和輕量化效果對工業(yè)機(jī)器人的操作精度有明顯改善。此外，由復(fù)合材料制成的機(jī)器人，其操作精度受環(huán)境溫度、濕度變化的影響也比金屬材料制成的機(jī)器人更小。